Гіперзвук та його властивості (150214)

Посмотреть архив целиком

Міністерство освіти і науки України

Педагогічний ліцей













Повідомлення на тему

Гіперзвук та його властивості




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 пєзоелектричного 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 непєзоелектричних 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.


Случайные файлы

Файл
94987.rtf
31159.rtf
ГОСТ 10060.2-95.doc
111978.rtf
161375.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.