Гіперзвук та його властивості

Міністерство освіти і науки України

Педагогічний ліцей

Повідомлення на тему

Виконала

Учениця 11-б класу

Вербова Яніна

Перевірила

Сальник І.В.

Кіровоград 2010

Вступ

Світ, що нас оточує, з повним правом можна назвати світом звуків. Звучать навколо нас голоси людей та музика, шум вітру і щебетання птахів, рокіт моторів і шелест листя… з точки зору фізики звук – це механічні коливання, які поширюються в пружному середовищі: повітрі, воді, твердому тілі і т.д. Коливна струна призводить до руху оточуюче її повітря, то ущільнюючи його, то розріджуючи. Шари ущільненого і розрідженого повітря розбігаються один за одним у всі сторони і створюють звукову хвилю. Досягши нашого вуха, механічні коливання передаються барабанними перетинками – ми чуємо струну, яка звучить.

Здатність людини сприймати пружні коливання, чути їх відобразились в назві науки про звук – акустиці, яка вивчала спочатку саме чутні людиною звукові хвилі з частотою від 16 до 20 Гц. Низьким звукам (бій барабану) відповідають низькі частоти від 16 до 200 Гц, високим (свисток) – великі частоти від 5000 Гц і вище. Зараз акустика як розділ фізики розглядає більш широкий спектр пружних коливань – від самих низьких частот до високих, аж до 10¹²-10¹³ Гц. Не чутні людську вуху хвилі з частотами менше 16 Гц називають інфразвуком, від 20 кГц до 10⁹Гц – ультразвуком, коливання з частотами вище 10⁹ – гіперзвуком. Гіперзвук - пружні хвилі з частотами від 109 до 1012-1018 Гц. За фізичною природою гіперзвук нічим не відрізняється від звукових та УЗ-хвиль. Завдяки більш високим частотам і, отже, меншим, ніж в області УЗ, довжинам хвиль значно більш істотними стають взаємодії гіперзвуку з квазічастинками в середовищі - з електронами провідності, тепловими фононами, магнонами та ін. Гіперзвук також часто представляють як потік квазічастинок - фононів.

Поширення в природі

Область частот гіперзвуку відповідає частотам електрично-магнітних коливань дециметрового, сантиметрового і міліметрового діапазонів (т. зв. надвисоким частотам). Частота 109 Гц в повітрі при нормальному атмосферному тиску і кімнатній температурі повинна відповідати довжині хвилі гіперзвуку 3,4 * 10-5 см, тобто одного порядку з довжиною вільного пробігу молекул в повітрі при цих умовах. Однак пружні хвилі можуть поширюватися в середовищі тільки за умови, що їх довжина хвилі помітно більша від довжини вільного пробігу частинок у газах або більша за міжатомні відстані у рідинах та твердих тілах. Тому в газах (зокрема, в повітрі) при нормальному атмосферному тиску гіперзвукові хвилі поширюватися не можуть. У рідинах загасання гіперзвуку дуже велике і дальність розповсюдження мала. Порівняно добре гіперзвук поширюється у твердих тілах - монокристалах, особливо при низьких температуpax. Але навіть в монокристалі кварцу, що відрізняється малим загасанням у ньому пружних хвиль, поздовжня гіперзвукова хвиля з частотою 1,5 * 109 Гц, яка поширюється вздовж осі кристала при кімнатній температурі, послаблюється за амплітудою в 2 рази, пройшовши відстань усього в 1 см. У монокристалах сапфіру, ніобіту літію, загасання гіперзвуку менше, ніж у кварці; наприклад, в ніобіті літію Г. послаблюється в 2 рази на відстані 15 см.

Природа гіперзвуку

Існує гіперзвук теплового походження та штучно порушуваний. Теплові коливання атомів або іонів, що складають кристалічні грати, можна розглядати як сукупність поздовжніх і поперечних плоских пружних хвиль самих частот, що поширюються по всіх напрямках. Ці хвилі називають дебаєвськими хвилями або тепловими фононами; в області частот 109-1013 Гц їх розглядають як гіперзвук теплового походження. Гіперзвукові теплові фонони в кристалі мають широкий спектр частот, тоді як штучно одержуваний гіперзвук може мати високу ступінь монохроматичності. У рідинах флуктуації щільності, що викликаються тепловим рухом молекул, також зручно представити як результат накладання плоских пружних хвиль, що поширюються у всіх напрямках. Тепловий рух безперервно "генерує" гіперзвук як в твердих тілах, так і в рідинах.

До того як стало можливим отримувати гіперзвук штучним шляхом, вивчення гіперзвуку в рідинах і твердих тілах проводилося головним чином оптичним методом (розсіювання світла на гіперзвук теплового походження). Було виявлено, що розсіювання світла в оптично прозорому середовищі відбувається з утворенням дек. спектр. ліній, зміщених щодо частоти падаючого світла на частоту гіперзвуку (теорія Мандельштама-Брілюєна розсіювання). Дослідження гіперзвуку у ряді рідин привели до відкриття в них залежності швидкості розповсюдження гіперзвуку від частоти в деяких областях частот і аномально великої поглинання гіперзвуку в цих же областях. Вивчення гіперзвуку рентгенівськими методами показало, що теплові коливання атомів у кристалі призводять до дифузного розсіювання рентгенівських променів, до розмазування на рентгенограмі плям, зумовлених взаємодією рентгенівських променів з атомами, і до появи фону. При дифузному розсіюванні можна досліджувати спектр гіперзвукових хвиль і визначати модулі пружності твердих тіл.

Шкала гіперзвуку

Сучасні методи випромінювання і прийому гіперзвуку так само як і УЗ, ґрунтуються головним чином на використанні явищ п'єзоелектрики і магнітострикції. Для порушення гіперзвуку можна використовувати резонансні п'єзоелектричні перетворювачі пластинчастого типу, к-які застосовуються в У3-діапазоні частот, однак для гіперзвуку товщина таких перетворювачів повинна бути дуже мала. Тому їх отримують, наприклад, шляхом вакуумного напилення плівок з п’єзоелектричних матеріалів (LiNbO3, AlN, CdS, ZnS, ZnO та ін) на торець звукопровідника; застосовують і магнітострикційні плівки резонансної товщини (наприклад, плівки нікелю або пермалою).

Використовується також нерезонансний метод збудження гіперзвуку з поверхні діелектричного п’єзоелектричного кристала. Кристал поміщається торцем в електричному полі СВЧ (у більшості випадків - в об'ємний резонатор). Стрибок діелектричної проникності, який має місце на кордоні кристала, призводить до появи на його поверхні зарядів, мінливих з частотою поля і супроводжуються змінною п’єзоелектричною деформацією. Ця деформація поширюється по кристалу у вигляді поздовжньої або здвигової пружної хвилі. Аналогічно збуджується гіперзвук з поверхні магнітострикції кристалів, в цьому випадку торець кристала поміщається в магнітне поле НВЧ. Однак ці методи генерації і прийому гіперзвуку відрізняються малою ефективністю перетворення електромагнітної енергії в акустичну. Для генерації гіперзвуку все ширше застосовуються лазерні джерела, а також пристрої на надпровідниках.

Поширення гіперзвуку в твердих тілах

На дальність розповсюдження гіперзвуку у твердих тілах великий вплив мають його взаємодії з тепловими фононами, електронами, магнонами (спіновими хвилями) і ін.

У кристалах діелектриків, що не містять вільних носіїв зарядів, загасання гіперзвуку визначається в основному його нелінійною взаємодією з тепловими фононами. На порівняно низьких частотах діє так званий механізм "фононній в'язкості" (механізм Ахієзера). Він полягає в тому, що пружна хвиля порушує рівноважний розподіл теплових фононів і перерозподіл енергії між різними фононами приводить до незворотного процесу дисипації енергії. Цей механізм має релаксаційний характер, а роль часу релаксації грає час життя фонона. Механізм "фононній в'язкості" дає внесок в поглинання як поздовжніх, так і поперечних хвиль. Він є домінуючим при кімнатних температуpax, при яких виконується умова.

В області ~ 1010-1011 Гц і при низьких температурах (при температурі рідкого гелію), коли, відбувається безпосередня взаємодію когерентних фононів з тепловими, яку необхідно розглядати в рамках квантових уявлень. Непружна взаємодія когерентного фонона з тепловим призводить до появи третього фонона з зміненої частотою, тобто до зменшення числа когерентних фононів і відповідно до поглинання гіперзвуку ( Механізм Ландау-Pумера).

Поширення звуку в напівпровідниках

При поширенні гіперзвуку в кристалах напівпровідників (а також і металів) має місце взаємодія гіперзвук з електронами провідності. Основними механізмами тут є електрично-магнітний зв'язок, зв'язок через деформаційний потенціал, п’єзоелектричний і магнітопружній зв'язок, відносний внесок яких визначається типом матеріалу. У неп’єзоелектричних напівпровідниках зв'язок пружних хвиль з носіями заряду здійснюється головним чином через деформаційний потенціал. Особливий інтерес представляє поширення гіперзвуку в п’єзоелектричних матеріалах (напр., кристалах CdS), де пружні хвилі супроводжуються електромагнітними хвилями, і навпаки. У таких кристалах згасання і дисперсія гіперзвуку відбуваються в результаті його взаємодії з просторовими зарядами, зумовленими внутрішніми електричними полями. У цьому випадку діє також механізм електрон-фононної взаємодії, який обумовлений електричною поляризацією, пов'язаної з акустичними модами коливань, і здатний викликати локальне накопичення заряду і поява періодичного електричного потенціалу. Якщо до напівпровідникового кристалу прикласти постійне електричне поле, що викликає дрейф електронів зі швидкістю, більшою швидкості пружної хвилі, то електрони будуть обганяти пружну хвилю, віддаючи їй енергію і посилюючи її. Якщо швидкість когерентних фононів більше дрейфовій швидкості електронів, то має місце доповнить. електронне поглинання гіперзвуку. Під дією гіперзвуку в напівпровідниках виникає постійна ЕРС або постійний струм. Знак ефекту залежить при цьому від співвідношення швидкості гіперзвукових хвиль і швидкості електронів.

Поширення звуку в металах

Для металів характерні ті ж ефекти, що і для напівпровідників, але через велику загасання гіперзвуку ці ефекти стають помітними лише при темп-pax нижче 10 K, коли вклад в затухання за рахунок коливань решітки стає незначним. Поширення пружної хвилі в металі викликає рух покладе. іонів, і якщо електрони не встигають слідувати за ними, то виникають електричні. поля, які, впливаючи на електрони, створюють електронний струм. У разі поздовжньої хвилі зміни щільності створюють просторовий заряд,який безпосередньо генерує електричні. поля. Для поперечних хвиль зміни щільності відсутні, але зміщення положення іонів викликають осцилюючі магнітного поля, що створюють електричне поле, що діє на електрони. Таким чином, електрони отримують енергію від пружної хвилі і втрачають її в процесах зіткнення, відповідальних за електричний опір. Електрони релаксують шляхом зіткнень з гратами покладених іонів (домішками, тепловими фононами і т. д.), в результаті чого частина енергії повертається назад до пружної хвилі, якою переноситься гратами покладених іонів. Згасання гіперзвуку в чистих металах при низьких температуpax пропорційно частоті. Якщо метал - надпровідник, то при температурі переходу в надпровідний стан електронне поглинання різко зменшується. Це пояснюється тим, що з гратами, а отже, і з пружною хвилею взаємодіють тільки нормальні електрони провідності, число яких брало зменшується з пониженням температури, а надпровідні електрони, число яких при цьому зростає, в поглинанні гіперзвуку не беруть участь. Руйнування надпровідності зовнішнім магнітним полем призводить до різкого зростання поглинання.

Постійне магнітне поле істотно впливає на рух електронів, викривляючи їх траєкторії, що позначається на характері взаємодії в металах. При цьому при потужності частот пружних хвиль можливий ряд резонансних явищ, напр. квантові осциляції (де Хааса-ван Ал'фена ефект і Шубнікова-де Хааса ефект) і акустичний циклотронний резонанс. Вивчення загасання гіперзвуку в металах на електронах провідності дозволяє отримати важливі характеристики металів (поверхня Фермі, енергетичних. щілину в надпровідниках та ін.)

У парамагнетиках проходження гіперзвуку відповідної частоти і поляризації в результаті спін-фононної взаємодії може викликати зміну магнітного стану атомів. Так, гіперзвук частотою ~ 1010 Гц, поширюючись в кристалах парамагнетиків, поміщених в магнітне поле напруженістю ~ 1000 Е, може викликати перехід атома з одного магнітного рівня на інший, віддаючи йому енергію. При цьому відбувається поглинання гіперзвуку на частоті, що відповідає різниці рівнів, тобто виникає акустичний парамагнітний резонанс (АПР). За допомогою АПР виявляється можливим вивчати переходи між такими рівнями атомів в парамагнетиках, які є забороненими для електронного парамагнітного резонансу. У магнітовпорядкованих кристалах (антіферо- і феромагнетиках, феррімагнетіках), крім розглянутих вище взаємодій гіперзвуку з речовиною, з'являються інші, де грають роль магнітопружні взаємодії (Магнон-фононні взаємодії). Так, поширення гіперзвукової хвилі викликає поява спінової хвилі, і навпаки, спінова хвиля викликає поява гіперзвукової хвилі. Тому в загальному випадку в таких кристалах поширюються не чисто спінові або пружні хвилі, а пов'язані магнітопружні хвилі.

Взаємодія гіперзвуку зі світлом

Зміни показника заломлення електрично-магнітної хвилі під дією пружної хвилі обумовлює фотон-фононне взаємодію. Прикладами такої взаємодії є дифракція світла на ультразвуку, а також спонтанне і вимушене розсіювання Мандельштама-Брілюєна. До такого роду взаємодії можна віднести і виникнення пружної хвилі під дією електор-магнітної хвилі в результаті ефекту електрострикції. На частотах гіперзвуку переважає брегговська дифракція, при якій для діфрагування світла спостерігаються тільки нульовий і перший порядки.

При Мандельштама-Бріллюєна розсіянні механізм взаємодії світла з тепловими коливаннями кристалічної решітки (тепловими фононами) є таким же, як і для розглянутого вище випадку дифракції світла з штучно порушеними гіперзвуку (когерентними фононами), однак у цьому випадку світло розсіюється у всіх напрямках. При досить великих інтенсивностях, коли напруженість електричні. поля в падаючої світлової хвилі ~ 104-108 В / см, це поле може впливати на гіперзвукову хвилю, на якій відбувається розсіяння, забезпечуючи безперервне підкачування в неї енергії. У результаті відбувається генерація інтенсивного гіперзвуку - т. зв. вимушене розсіювання Мандельштама-Брілюєна.

Висновок

Властивості гіперзвуку дозволяють використовувати його для дослідження стану речовини, особливо у фізиці твердого тіла. Істотну роль відіграє використання гіперзвуку для т. зв. акустичних ліній затримки в області НВЧ, а також для створення інших пристроїв акустоелектроніки і акустооптики.

Використана література

Гончаренко С.У. Фізика. Підручник для 11 класів. К. Освіта. 2005

Енциклопедичний словник юного техніка. К. 1985

Довідник для юного техніка. Х. 1989