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2017年12月15日 星期五

丁酉(鸡)年十月廿八

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  声波是机械波,它是一种最基本和最简单的物质运动形式,它与物质结构和物质的其他运动形式有着密切的关系,与电磁波相比,声波有其独特之处。通过媒质的声传播速度和声吸收系数的测定(包括随频率的变化)以及声波形变化的观察,可以从中提供物质结构的某些信息。例如,从声速和谐波分量的测量能够决定固体的二阶和三阶弹性模量,也能够从声吸收的测量了解某些物质分子或原子间的相互作用力以至和传导电子、晶体点阵振动(热声子)及其他准粒子的作用情况。
  声与物质关系的研究包含着广泛的内容。下面扼要介绍固体某些微观结构与声波传播的关系。声同其他物态(如流体、等离子体等)微观结构的相互关系问题见声速声吸收
  声和晶体点阵振动 固体中的声振动是有规则的点阵振动。点阵又始终作无规的热振动。这种热振动可以看成是许多高频简谐振动的叠加。所以声与点阵的互作用实际上也就是声与声的互作用。广义地说,声可以看作声子流,与光是光子流相类似。这样,声与声的相互作用有时就可作为声子与声子的碰撞过程来处理。声波与点阵的相互作用即能量的相互转换,必然导致声波能量的吸收,在绝缘体和本征半导体中,室温下这种相互作用引起的高频率超声波的衰减非常大。点阵振动振幅随温度降低而变小,所以当温度非常低时,声与点阵互作用产生的声吸收变小。
  高频超声吸收的测量是研究固体中声子性状的一个有力工具。这种互作用的研究对于低损耗高频声学材料的选择也很重要。
  声和晶体点缺陷 晶体中的点缺陷包括分布在晶体中的填隙原子、代位原子、空位以及由它们组合而成的点缺陷组。这些点缺陷作完全无规的分布时称无序状态。任何偏离无规分布的状态称为有序状态。如果点缺陷或点缺陷组对其周围原子产生不对称畸变,在未加外应力时,它们在各等效的结晶学位置的能量相等,也即分布是无规的;但如外加单向引力,这些位置的能量即出现差异,点缺陷就要发生重新分布,也即产生有序状态。这种由于应力引起的原子偏离无规状态的分布称为应力感生有序。点缺陷分布这种由无序状态到有序状态的变化是通过原子扩散来进行的,而原子扩散需要一定的时间。因而缺陷的这种有序度的变化是一种弛豫过程。声在具有点缺陷的晶体中传播时存在的弛豫吸收和速度变化可以看成是由声与点缺陷的相互作用而引起的。
  通过点缺陷所引起的声吸收,可以了解点缺陷的局部对称性以及由它们所产生的畸变的指向性,同时也可以决定固体填隙原子的浓度,它们的扩散激活能以及扩散系数。点缺陷导致固体局部弹性的差异,从而引起高频声波的散射,但该效应在低频时可以忽略不计。
  声和位错 晶体中的位错是一种线缺陷。位错与位错的相互作用会在位错线上形成许多所谓钉扎点。在那些钉扎点上,位错线不易运动。但在相邻两钉扎点之间的位错线段,在声应力的作用下,能产生类似于两端固定的弦那样的受迫振动。位错线这种受迫振动所引起的声吸收同声波振幅无关,但与声波频率以及位错线段的长度有关。当晶体上的外加应力(静应力或声应力)增加到一定程度时,缺陷所引起的钉扎点可被位错线抛脱(称为脱钉),从而使位错线段迅速变长。当外加应力去掉后,位错线段又作弹性收缩,最后重新被钉扎。这时在声波一周期内对应的应力和应变曲线是一个滞后回线。由这种形式的位错运动而产生的声吸收与声波振幅有关,却不依赖于声波频率。
  在计及固体中声的高次谐波的产生时,必须考虑应力和应变之间的非线性关系,包含位错的固体中,总应变是位错应变和点阵本身应变的叠加。两种应变和应力的非线性都会导致声的高次谐波的产生。对于纵波,两种非线性应变所产生二次谐波振幅为同数量级。
  金属中声和导电电子 金属中原子的外层电子可在点阵的周期势场中运动(见金属电子论)。声波引起点阵振动时,点阵电势也随之发生周期性的变化,从而与电子发生相互作用。
  在金属点阵中,杂质原子、点阵本身的振动等各种因素也可引起势场的不均匀,对电子运动造成散射。这种散射决定了金属中电子运动的平均自由程。如果声波波长比电子平均自由程大得多,则声和电子相互作用就很微弱;若声波波长比电子自由程小得多,则声和电子的相互作用就比较显著。例如在低温条件下,非常纯的金属中电子平均自由程可大于声波波长,这时声吸收较大,而且与声波频率成正比。温度进一步降低,声吸收继续增加。如果在传声金属固体中外加磁场,则电子运动轨迹受磁场影响而弯曲,受碰撞的机会增加,电子的平均自由程减小。因此外加合适的磁场能使超声吸收明显变化。
  声和半导体载流子 声波可通过半导体点阵振动而造成载流子势场的畸变,与载流子发生相互作用。这种畸变势耦合所造成的声与载流子之间的相互作用在通常的超声频率下十分微弱。在压电半导体中,声也可以通过压电效应(见压电性)产生电场,与载流子相互作用,它比畸变势耦合强得多。
  如果在半导体中加上直流电压使载流子沿声传播方向漂移,那么声和载流子之间互作用就要改变。载流子漂移速度小于声传播速度时,这种互作用使声波吸收,但是如果载流子的漂移速度超过声的传播速度,声波能得到放大。
  依此原理制作的典型声波放大器如图所示。一块两端蒸镀金属电极的压电半导体硫化镉放在两个熔石英延迟棒之间,两个相同的切变波换能器(一个作为发射器,另一个作为接收器)分别粘贴在两个石英延迟棒外端,受激励的声切变波脉冲通过硫化镉样品时,在样品的两电极间加上同相位的直流电脉冲,倘若所加的直流电脉冲幅度足够高,则能观察到超声波的放大现象。

声与固体微观结构的关系

  声和自旋 声与自旋相互作用的机理有好几种,其一是,磁偶极子(见磁矩)和磁偶极子之间的互作用与它们之间的距离三次方成反比,声的应变使这距离发生改变。另一种机理是由于核的电四极矩(见原子核)相互作用。声振动造成点阵电场梯度改变,影响核的电四极矩。还有一种机理是声造成晶体点阵中电场的畸变,从而与电子的轨道运动相互作用,再通过自旋-轨道耦合(见LS 耦合)与自旋发生相互作用。声与自旋的相互作用使声发生共振吸收而造成传播衰减;反过来,用电磁波使顺磁离子处于高低能态数目倒转,在顺磁材料中传播的超声波能得到受激放大或受激振荡。
  关于声波在超导体及超流体中的传播见量子声学
  参考书目
 R.T.Beyer and S.V.Letcher,Physical Ultrasonics,Academic Press, New York, 1969.
 R. Truell,et al.,Ultrasonic Methods in Solid State Physics, Academic Press, New York, 1969.

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更新时间 : 2009-02-24

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