Молекулярна акустика

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 повʼя­зана 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. повʼязують 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. обʼєм 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 по­вʼязувати 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. звʼязок. Наявність такого звʼязку 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 компʼю­­те­рів для моделюва­н­ня молекуляр. динаміки.

Завантажити статтю