МОЛЕКУЛЯ́РНАЯ АКУ́СТИКА
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
МОЛЕКУЛЯ́РНАЯ АКУ́СТИКА, раздел физической акустики, в котором атомно-молекулярное строение и физич. свойства вещества исследуются на основе данных о скорости и поглощении акустич. волн (звука). Скорость звука непосредственно связана с равновесной структурой вещества и взаимодействием молекул. Коэф. поглощения звука определяется релаксационными процессами в веществе (см. Релаксация акустическая), т. е. кинетикой меж- и внутримолекулярных процессов. Эксперим. основой М. а. являются методы акустической спектроскопии. М. а. можно считать также одним из подразделов молекулярной физики.
Первые исследования по М. а. проведены в 1910 в лаборатории П. Н. Лебедева – было показано, что поглощение звука в воздухе существенно превышает значение, предсказанное классич. гидродинамикой (см. Навье – Стокса уравнения). В 1920–30-х гг. обнаружена дисперсия звука в жидкостях и газах и отклонение коэф. поглощения звука от классич. закона пропорциональности квадрату частоты. Эти явления были объяснены влиянием молекулярных релаксационных процессов, что позволило связать молекулярные свойства вещества с его акустич. параметрами. В работах Л. И. Мандельштама и М. А. Леонтовича (1937) разработана теория релаксационных процессов в звуковой волне, составляющая теоретич. основу молекулярной акустики.
Внутр. строение вещества можно охарактеризовать некоторым параметром $ξ$ (он может означать, напр., концентрацию возбуждённых молекул, количество ассоциатов или др. элементов структуры жидкости). При локальных изменениях давления $p$ и темп-ры $T$, имеющих место в акустич. волне, инициируется большинство возможных в данном веществе молекулярных превращений. При этом равновесное значение параметра $ξ$ (соответствующее данным $p$ и $T$) достигается не мгновенно, а с некоторым запaздыванием, поэтому происходит процесс самопроизвольного изменения параметра $ξ$ по направлению к равновесному значению (релаксация), который является необратимым и сопровождается превращением энергии акустич. колебаний в энергию теплового движения, т. е. поглощением звука, а также дисперсией звука. Зависимость произведения коэф. поглощения на длину волны от циклич. частоты $ω$ имеет максимум при значении $ω=1/τ$, где $τ$ – время релаксации. Этой же частоте соответствует макс. наклон частотной зависимости скорости звука. Измерение скорости и поглощения звука в зависимости от частоты при разл. внешних условиях (темп-ра, давление, внешние поля и т. д.) позволяет судить о природе релаксационных процессов, определить их кинетич. и равновесные параметры.
Методы М. а. широко применяются при исследованиях фазовых переходов 2-го рода и критич. явлений, процессов возбуждения внутримолекулярных колебаний, установления равновесия при химич. реакциях, переходов между изомерами, перестройки молекулярной структуры жидкостей и аморфных тел, в т. ч. сильновязких жидкостей, полимеров и стёкол. Исследования поглощения звука в твёрдых телах дают, в частности, информацию о поведении электронов и об особенностях электрон-фононного взаимодействия.
Измерения скорости звука могут производиться с погрешностью 10–4–10–6, что позволяет с гораздо большей точностью, чем в др. методах, измерять компоненты тензора модулей упругости кристаллов, а также оценивать темп-ру Дебая. Исследования температурной зависимости скорости звука дают информацию о характере агрегатных и структурных фазовых переходов.
Для исследований в М. а. обычно используют ультразвуковые и гиперзвуковые волны: в диапазоне частот от 104 до 1010 Гц применяют акустич. методы измерений, для частот до 1012 Гц – оптич. методы с использованием Мандельштама – Бриллюэна рассеяния света и рентгеновского излучения.