Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в растворе гваякол-глицерин с двойной критической точкой

Краткие сообщения по физике ФИАН

номер 3, 1998 г.

УДК 535.34

ВЫНУЖДЕННОЕ РАССЕЯНИЕ МАНДЕЛЫПТАМА-БРИЛЛЮЭНА В РАСТВОРЕ ГВАЯКОЛ-ГЛИЦЕРИН С ДВОЙНОЙ КРИТИЧЕСКОЙ

ТОЧКОЙ

А. И. Ерохин, С. В. Кривохижа, В. С. Старунов, И. Л. Фабелинский, Л. Л. Чайков

В растворе гваякол-глицерин с двойной критической точкой по спектрам вынужденного рассеяния Маиделъштама-Бриллюэна (ВРМБ) изучена температурная зависимость скорости распространения гиперзвука V в окрестности нижней (Т1') и верхней (I1 ) критических точек. Температурный коэффициент скорости ^ в окрестности Т1' оказался больше (примерно в два раза), чем в окрестности Т1 . Установлено, что значения V, определенные по спектрам ВРМБ, больше определенных из спектров теплового рассеяния в тех же условиях. Приводится возможное объяснение наблюдавшегося различия скоростей.

В настоящей работе изучались спектры ВРМБ в жидком растворе гваякол-глицерин (с малым содержанием воды). Этот раствор на фазовой диаграмме С (концентрация), Т (температура) имеет замкнутую область, внутри которой компоненты раствора расслоены, а в остальной области раствор гомогенен. Он довольно детально исследовался в работах [1, 2] (см. также [3]), где по спектрам теплового рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ТРМБ) были определены температурные зависимости скорости и коэффициента поглощения в окрестности нижней (Т1) и верхней (Т1 ) температур расслаивания. Результатом этого исследования было обнаружение максимума коэффициента поглощения гиперзвука ниже Ть (30 — 50° С) и уменьшения температурного коэффициента скорости ^ в два раза при переходе от Т1 к Ти (область перехода 58 — 67°С). Природа такого скачка ~ не ясна, и возможно объясняется перестройкой структуры

раствора при переходе от Ть к Ти , в том числе с образованием кластеров или устойчивых групп малого числа молекул.

В таком же растворе нами изучалась температурная зависимость скорости гиперзвука ниже Ть и выше Ти по спектрам ВРМБ с целью определения влияния экспериментальных условий опыта (высокие значения напряженности поля, давления и энерговыделения). ВРМБ возбуждалось сфокусированным (/ = 100 см) излучением второй гармоники (А = 503 нм) одномодового неодимового лазера в растворе, заключенном в стеклянную термостатированную кювету (/ = 10 см). Максимальная энергия излучения ~ 20 мДж, длительность импульса (по полувысоте) ~ 20 и с. Излучение ВРМБ, рассеянное назад и отраженное от разделительной пластинки, вместе с излучением лазера направлялось в интерферометр Фабри-Перо (область дисперсии от 0,17 до 0,25 см) через расфокусирующую линзу или через матовую пластинку. Большая толщина интерферометра с двух- или трехкратным перекрытием порядков интерференции увеличивала точность измерений, и спектры падающего и отраженного излучения одновременно фотографировались. По смещению компонент ВРМБ относительно линии накачки традиционным способом определялась скорость гиперзвука V.

На рис.1 представлена полученная по спектрам ВРМБ температурная зависимое.ть скорости гиперзвука и для сравнения - данные работы [1], полученные из спектров теплового рассеяния. Видно, что в обоих случаях ^ испытывает приблизительно одинаковый скачок при переходе от Ть к Ти и, следовательно, ни напряженность электрического поля световой волны Е = ~ 7 • 105 В/см , ни электрострикционное давление Р ~ 0,5 атм, ни выделяемое вследствие поглощения света тепло ~ 2 кал/см" (см. ниже), возникающее при ВРМБ (I ~ 109 Вт/см2 - интенсивность накачки), не влияют на эффект изменения ^ и на его величину при переходе от нижней Т1 к верхней критической точке Ти.

Спектральное смещение линий ВРМБ относительно возбуждающей линии оказалось больше значений, полученных из спектров теплового (спонтанного) рассеяния (см. рис. 1). Это можно объяснить спецификой ВРМБ, возникающей вследствие сильного взаимодействия упругих и температурных возбуждений при нелинейном взаимодействии. Для коэффициента усиления ВРМБ теория [4 - 6] дает дврмв = 9врмб+9тврмб, где д%РМБ относится к усилению чисто стрикционного характера, а дтврмв возникает вследствие взаимодействия упругих и температурных волн и пропорционален коэффициенту поглощения света 2кш , так что в некотором [4, 5], приближении

Краткие сообщения по физике ФИ АН

номер 3, 1998 г.

V, м/с

т,°с

Рис. 1. Зависимость скорости гиперзвука V от температуры по данным из спектров ВРМБ (+) и из спектров теплового рассеяния (С)) [1, 2].

к 1~1

9врмб1ятврмб « (7-1) . /1 >

тгД*/ (Т0-й)р

где 1 = Ср, Су ~ теплоемкости при постоянном давлении и объеме, 8и ~ смещение СТРМБ, Т0 и - температура и температурный коэффициент диэлектрической

проницаемости. Коэффициент д%рмБ имеет максимум на частоте vi м Б (совпадающей с частотой теплового рассеяния), коэффициент дтвРМБ Для жидкости имеет максимум, смещенный относительно пмб в стоксову сторону на ¿Пм£? так что птврмб — viмб + 60.мб, гДе 6viмв ~ 0,5 полуширины компонент теплового рассеяния. Обычно компоненты ВРМБ и ТВРМБ спектрально не разрешаются, и суммарный контур имеет максимум между = Пмб и ГЬ = (^мв + , ближе к Пх при малых кш и ближе к при

больших кш.

Если считать, что для заметного вклада ТВРМБ необходимо иметь дврмв/втврМБ ~ 2, то получим значение 2кш ~ 0,5 см'1 (откуда и следует выше приведенная оценка

выделяемой энергии Q на длине 2 см.

В нашем эксперименте линия ВРМБ + ТВРМБ смещена относительно линии спонтанного расстояния на ~ (а не на SQme, как было бы для чистого ТВРМБ, что также согласуется с положением максимума суммарного контура дврмБ = Унрмб + Ятврмб-, при 2кш ~ 0,5 см~1. Это смещение больше в области максимума поглощения вблизи нижней критической точки 30 — 50° С, ~ 0,8 Г Гц) и меньше в два раза при высоких температурах в области верхней критической точки, где поглощение мало. Эти особенности свидетельствуют о том, что наблюдаемая линия обусловлена двумя типами рассеяния, ВРМВ и ТВРМВ.

Изучаемый раствор прозрачен в видимой области спектра, и оценка коэффициента поглощения света 2кш ~ 0,5 сж-1, полученная из формулы (1), означает, что при используемых здесь интенсивностях I существенную роль играет двухфотонное или даже многофотонное поглощение света. При этом 2кш должно расти при увеличении I. В выражении для суммарной интенсивности рассеянного света должен стоять множитель ехр(-2кш1) (/ - длина взаимодействия), что должно приводить к заметному уменьшению интенсивности ВРМБ, а также ТВРМБ (вследствие быстрого истощения накачки), при увеличении 2кш. Действительно, в эксперименте линия вынужденного рассеяния наблюдалась при определенных оптимальных значениях энергий накачки (~ 10 — 15 мДж) и не наблюдалась при меньших и больших значениях.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект N 95-02-05505а).

ЛИТЕРАТУРА

[1] Коваленко К. В., К р и в о х и ж а С. В., Ф а б е л и н с к и й И. Д., Чайков Л. Л. Письма в ЖЭТФ, 58, 395 (1993).

[2] К р и в о х и ж а С. В., Ф а б е л и иски й И. Д., Ч а й к о в Л. Д., Ш у б и н А. А. Письма в ЖЭТФ, 64, 166 (1996).

[3] Ф а б е л и н с к и й И. Л. УФН, 164, 897 (1994).

[4] Н е г m а п R. М., Gray М. A. Phys. Rev. Lett., 19, 824 (1967).

[5] С тар у но в В. С., Ф а б е л и н с к и й И. Л. УФН, 98, 441 (1969).

[6] С т а р у н о в В. С. ЖЭТФ, 67, 9 (1969).

Поступила в редакцию 31 декабря 1997 г.