Акустическая спектроскопия

АКУСТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ, изучает распространение в в-ве звуковых волн малых амплитуд. В случае продольных волн частицы или малые элементы объема, содержащие не менее 10⁴ молекул, колеблются вдоль направления распространения волны, в случае поперечных-в плоскости, перпендикулярной этому направлению. Продольные волны создают последовательно чередующиеся адиабатич. сжатия и разрежения среды, сопровождающиеся изменением т-ры и соответствующим смещением равновесия хим. р-ций. В областях сжатия и разрежения возникают небольшие локальные отклонения от термодинамич. равновесия, не приводящие (в случае звуковых колебаний малых амплитуд) к фазовым переходам. Среда стремится вернуться в состояние термодинамич. равновесия, т.е. возникают релаксац. процессы, к-рые приводят к поглощению энергии волн. Убывание амплитуды (избыточного давленияР) плоской волны, распространяющейся вдоль направления х. описывается ур-нием:Р(х) = , гдеР₀-начальная амплитуда,-коэф. поглощения, зависящий от частоты v (v = ¹/₂Т, где T-период волны).

Рис. 1. Дисперсия скорости звука.

При релаксации фазовая скорость С волны также зависит от v, т.е. наблюдается дисперсия скорости звука. Если Т намного меньше времени релаксации звуковые колебания не успевают изменить состояние среды, и при vС->(см. рис. 1). При (низкие частоты) термодинамич. равновесие среды в осн. успевает установиться и скорость звука будет меньше (v—>0, С—>С₀). Наиб. изменение С наблюдается в т. наз. дисперсионной области при частоте релаксации v_p = ^l/₂

В методах акустической спектроскопии измеряют зависимости С иот v (или ) с помощью акустич. спектрометров, обычно содержащих излучатель и приемник звуковых колебаний. Распространены приборы, позволяющие измерять С и в жидкой среде в интервале v 10⁴-10⁹ Гц. Требующийся для измерений объем в-ва составляет (10C/v)³. относит. погрешность измерений С-10^-1 - 10^-3%,-5-10%.

При проведении исследований сначала находят эксперим. зависимости С иот v. Затем, исходя из той или иной модели релаксац. процесса, рассчитывают теоретич. зависимости и сравнивают их с экспериментальными. Наиб. часто релаксац. процесс описывают с помощью представлений об элементарных хим. р-циях. В терминах элементарных р-ций могут быть описаны любые резкие изменения состояния системы, приводящие к разрыву или образованию хим. связей, конформац. превращениям, поглощению или испусканию фононов или фотонов и т.д. В Наиб. простых случаях зависимостии С от со описываются ур-ниями:

Здесь-время акустич. релаксации, обусловленное некрой р-цией, b_а-релаксац. сила, соответствующая этой р-ции, - "релаксирующая" часть коэффициента поглощения,-длина волны, соответствующая круговой частоте

В кач-ве примера на рис. 2 представлена простая релаксац. полоса поглощения звука в акустич. спектре жидкого бензола. Ее максимум соответствует релаксац. частоте v_p = = ¹/_2PS; ордината максимума равнаb_а/2; полуширина полосы v_1/2 =

Рис. 2. Зависимость величины от частоты звуковых колебаний в жидком бензоле при 20°С.

Если какая-либо из протекающих в среде р-ций сопровождается поглощением теплоты и (или) изменением объема системы, то b_а > 0. Такие р-ции проявляются в акустич. спектре, по к-рому можно сделать выводы об их механизме. Времясвязано с константами скорости р-ций и концентрациями реагентов, оно зависит от кинетики и механизма этих р-ций. В более общем случае в спектре наблюдается неск. релаксац. полос поглощения (на графиках зависимости С от v - неск. релаксац. ступенек). Время релаксации V_j характеризует положение i-той полосы поглощения на графиках=f(v). Если соседниеразличаются менее чем в 5 раз, то соответствующие им простые области дисперсии расшифровать трудно.

Большое значение имеют звуковые волны, возникающие в результате теплового движения в объеме и на пов-сти раздела фаз. Их можно изучать оптич. методами (по спектрам рэлеевского рассеяния света). Поверхностные звуковые волны влияют на механизм гетерог. р-ций.

Методами акустической спектроскопии исследуют св-ва и строение в-ва, кинетику быстрых р-ций, конформац. превращения, возбуждение и дезактивацию внутримол. колебаний в газах и жидкостях (в т.ч. в биологически активных средах). В твердых кристаллах исследуют образование и исчезновение дефектов.