Молекулярна акустика

Визначення і загальна характеристика

МОЛЕКУЛЯ́РНА АКУ́СТИКА  — розділ фізичної акустики, що вивчає закономірності взаємодії акустичних хвиль з газами, рідинами та твердими тілами, при чому досліджується взаємодія на мікрорівні, коли визначальний вплив на характеристики хвиль має атомно-молекулярна динаміка речовини. Дослідж. спрямовують на те, щоб одержати знан­ня про особливості речовини з вимірювання характеристик акустич. хвиль. Вимірюваними параметрами хвиль є фазова швидкість та характеристики затухання (поглинання) хвиль при різних величинах температури, тиску, напруженості електр. і магніт. полів, фазового стану речовини. Ефективність методів М. а. істотно пов’я­зана з тим, що звук. хвилі безпосередньо збуджують період. рухи частинок речовини, не чинячи прямого впливу на електр. поля (на відміну від оптич., рентґенів. та електрон. методів). Методами М. а. вдається безпосередньо збуджувати когерентні фонони на надвисоких частотах. Початок ефектив. використання методів М. а. пов’язують з працями англ. фізика Дж. Джинса, опублікованими на поч. 20 ст., зокрема «The Dynamical Theory of Gases» (4-е вид. — 1925). Важливим результатом його дослідж. було встановлення для багатоатом. газів факту впливу перерозподілу енергії на характеристики звук. хвиль при зіткненні атомів. На початк. етапі розвитку М. а. предметом дослідж. були лише рідини та гази. Нині методи М. а. ефективно використовують під час аналізу атомно-молекуляр. процесів у твердих деформів. тілах. Наступ. важливою подією в історії становлення М. а. та розвитку технологій практич. використання ультразвуку був вихід 1954 праці Л. Бергмана (пер. з нім. — «Ультразвук и его применение в науке и технике», Мос­ква, 1957), в якій цитується понад 5 тис. джерел. 1967, 1968 і 1970 у Москві за редакцією засн. першої в Україні каф. акустики проф. Л. Розенберга опубліковано 3 томи ґрунт. монографії «Физика и техника мощного ультра­звука». Визнач. подією в історії розвитку М. а. стало завершення наприкінці 20 ст. у США 25-томного вид. «Physical Acoustics». Практична реалізація можливостей аналізу атомно-молекуляр. процесів вимагає розроблення високоточ. методів вимірювання швидкості звуку та характеристик його затухання. Складності таких експерим. дослідж. зумовлені необхідністю встановити досить точні залежності акустич. параметрів від стану досліджуваних речовин і їх хім. склад. У експериментах накопичується величез. об’єм емпірич. інформації. Так, довідник з інформацією про швидкість звуку в повітрі, виданий 2002 у США («Handbook of the Speed of Sound in Real Ga­­ses». Vol. 3. «Speed of Sound in Air»), містить майже 300 сторінок. Поширеною практикою її використання є формулювання аналітич. емпірич. залежностей. Одним із простих прикладів такої залежності є формула для обчислення швидкості звуку в повітрі при зміні концентрації вуглекислого газу x_c W=W_c(T)[1,000097+10^-7(T-273,15)]-x_c[0,309+2,7*10^-4(T-273,15)]. Використання цієї формули дає можливість визначити концентрацію вуглекислого газу за виміряною швидкістю звуку при певній т-рі. Аналогіч. типу формула існує для залежності швидкості звуку в мор. воді від солоності, температури та глибини. Такого типу формули містять інтеграл. простор. оцінки параметрів середовища та дають надійні оцінки для відносно низьких частот. Використання високочастот. акустич. збурень дає можливість суттєво підвищити розділ. здатність експерим. техніки і більш глибоко вивчати атомно-молекулярні процеси. Знач. мірою розвиток дослідж. в М. а. можна по­в’язувати з розвитком експерим. методів генерації високих частот і вимірювання характеристик акустич. параметрів для все більш високих частот. Так, до 1970-х рр. експерим. дослідж. в галузі М. а. обмежувалися гіга­герцевим (10⁹ Гц). 1974 у Мос­кві вийшла фундам. праця В. Ноздрева та М. Федорищенка «Молекулярная акустика». 1999 присуджено Нобелів. премію в галузі хімії амер. вченому А. Зевайлу, дослідж. якого базувалися на експериментах із фемтосекунд. імпульсами, що відповідає частотам 10¹⁵ Гц. Використання таких частот дозволило детально вивчити реакцію передачі атома водню від однієї сполуки до ін. Свого часу ця реакція визначалася як найзагальніша і найважливіша в хімії. Розроблення методик експерименту з використанням сигналів надвисоких частот є актуал. проблемою М. а. Одержані результати з лазер. генерації таких сигналів показують, що в цьому випадку важливого значення набуває зворот. термопруж. зв’язок. Наявність такого зв’язку зумовлює зміни величин швидкості звуку на відносно низьких частотах. Методи М. а. можна використовувати також для вивчення кінетики молекуляр. процесів у розчинах і сумішах у критич. зонах при зміні фазового стану, в склад. полімер. системах. При дослідж. характеристик хвильових процесів у металах можна одержати важливу інформацію про поведінку електронів і про особливості електрон-фонон. взаємодії. Особливо перспективним є використання методів М. а. в медицині. Ставлять експерименти, спрямовані на вироблення методів контролю стану мозку з метою прогнозування важких захворювань. Особливо велике значення для розвитку методів М. а. має широке використання комп’ю­­те­рів для моделювання молекуляр. динаміки.

Завантажити статтю