Физический механизм молекулярного поглощения

Время релаксации.

Для понимания дальнейшего мы должны теперь кратко напомнить некоторые основные сведения из молекулярно-кинетической теории. Если имеется сосуд с газом, то давление газа на стенки, так же как и давление одного слоя газа на другой слой, вызывается ударами молекул газа о стенку или друг о друга. Это давление, таким образом, пропорционально энергии поступательного движения молекул, т.е. их кинетической энергии. Энергия эта тем больше, чем выше температура газа; чем выше температура, тем с большей скоростью движутся молекулы газа.

Если бы молекула газа представляла собой материальную точку, она имела бы, выражаясь языком механики, три степени свободы движения — в трех взаимно перпендикулярных друг к другу направлениях. Любое ее движение можно было бы разложить на составляющие по этим направлениям. Мы можем назвать эти три степени свободы внешними или поступательными степенями свободы молекулы; молекулы одноатомных газов — гелия, неона, аргона — можно при известных условиях считать материальными точками. По сложная молекула не представляет собой столь простой системы; грубо говоря, ее можно представить составленной из отдельных шариков, связанных между собой как бы упругими пружинками; например, в молекуле углекислого газа CO2, такими шариками являются углерод С и О2. Конечно, такое представление чрезвычайно упрощено, но для объяснения причины появления дисперсии и аномального поглощения оно достаточно. Каждая сложная молекула, кроме трех ее внешних (поступательных) степеней свободы, имеет еще внутренние степени свободы движений; атомы, входящие в состав молекулы, могут испытывать колебания друг относительно друга — колебательные степени свободы. Кроме того, такая молекула может также вращаться относительно своего центра инерции, т. е. она имеет еще вращательные степени свободы.

Представим себе теперь, что в многоатомном газе, каким, например, является углекислый газ, распространяются ультразвуковые волны. Для простоты дальнейших рассуждений примем форму волны не синусоидальной, а прямоугольной. При быстром (адиабатическом) сжатии газа в момент времени t0, вызываемом ультразвуковой волной, вначале увеличивается энергия Ek поступательного движения молекул и, соответственно сказанному выше, возрастет давление р.

Что произойдет после сжатия?

Часть энергии поступательного движения молекул после ряда соударений между ними перейдет от внешних степеней свободы на внутренние степени свободы молекул. Обозначим внутреннюю энергию молекул через Еi,; мы можем сказать, что после сжатия Еi будет увеличиваться, тогда как Еk будет уменьшаться. Полная энергия Е складывается из энергии поступательного движения молекул Ek и внутренней энергии Еi :

.

Она остается неизменной вплоть до нового изменения объема.

Так как давление р создается за счет Еk , то после сжатия оно также будет уменьшаться; конечно, давление будет больше, чем до момента, предшествовавшего сжатию, но оно будет меньше, чем сразу же после сжатия. Через некоторый промежуток времени установится новое состояние равновесия газа, испытавшего сжатие; температура его несколько повысится за счет сжатия, и установится новое распределение энергии между внешними и внутренними степенями свободы молекул. Во второй' полупериод волны, при разрежении, картина будет обратной; вначале энергия поступательного движения Еk резко уменьшится по сравнению с ее значением при равновесии, а затем в результате ряда соударений часть внутренней энергии Ei будет переходить в энергию внешних, поступательных степеней свободы движения, и Еk будет увеличиваться. Таково же будет и изменение давления; непосредственно после разрежения давление резко падает, а затем постепенно возрастает. Через некоторое время вновь установится положение равновесия, соответствующее состоянию разрежения.