Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Гиперзвук

Гиперзвук (далее Г), упругие волны с частотой от 109 до 1012—1013 гц; высокочастотная часть спектра упругих волн. По физической природе Г ничем не отличается от ультразвука, частоты которого простираются от 2·104 до 109 гц. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в области ультразвука, длинам волн значительно более существенными становятся взаимодействия Г с квазичастицами среды — электронами, фононами, магнонами и др.

  Область частот Г соответствует частотам электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов (т. н. сверхвысоким частотам — СВЧ). Используя технику генерации и приема электромагнитных колебаний СВЧ, удалось получить и начать исследование частот Г ~ 1011 гц.

  Частоте 109 гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре соответствует длина волны Г 3,4·10-5 см, т. е. эта длина одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе при этих условиях. Поскольку упругие волны могут распространяться в упругой среде только при условии, что длины этих волн заметно больше длины свободного пробега в газах (или больше межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах), то в воздухе и газах при нормальном атмосферном давлении гиперзвуковые волны не распространяются. В жидкостях затухание Г очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошими проводниками Г являются твердые тела в виде монокристаллов, но главным образом лишь при низких температурах. Так, например, даже в монокристалле кварца, отличающемся малым затуханием упругих волн, на частоте 1,5·109 гц продольная гиперзвуковая волна, распространяющаяся вдоль оси Х при комнатной температуре ослабляется по амплитуде в 2 раза при прохождении расстояния всего в 1 см. Однако имеются проводники Г лучше кварца, в которых затухание Г значительно меньше (например, монокристаллы сапфира, ниобата лития, граната и др.).

  Долгое время гиперзвуковые волны не удавалось получать искусственным путем (в этом одна из причин выделения этой области спектра упругих волн, названной "гиперзвуком"), поэтому изучали Г теплового происхождения. Твердое тело можно представить как некоторую объемную пространственную решетку, в узлах которой расположены или ионы. Тепловое движение представляет собой непрерывные и беспорядочные колебания этих около положения равновесия. Такие колебания можно рассматривать как совокупность продольных и поперечных плоских упругих волн самых различных частот — от самых низких собственных частот упругих колебаний данного тела до частот 1012—1013 гц (далее спектр упругих волн обрывается), распространяющихся по всевозможным направлениям. Эти волны называют также дебаевскими волнами, или тепловыми фононами.

  Фонон представляет собой элементарное возбуждение решетки или квазичастицу с энергией ћn и импульсом ћn/c, где n — частота, с — скорость звука в и ћ. — постоянная Планка. Фонону соответствует плоская упругая волна определ. частоты подобно тому, как фотону соответствует плоская электромагнитная волна определенной частоты. Тепловые фононы имеют широкий спектр частот, тогда как искусственно получаемый Г может иметь какую-нибудь одну определенную частоту. Поэтому искусственно генерируемый Г можно представлять как поток когерентных фононов (см. Когерентность). В жидкостях тепловое движение имеет характер, близкий к характеру теплового движения в твердых телах, поэтому в жидкостях, как и в твердых телах, тепловое движение непрерывно генерирует некогерентные гиперзвуковые волны.

  До того как стало возможным получать Г искусственным путем, изучение гиперзвуковых волн и их распространения в жидкостях и твердых телах проводилось главным образом оптическим методом. Наличие Г теплового происхождения в оптически прозрачной среде приводит к рассеянию света с образованием нескольких спектральных линий, смещенных на частоту Г n, т. н. Мандельштама — Бриллюэна рассеяние. Исследования Г в ряде жидкостей привели к открытию в них зависимости скорости распространения Г от частоты и аномального поглощения Г (см. Дисперсия звука).

  Современные методы генерации и приема Г основываются главным образом на использовании явлений пьезоэлектричества (возникновения электрических зарядов на поверхности пьезоэлектрического например на пластинке кварца, вырезанной определенным образом под действием механической деформации, и, наоборот, деформация помещенного в электрическое поле) и магнитострикции (изменения формы и размеров тела при намагничивании и изменения намагниченности при деформации).

  Одним из наиболее распространенных методов генерации Г является возбуждение Г с поверхности пьезоэлектрического Для этого последний своим торцом помещается в ту часть резонатора, где имеется максимальная напряженность электрического поля СВЧ; если — не пьезоэлектрик, то на его торец наносится тонкая пьезоэлектрическая пленка, например из сернистого Под действием электрического поля СВЧ возникает переменная деформация с той же частотой, которая распространяется по со скоростью Г в виде продольной, или сдвиговой, волны. При этом источником этой волны служит сама торцовая поверхность В свою очередь, механическая деформация вызывает на поверхности появление электрического заряда и, следовательно, подобным же образом может осуществляться прием Г

  При распространении упругих волн в диэлектриков, не содержащих свободных носителей зарядов, эти волны затухают благодаря их нелинейному взаимодействию с тепловыми фононами. Характер этого взаимодействия, а следовательно, и характер затухания зависят от частоты распространяющихся волн. Если частота невелика (область ультразвука), то волна только нарушает равновесное распределение тепловых фононов, которое благодаря случайным неупругим столкновениям их между собой затем восстанавливается; при этом происходит потеря энергии волны. В случае высоких гиперзвуковых частот происходит непосредственное нелинейное взаимодействие Г, искусственно получаемого, и Г теплового происхождения; когерентные фононы неупругим образом сталкиваются с тепловыми фононами и передают им свою энергию, что в данном случае и определяет потерю энергии Г С понижением температуры тепловые фононы "вымораживаются", их становится меньше. Соответственно этому затухание ультразвука и Г при понижении температуры существенно понижается.

  При распространении Г в полупроводников и металлов, где имеются электроны проводимости, кроме взаимодействия Г с тепловыми фононами, имеет место взаимодействие Г с электронами. Упругая волна, распространяющаяся в таких почти всегда несет с собой со скоростью звука локальное электрическое поле. Это связано с тем, что волна деформирует решетку, смещая или ионы из их положения равновесия, что приводит к изменению внутрикристаллических электрических полей. Возникшие электрического поля изменяют движение электронов проводимости и их энергетический спектр. С другой стороны, если почему-либо происходят изменения состояния электронов проводимости, то изменяются внутрикристаллического поля, что вызывает деформации в Т. о., взаимодействие электронов проводимости с фононами сопровождается поглощением или испусканием фононов.

  Изучение затухания Г в металлах на электронах проводимости позволяет исследовать важные характеристики металлов (времена релаксации, поверхность энергетическую щель в сверхпроводниках и др.).

  Взаимодействие между искусственными, или когерентными, фононами и электронами становится существенным в области ультразвуковых и особенно в области гиперзвуковых частот в полупроводниках, обладающих пьезоэлектрическими свойствами (например, сернистого в котором взаимодействие между фононами и электронами проводимости очень сильно). Если к приложить постоянное электрическое поле, величина которого такова, что скорость электронов будет несколько больше скорости упругой волны, то электроны будут обгонять упругую волну, отдавая ей энергию и усиливая ее, т. е. будет происходить усиление упругих волн. Взаимодействие между когерентными фононами и электронами приводит также к акустоэлектрическому эффекту — явлению, которое состоит в том, что фононы, отдавая свой импульс электронам, создают в постоянную эдс и постоянный электрический ток. В случае, когда электроны отдают энергию упругой волне, акусто-эдс также возникает, однако имеет противоположный знак.

  Рассматривая взаимодействие Г с электронами, следует принять во внимание тот факт, что электрон, кроме массы и заряда, обладает еще собственным механическим моментом (спином) и связанным с ним моментом, а также орбитальным моментом (см. Атом). Между орбитальным моментом и спином имеет место спин-орбитальное взаимодействие: если меняется наклон орбиты, несколько меняется и направление спина. Прохождение Г подходящей частоты и поляризации может вызвать изменение состояния Так, при частотах Г порядка 1010 гц в парамагнетиков (см. Парамагнетизм) взаимодействие Г со спин-орбитальной системой выражается, например, в явлении акустического парамагнитного резонанса (АПР), аналогичного электронному парамагнитному резонансу (ЭПР) и состоящего в избирательного поглощении Г, обусловленном переходом с одного уровня на другой. При помощи АПР оказывается возможным изучать переходы между такими уровнями в парамагнетиках, которые являются запрещенными для ЭПР.

  Используя взаимодействие когерентных фононов со спин-орбитальной системой, можно в парамагнитных при низких температурах усиливать и генерировать гиперзвуковые волны на принципе, сходном с тем, на котором работают квантовые генераторы (см. Квантовая электроника). В (ферромагнетики, антиферромагнетики, ферриты) распространение гиперзвуковой волны вызывает появление спиновой волны (изменения момента, передающиеся в виде волны) и, наоборот, спиновая волна вызывает появление гиперзвуковой волны. Т. о., один тип волн порождает другой, поэтому в общем случае в таких распространяются не чисто спиновые и упругие волны, а связанные волны.

  Взаимодействие Г со светом проявляется, как упоминалось выше, в рассеянии света на Г теплового происхождения, но эффективность этого взаимодействия очень мала. Однако применив мощный источник света (например, импульс мощного рубинового лазера), можно получить заметное усиление падающим светом упругой волны. В результате можно генерировать интенсивную гиперзвуковую волну в мощностью несколько десятков квт. В свою очередь, усиленная упругая волна будет в большей степени рассеивать падающий свет, так что при определенных условиях интенсивность рассеянного света может быть одного порядка с падающим; это явление называется вынужденным рассеянием Мандельштама — Бриллюэна.

  Т. о., свойства Г позволяют использовать его как инструмент исследования состояния вещества. Особенно велико его значение для изучения физики твердого тела. В области технических применений, развитие которых только начинается, уже сейчас существенно его использование для т. н. акустических линий задержки в области СВЧ (ультразвуковые линии задержки).

  В. А. Красильников.


Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 28.03.2024 15:53:38