1tom - 0414.htm
471
ходит с образованием неск, спектр, линий, смещ╦нных относительно частоты падающего света на частоту Г. ;(т. н. Мандельштама ≈ Бриллюэна. рассеяние]. Исследования Г. в ряде жидкостей привели к открытию в них зависимости скорости распространения Г. от частоты в нек-рых областях частот (см. Дисперсия звука} и аномально большого поглощения Г. в этих же областях. Изучение Г. рентг. методами показало, что тепловые колебания атомов в кристалле приводят к Диффузному рассеянию рептг. лучей, к размазыванию на рентгенограмме пятен, обусловленных взаимодействием рептг. лучей с атомами, и к появлению фона. По диффузному рассеянию можно исследовать спектр гиперзвуковых волн и определять модули упругости тв╦рдых тел.
Излучение и при╦м гиперзвука. Совр. методы излучения и при╦ма Г., так же как и УЗ, основываются гл. обр. на использовании явлений пьезоэлектричества и магнитострикции. Для возбуждения Г. можно использовать резонансные пьезоэлектрические преобразователи пластинчатого типа, к-рыо применяются в УЗ» диапазоне частот, однако для Г. толщина таких преобразователей должна быть очень мала ввиду малости длины волны Г. Поэтому их получают, напр., пут╦м вакуумного напыления пл╦нок из пьезоэлектрич. материалов (LiNb03, АШ, CdS, ZnS, ZnO и др.) на торец звукопровода; применяют и магяитострикц. пл╦нки резонансной толщины (напр., пл╦нки никеля или пер-маллон).
Используется также нерезонансный метод возбуждения Г. с поверхности диэлектрич. пьезоэлектрич. кристалла. Кристалл помещается торцом в электрич. поле СВЧ (в большинстве случаев ≈ в объ╦мный резонатор). Скачок диэлектрич. проницаемости, К-рый имеет место на границе кристалла, приводит к появлению на его поверхности зарядов, меняющихся с частотой поля и сопровождающихся переменной пьезоэлектрич. деформацией. Эта деформация распространяется по кристаллу в виде продольной или сдвиговой упругой волны. Аналогично возбуждается Г. с поверхности магнию-стрнкц. кристаллов, в этом случае торец кристалла помещается в магнитное поле СВЧ. Однако эти методы гене, рации и при╦ма Г. отличаются малой эффективностью преобразования эл.-магн. энергии в акустическую (по^ рядка неск. процентов). Для генерации Г. вс╦ шире применяются лазерные источники, а также устройства на сверхпроводниках.
Распространение гиперзвука в тв╦рдых телах. На дальность распространения Г. в тв╦рдых телах большое влияние оказывают его взаимодействия с тепловыми фононами, электронами, магнопами (спиновыми волнами) и др.
В кристаллах диэлектриков, не содержащих свободных носителей зарядов, затухание Г. определяется в осн. его нелинейным взаимодействием с тепловыми фо-нопами. На сравнительно низких частотах действует т. н. механизм «фононной вязкости» (м е х а н и з м А х и с з е р а). Он заключается в том, что упругая волна нарушает равновесное распределение тепловых фо-конов и перераспределение энергии между разл. фоно-нами приводит к необратимому процессу диссипации энергии. Этот механизм имеет релаксац. характер, а роль времени релаксации т играет время жизни фонола. Механизм «фононной вязкости» да╦т вклад в поглощение как продольных, так и поперечных волн. Он является доминирующим при комнатных темп-pax, при К-рых выполняется условие о>т<^;1 (где со ≈ круговая частота Г.),
В области to~1010≈1011 Гц и при низких темп-pax (при теми-ре Жидкого гелия), когда сот>1, происходит непосредств. взаимодействие когерентных фононов с тепловыми, к-рое необходимо рассматривать в рамках квантовых представлений. Неупругое взаимодействие когерентного фонона с тепловым приводит к появлению третьего фонона с измен╦нной частотой, т. е, к уменьше-
нию числа когерентных фоновой и соответственно к поглощению Г. (т, н, механизм Ландау ≈ Ру-м е р а).
При распространении Г. в кристаллах полупроводников (а также и металлов) имеет место взаимодействие Г. с электронами проводимости (электрон-фоношюе взаимодействие ≈ см. Акустоэлектронпое взаимодействие). Осн. механизмами здесь являются ал.-маги. связь, связь через деформационный потенциал^ дьозо-электрич. и магнитоупругая связи, относит, вклад к.рых определяется типом материала. В непьезоэлект-рич. полупроводниках связь упругих волн с носителями заряда осуществляется гл. обр. через деформац. потенциал. Особый интерес представляет распространение Г. в пьезоэлектрич. материалах (напр., кристаллах CdS), где упругие волны сопровождаются эл.-магн» волнами, и наоборот. В таких кристаллах затухание и дисперсия Г. происходят в результате его взаимодействия с пространственными зарядами, обусловленными внутр. электрич. полями. В этом случае действует также механизм электрон-фононного взаимодействия, к-рый обусловлен электрич. поляризацией, связанной с акустич, модами колебаний, и способен вызывать локальное накопление заряда и появление периодич. электрич. потенциала. Если к полупроводниковому кристаллу приложить пост, электрич. поле, вызывающее дрейф электронов со скоростью, большей скорости упругой волны, то электроны будут обгонять упругую волну, отдавая ей энергию и усиливая е╦. Если скорость когерентных фононов больше дрейфовой скорости электронов, то имеет место дополнит, электронное ног-лощение Г. Под действием Г. в полупроводниках воз. никает пост, эдс или пост, ток (т. н. акустоэлектри-ческий эффект]. Знак эффекта зависит при этом от соотношения скорости гиперзвуковых волн и скорости электронов.
Для металлов характерны те же эффекты, что и для полупроводников, но из-за большого затухания Г. эти эффекты становятся заметными лишь при темп, pax ниже 1UK, когда вклад в затухание за сч╦т колебаний реш╦тки становится незначительным. Распространение упругой волны в металле вызывает движение положит, ионов, и если электроны не успевают следовать за ними, то возникают электрич. поля, к-рые, воздействуя на электроны, создают электронный ток. В случае продольной волны изменения плотности создают пространственный заряд, к-рый непосредственно генерирует электрич. поля. Для поперечных волн изменения плотности отсутствуют, но смещения положит, ионов вызывают осциллирующие магн. поля, создающие электрич. поле, действующее на электроны, Т. о., электроны получают энергию от упругой волны и теряют е╦ в процессах столкновения, ответственных за электрич. сопротивление. Электроны релаксируют пут╦м столкновений с реш╦ткой положит, конов (примесями, теяловы-ми фонолами и т. д.), в результате чего часть энергии возвращается обратно к упругой волне, к. рая переносится реш╦ткой положит, ионов. Затухание Г. в чистых металлах при низких темп-pax пропорционально частоте. Если металл ≈ сверхпроводник, то при темп-ре перехода s сверхпроводящео состояние электронное поглощение резко уменьшается. Это объясни. ется тем, что с реш╦ткой, а следовательно, и с упругой волной взаимодействуют только нормальные электроны проводимости, число к-рых уменьшается с понижением теии-ры, а сверхпроводящие электроны (объедин╦нные в куперовские пары ≈ см. Сверхпроводимость), число к-рых при этом раст╦т, в поглощении Г. не участвуют. Разрушение сверхпроводимости внеш. магн. полем приводит к резкому возрастанию поглощения.
Пост. магн. поле существенно влияет на движение электронов, искривляя их траектории, что сказывается на характере акустоэлектронного взаимодействия в металлах. При этом на определ. частотах упругих волн возможен ряд резонансных явлений, напр, кван-
П
О.
ш
477
")
}
