„Radiația termică” - duce la egalizarea temperaturii corpului. Exemple de conducție: Exemple de convecție. Exemple de radiații. Convecție. Conductibilitatea termică în natură și tehnologie. Coeficientul de proporționalitate se numește coeficient de conductivitate termică. Radiația termică.
„Fizica stării solide” - Ioni încărcați pozitiv (miez). Energia EF se numește energie Fermi. Nivelurile unui atom izolat. Distanța dintre atomi. Diagrama structurii benzii a unui semiconductor. Împărțirea nivelurilor când atomii se apropie unul de altul (principiul Pauli). Densitatea sarcinii într-un punct arbitrar de pe suprafață: T.5, M: Mir, 1977, p. 123.
„Apa ca solvent” - Rolul apei în industrie, agricultură și viața de zi cu zi este foarte mare și divers. Apa este cea mai abundentă substanță de pe planeta noastră. Aplicarea apei si solutiilor. Apa joacă un rol major în viața plantelor și animalelor. Apa este un solvent universal. Profesor de fizică N.A. Korishonkova Apa este un solvent.
„Proprietățile solidelor” - Cristale lichide. Dispunerea atomilor în rețelele cristaline nu este întotdeauna corectă. Diamant. Proprietățile substanțelor cristaline sunt determinate de structura rețelei cristaline. Cristal de turmalina. Rezistenta mecanica Conductivitate termica Conductivitate electrica Proprietati optice. Amorf. Defecte ale rețelelor cristaline.
„Temperatura și echilibrul termic” - Scopul lecției: Proprietățile temperaturii: scara Celsius. Fragment dintr-o lecție de fizică în clasa a X-a. O măsură a energiei cinetice medii a moleculelor. Temperatură. Subiect: „Temperatura”. scara Kelvin.
„Teoria molecular-cinetică” - Mișcarea browniană– mișcarea aleatorie a particulelor. Dovada primei poziții a TIC. Un element chimic este o colecție de atomi de același tip. O moleculă este un sistem de un număr mic de atomi conectați între ei. Concepte de bază ale MKT. Particulele de materie interacționează între ele. Dovezi pentru poziţia a doua a TIC.
Defectele cristalelor sunt împărțite în:
Zero-dimensionale
Unidimensional
Bidimensional
Defecte punctuale (zero-dimensionale) - încălcarea periodicității la punctele rețelei izolate unele de altele; în toate cele trei dimensiuni nu depășesc una sau mai multe distanțe interatomice (parametri rețelei). Defectele punctuale sunt locuri libere, atomi în interstiții, atomi în locurile unei subrețele „străine”, atomi de impurități în locuri sau interstiții.
Locuri vacante– absența unui atom sau ion într-un situs al rețelei cristaline; Implementat sau interstițial atomii sau ionii pot fi atât atomi intrinseci, cât și de impurități sau ioni care diferă de atomii principali ca mărime sau valență. Impurități de substituțieînlocuiți particulele substanței principale la nodurile rețelei.
Liniar defecte (unidimensionale) – Principalele defecte liniare sunt luxațiile. Conceptul a priori al dislocațiilor a fost folosit pentru prima dată în 1934 de Orowan și Theiler în studiul lor asupra deformării plastice a materialelor cristaline, pentru a explica diferența mare dintre rezistența practică și teoretică a unui metal. Dislocare– acestea sunt defecte ale structurii cristaline, care sunt linii de-a lungul și lângă care este perturbată aranjarea corectă a planurilor atomice caracteristice cristalului.
Defecte de suprafață ale rețelei cristaline. Defectele rețelei de suprafață includ erorile de stivuire și limitele de cereale.
Concluzie: Toate tipurile de defecte, indiferent de cauza apariției lor, duc la o încălcare a stării de echilibru a rețelei și măresc energia internă a acesteia.
- Dimensiune: 2,2 Megaocteți
- Număr de diapozitive: 37
Descrierea prezentării Prezentare Defecte în cristale pe lame
Modificări de energie care apar în timpul formării defectelor într-un cristal perfect. Câștigul de entropie asociat cu prezența unei alegeri de poziții se numește entropie de configurație și este determinat de formula Boltzmann S = k ln. W, unde W este probabilitatea formării unui singur loc vacant, proporțional cu numărul de atomi regulați care formează rețeaua (10 23 per 1 mol de substanță).
Diverse tipuri de defecte la cristale: a) vacant; b) atom interstițial; c) un mic defect de înlocuire; d) defect mare de înlocuire; e) defect Frenkel; e) Defect Schottky (o pereche de locuri libere în subrețelele cationice și anionice)
Energia de deplasare a unui atom din poziția sa în rețea. Bariera energetică. Pentru a muta un atom din poziția sa, este necesară energia de activare. ΔE – energia de formare a defectelor; E * - energia de activare. 1 / 1 1 E k. T sn C N e , 2/ 2 2 E k. T mn C N e Echilibrul se va stabili dacă n 1 = n 2: în condiții de echilibru, în rețeaua metalică sunt vacante și atomi interstițiali! //Ek. T m s. N N Ce
Luxații. Proprietățile mecanice și reactivitatea solidelor. 1) - metalele se dovedesc de obicei mult mai ductile decât se poate aștepta pe baza calculelor. Valoarea calculată a efortului de forfecare în metale este de 10 5 - 10 6 N/cm 2 , în timp ce valorile găsite experimental pentru multe metale nu depășesc 10 - 100 N/cm 2. Acest lucru indică faptul că există unele „vergături slabe” în structura metalelor, datorită cărora metalele sunt deformate atât de ușor; 2) - pe suprafețele multor cristale bine tăiate, la microscop sau chiar cu ochiul liber, sunt vizibile spirale de-a lungul cărora a crescut cristalul. Astfel de spirale nu se pot forma în cristale perfecte; 3) - fără idei despre existența dislocațiilor, ar fi dificil de explicat astfel de proprietăți ale metalelor precum plasticitatea și fluiditatea. Plăcile de magneziu metalic, de exemplu, pot fi întinse, aproape ca cauciucul, până la de câteva ori lungimea lor inițială; 4) - întărirea în metale nu ar putea fi explicată fără a invoca idei despre luxații.
Aranjarea atomilor în jurul unei dislocații de margine O dislocare de margine este un semiplan atomic „extra” care nu trece prin întregul cristal, ci doar printr-o parte a acestuia. Proiectia dislocarii marginii.
Mișcarea unei dislocații de margine sub acțiunea tensiunii de forfecare. Dacă conectați punctele A și B, atunci aceasta va fi o proiecție a planului de alunecare de-a lungul căruia se deplasează dislocațiile. Luxațiile sunt caracterizate de vectorul Burgers b. Pentru a găsi mărimea și direcția lui b, este necesar să descriem un contur în jurul dislocației, trasând-o mental de la atom la atom (Fig. e). Într-o regiune fără defecte a cristalului, un astfel de contur ABCD, construit din translații la o distanță interatomică în fiecare direcție, este închis: începutul și sfârșitul acestuia coincid în punctul A. Dimpotrivă, conturul 12345 care înconjoară dislocația nu este închis. , întrucât punctele 1 și 5 nu coincid. Mărimea vectorului Burgers este egală cu distanța 1 - 5, iar direcția este identică cu direcția 1 - 5 (sau 5 - 1). Vectorul Burgers al unei dislocare a muchiei este perpendicular pe linia de dislocare și paralel cu direcția de mișcare a liniei de dislocare (sau direcția de forfecare) sub acțiunea unei solicitări aplicate.
Dislocarea șurubului Cu efortul de forfecare continuă, indicat de săgeți, linia SS ' și semnele de alunecare ajung pe partea din spate a cristalului. Pentru a găsi vectorul Burgers al unei dislocare a șurubului, să ne imaginăm din nou conturul 12345 (Fig. a) „încercând” în jurul lui. Vectorul b este determinat de mărimea și direcția segmentului 1 - 5. Pentru o dislocare cu șurub, acesta este paralel cu linia de dislocare SS ' (în cazul unei dislocare a muchiei, perpendicular) și perpendicular pe direcția de mișcare a dislocare, care coincide, ca în cazul unei luxații de margine, cu direcția de forfecare sau alunecare.
O linie de dislocare care schimbă natura dislocației de la șurub la muchie. Originea și mișcarea buclei de dislocare Natura luxațiilor este de așa natură încât nu se pot termina în interiorul cristalului: dacă într-un loc de pe suprafața cristalului o dislocare intră în cristal, aceasta înseamnă că undeva pe altă parte a suprafeței părăsește cristalul.
Schema apariției unei bucle de dislocare (inel) Schema apariției locurilor vacante (b) prin anihilarea a două luxații de semn opus (a). În realitate, aplicarea directă a unei forțe externe de deformare nu este necesară pentru formarea luxațiilor. Această forță poate fi tensiuni termice care apar în timpul cristalizării sau, de exemplu, solicitări similare în zona incluziunilor străine într-un lingou de metal care se solidifică în timpul răcirii topiturii etc. În cristalele reale, excesul de extraplanuri poate apărea simultan în diferite părți. a cristalului. Extraplanul și, prin urmare, dislocațiile, sunt mobile în cristal. Aceasta este prima lor caracteristică importantă. A doua trăsătură a luxațiilor este interacțiunea lor cu formarea de noi luxații, bucle de dislocare similare cu cele prezentate în figurile de mai jos și chiar formarea de locuri vacante din cauza anihilării a două luxații de semn opus.
Rezistența mecanică a metalelor. modelul lui Frenkel. Forța distructivă se numește de obicei stres și se notează cu σ. Conform acestui model, rezistența σ crește mai întâi pe măsură ce deplasarea de-a lungul axei x crește și apoi scade la zero de îndată ce planurile atomice se deplasează cu o distanță interatomică a. Când x>a valoarea lui σ crește din nou și din nou scade la zero la x = 2a, etc., adică σ(x) este o funcție periodică care poate fi reprezentată ca σ = A sin (2 π x/a ) , pentru regiunea lui x mic A = G /(2π), unde G este modulul lui Young. O teorie mai riguroasă a dat ulterior o expresie rafinată σ m ax = G /30. Diagrama deplasării planurilor atomice (a) și dependența tensiunii de distanța în cristal (b).
Experimental și valori teoretice rezistența la forfecare a unor metale. Model cu role de deplasare a planurilor atomice ale unui cristal | F 1 + F 2 |=| F 4 + F 5 | întregul sistem de role este în echilibru. Trebuie doar să schimbați ușor echilibrul de forțe cu o influență externă slabă, iar rândul superior de role se va mișca. Prin urmare, mișcarea unei dislocații, adică o colecție de atomi defecte, are loc la sarcini mici. Teoria dă σ m ax, care deplasează o dislocare, sub forma σ m ax = exp ( - 2 π a / [ d (1- ν) ]), unde ν este raportul lui Poisson (elasticitatea transversală), d este distanța între planurile de alunecare și - perioada rețelei cristaline. Presupunând a = d, ν = 0,3, obținem valorile lui σ m ax în ultima coloană a tabelului, din care se poate observa că sunt mult mai apropiate de cele experimentale.
Schema mișcării omizii Scheme ale mișcării de tip luxație: a - luxație de tracțiune, b - luxație de compresiune, c - mișcare de covor. „Mai întâi, să încercăm să târăm omida de-a lungul pământului. Se dovedește că acest lucru nu este ușor de făcut; Ele se datorează faptului că încercăm să ridicăm simultan toate perechile de picioare de omizi de pe sol. Omida însăși se mișcă într-un mod diferit: rupe doar o pereche de picioare de la suprafață, le poartă prin aer, le coboară la pământ, apoi repetă același lucru cu următoarea pereche de picioare etc., etc. După făcând acest lucru toate perechile de picioare vor fi transportate prin aer, întreaga omida în ansamblu va deplasa distanța cu care fiecare pereche de picioare s-a deplasat alternativ. Omida nu trage nicio pereche de picioare de-a lungul solului. De aceea se târăște ușor.”
Modalități de a controla defectele de dislocare. Fixare prin impurități. Un atom de impuritate interacționează cu o dislocare și mișcarea unei astfel de dislocații, încărcată cu atomi de impuritate, se dovedește a fi dificilă. Prin urmare, eficiența fixarii dislocației de către atomii de impurități va fi determinată de energia de interacțiune E, care la rândul ei constă din două componente: E 1 și E 2. Prima componentă (E 1) este energia interacțiunii elastice, iar a doua. (E 2) este energia interacțiunii electrice. Fixare prin particule străine. Particulele străine sunt incluziuni microscopice ale unei substanțe diferite de metalul de bază. Aceste particule sunt introduse în topitura metalică și rămân în metal după ce acesta se solidifică atunci când topitura se răcește. În unele cazuri, aceste particule intră într-o interacțiune chimică cu metalul de bază, iar apoi aceste particule reprezintă deja un aliaj. Mecanismul de fixare a dislocației de către astfel de particule se bazează pe diferite viteze de mișcare a dislocațiilor în matricea metalică și în materialul particulelor străine. Fixare cu incluziuni ale fazei a doua. A doua fază este înțeleasă ca eliberarea (precipitaților) unei concentrații în exces a unei impurități dintr-o soluție metal-impuritate față de cea de echilibru. Procesul de separare se numește descompunere în soluție solidă. Impletirea luxatiilor. Când densitatea dislocațiilor într-un metal este mare, acestea devin împletite. Acest lucru se datorează faptului că unele dislocații încep să se deplaseze de-a lungul planurilor de alunecare care se intersectează, împiedicând mișcarea altora.
Vedere calitativă a curbei de solubilitate. Dacă cristalul conținea o concentrație de C m la o temperatură T m și s-a răcit rapid, atunci va avea o concentrație de C m la temperaturi scăzute, de exemplu, la T 1, deși concentrația de echilibru ar trebui să fie C 1. Excesul concentrația ΔC = C m – C 1 ar trebui să fie la suficient de lungă încălzirea va scădea din soluție, deoarece numai atunci soluția va prelua o stare de echilibru stabilă corespunzătoare energiei minime a sistemului A 1- x B x.
Metode de detectare a luxațiilor a) Micrografie (obținută într-un microscop electronic cu transmisie, TEM) a unui cristal Sr. Ti. O 3 care conține două luxații de margine (100) (marcate în figură). b) Reprezentarea schematică a unei dislocare a muchiei. c) Micrografie a suprafeței unui cristal Ga. As (obținut într-un microscop cu scanare tunel). În punctul C există o dislocare a șurubului. d) Schema dislocarii unui surub.
Vizualizarea dislocațiilor cu ajutorul unui microscop electronic cu transmisie. a) Liniile întunecate pe un fundal luminos sunt linii de dislocare din aluminiu după o întindere de 1%. b) Motivul contrastului regiunii de dislocare - și curbura planurilor cristalografice duce la difracția electronilor, care slăbește fasciculul de electroni transmis
a) Gravare gropi pe suprafața (111) de cupru curbat; b) pe suprafaţa (100) c) (110) Al recristalizat -0,5% Mn. Luxațiile pot fi, de asemenea, făcute vizibile într-un microscop optic convențional. Deoarece zonele din jurul punctului în care dislocațiile ajung la suprafață sunt mai susceptibile la gravare chimică, pe suprafață se formează așa-numitele gropi de gravare, care sunt clar vizibile la microscop optic. Forma lor depinde de indicii Miller ai suprafeței.
Pentru a obține un material metalic cu rezistență crescută, este necesar să se creeze număr mare centrele de fixare a luxației, iar astfel de centre ar trebui să fie distribuite uniform. Aceste cerințe au condus la crearea superaliajelor. Metal nou materiale functionale. „Proiectarea” structurii aliajelor Un superaliaj este cel puțin un sistem în două faze în care ambele faze diferă în primul rând în gradul de ordine în structura atomică. Superaliajul există în sistemul Ni - Al. În acest sistem, se poate forma un amestec obișnuit, adică un aliaj cu o distribuție haotică a atomilor de Ni și Al. Acest aliaj are o structură cubică, dar nodurile cubului sunt înlocuite aleatoriu cu atomi de Ni sau Al. Acest aliaj dezordonat se numește faza γ.
Odată cu faza γ din sistemul Ni - А l se poate forma și un compus intermetalic Ni 3 А l, tot cu structură cubică, dar ordonată. Cuboizii Ni 3 А l se numesc γ ‘-faza. În faza γ ', atomii de Ni și A l ocupă locurile rețelei cubice conform unei legi stricte: pentru un atom de aluminiu există trei atomi de nichel. Schema mișcării de dislocare într-un cristal ordonat
Diagrama C a dislocației prin includerea unei alte faze. DD – luxație în mișcare. Pentru a crea un superaliaj, nichelul este topit și amestecat cu aluminiu. Când amestecul topit este răcit, faza γ dezordonată se solidifică mai întâi (temperatura sa de cristalizare este ridicată), iar apoi în interiorul acesteia, pe măsură ce temperatura scade, se formează cuboizi de dimensiuni mici ale fazei γ’. Variind viteza de răcire, este posibil să se regleze cinetica formării și, prin urmare, dimensiunea incluziunilor γ ‘-fazei Ni 3 А l.
Următorul pas în dezvoltarea materialelor metalice de înaltă rezistență a fost producerea de Ni3Al pur fără faza γ. Un tip de structură metalică mozaică cu granulație fină. Acest material este foarte fragil: ciobirea are loc de-a lungul granițelor structurii mozaic. Aici sunt relevate alte tipuri de defecte, în special de suprafață. Într-adevăr, există o rupere pe suprafața cristalului legături chimice, adică o încălcare este o întrerupere a câmpului de cristal și acesta este motivul principal pentru formarea unui defect. Legăturile chimice suspendate sunt nesaturate, iar în contact sunt deja deformate și, prin urmare, slăbite. Schema de rupere a legăturilor chimice de pe suprafața cristalului.
Pentru eliminarea acestor defecte este necesar: - fie să se producă un material monocristalin care să nu conțină boabe-cristalite individuale; - sau găsiți un „tampon” sub formă de impurități care nu ar pătrunde în cantități vizibile în volumul de Ni 3 Al, dar ar fi bine adsorbit la suprafață și ar umple locurile libere. Impuritățile izovalente, adică impuritățile ai căror atomi sunt în același grup, au cea mai mare afinitate pentru locurile vacante Tabel periodic, care este același cu un atom îndepărtat din rețeaua cristalină și formând un loc liber. Superaliajele Ni 3 Al și Ni 3 Al sunt utilizate pe scară largă astăzi ca materiale rezistente la căldură la temperaturi de până la 1000°C. Superaliaje similare pe bază de cobalt au o rezistență puțin mai mică, dar o păstrează până la o temperatură de 1100°C. Alte perspective sunt asociate cu producerea de compuși intermetalici ai Ti. Al și T i 3 A l în forma lor pură. Piesele realizate din acestea sunt cu 40% mai ușoare decât aceleași piese din superaliaj de nichel.
Aliaje cu deformabilitate usoara sub sarcina. Metoda de creare a unor astfel de materiale metalice este de a produce o structură cu granule de cristalit foarte mici. Boabele cu dimensiuni mai mici de 5 microni alunecă unele peste altele sub sarcină fără distrugere. O probă constând din astfel de boabe poate rezista la o tensiune relativă Δ l / l 0 = 10 fără distrugere, adică lungimea probei crește cu 1000% din lungimea inițială. Acesta este efectul superplasticității. Se explică prin deformarea legăturilor în contactele cu cereale, adică un număr mare de defecte de suprafață. Metalul superplastic poate fi prelucrat aproape ca plastilina, dându-i forma dorită, iar apoi o parte dintr-un astfel de material este tratată termic pentru a mări boabele și răcită rapid, după care efectul superplasticității dispare, iar piesa este folosită pentru ea. scopul propus. Principala dificultate în producerea metalelor superplastice este realizarea unei structuri cu granulație fină.
Este convenabil să se obțină pulbere de nichel prin metoda de leșiere, în care aliajul Al - Ni este zdrobit folosind alcalii Na. OH leviga aluminiul pentru a produce o pulbere cu un diametru de particule de aproximativ 50 nm, dar aceste particule sunt atât de active din punct de vedere chimic încât sunt folosite ca catalizator. Activitatea pulberii se explică printr-un număr mare de defecte de suprafață - legături chimice rupte care pot atașa electronii din atomii și moleculele adsorbite. Schema de cristalizare rapidă a unei topituri de metal pulverizată în centrifugă: 1 - gaz de răcire; 2 - se topește; 3 - curent de topire; 4 - particule mici; 5 - disc rotativ Schema de presare dinamică a pulberilor metalice: 1 - proiectil, 2 - pulbere, 3 - matriță, 4 - țeava pistolului
Metoda de glazurare cu laser. Termenul este împrumutat de la producția de porțelan (ceramic). Folosind radiația laser, un strat subțire de pe suprafața metalului este topit și se aplică o răcire rapidă la viteze de ordinul a 10 7 K/s. Cazul limitativ al călirii ultrarapide este producerea de metale amorfe și aliaje - sticle metalice.
Metale și aliaje supraconductoare Material Al V In Nb Sn Pb Nb 3 Sn Nb 3 Ge Т с, К 1, 19 5, 4 3, 4 9, 46 3, 72 7, 18 18 21. . . 23În 1911, în Olanda, Kamerlingh Onnes a descoperit o scădere a rezistivității mercurului la punctul de fierbere al heliului lichid (4,2 K) până la zero! Trecerea la starea supraconductoare (ρ = 0) a avut loc brusc la o anumită temperatură critică Tc. Până în 1957, fenomenul supraconductivității nu avea nicio explicație fizică, deși lumea era ocupată să caute din ce în ce mai mulți supraconductori noi. Astfel, până în 1987, erau cunoscute aproximativ 500 de metale și aliaje cu valori diferite ale Tc. Compușii de niobiu au avut cel mai mare Tc.
Curent continuu. Dacă un curent electric este excitat într-un inel metalic, atunci la temperatura normală, de exemplu, a camerei, se stinge rapid, deoarece fluxul de curent este însoțit de pierderi de căldură. La T ≈ 0 într-un supraconductor, curentul devine neamortizat. Într-un experiment, curentul a circulat timp de 2,5 ani până când a fost oprit. Deoarece curentul circulă fără rezistență, iar cantitatea de căldură generată de curent este Q = 0,24 I 2 Rt, atunci în cazul lui R = 0 pur și simplu nu există pierderi de căldură. Nu există radiație în inelul supraconductor datorită cuantizării. Dar într-un atom impulsul și energia unui electron sunt cuantificate (se iau valori discrete), iar într-un inel curentul, adică întregul set de electroni, este cuantificat. Astfel, avem un exemplu de fenomen de cooperare - mișcarea tuturor electronilor dintr-un solid este strict coordonată!
Efectul Meissner Descoperit în 1933. Esența lui constă în faptul că un câmp magnetic extern la T< Т с не проникает в толщу сверхпроводника. Экспериментально это наблюдается при Т=Т с в виде выталкивания сверхпроводника из магнитного поля, как и полагается диамагнетику. Этот эффект объясняется тем, что в поверхностном слое толщиной 0, 1 мкм внешнее магнитное поле индуцирует постоянный ток, но тепловых и излучательных потерь нет и в результате вокруг этого тока возникает постоянное незатухающее магнитное поле. Оно противоположно по направлению внешнему полю (принцип Ле-Шателье) и экранирует толщу сверхпроводника от внешнего магнитного поля. При увеличении Н до некоторого значения Н с сверхпроводимость разрушается. Значения Н с лежат в интервале 10 -2 . . . 10 -1 Т для различных сверхпроводников. http: //www. youtube. com/watch? v=bo 5XTURGMTM
Dacă nu ar exista efectul Meissner, un conductor fără rezistență s-ar comporta diferit. Când trece la o stare fără rezistență într-un câmp magnetic, ar menține un câmp magnetic și l-ar reține chiar și atunci când câmpul magnetic extern este îndepărtat. Un astfel de magnet ar putea fi demagnetizat doar prin creșterea temperaturii. Acest comportament, însă, nu a fost observat experimental.
Pe lângă supraconductorii considerați, care au fost numiți supraconductori de primul fel, s-au descoperit supraconductori de al doilea fel (A, V. Shubnikov, 1937; A. Abrikosov, 1957). În ele, un câmp magnetic extern, la atingerea unui anumit H c1, pătrunde în probă, iar electronii, ale căror viteze sunt direcționate perpendicular pe H, încep să se miște într-un cerc sub influența forței Lorentz. Apar filamente de vortex. „Tunchiul” firului se dovedește a fi un metal nesuperconductor, iar electronii supraconductori se mișcă în jurul lui. Ca urmare, se formează un supraconductor mixt, format din două faze - supraconductor și normal. Numai când se atinge o altă valoare mai mare a H c, cele 2 filamente, în expansiune, se apropie, iar starea supraconductoare este complet distrusă. Valorile lui Нс2 ajung la 20. . . 50 T pentru supraconductori precum Nb 3 Sn și Pb. Mo 6 O 8 respectiv.
Schema structurii Josephson: 1-strat dielectric; 2-superconductori Structura este formată din doi supraconductori separați printr-un strat dielectric subțire. Această structură este situată la o anumită diferență de potențial specificată de tensiunea externă V. Din teoria dezvoltată de Feynman, expresia curentului I care circulă prin structură urmează: I= I 0 sin [(2e. V/h)t+ φ 0 ], unde I 0 = 2Kρ/ h (K este constanta de interacțiune a ambilor supraconductori din structura Josephson; ρ este densitatea particulelor care transportă curentul supraconductor). Valoarea φ 0 = φ 2 - φ 1 este considerată ca diferență de fază funcții de undă electroni în contactul supraconductorilor. Se poate observa că chiar și în absența tensiunii externe (V = 0), prin contact trece un curent continuu. Acesta este efectul staționar Josephson. Dacă plasăm o structură Josephson într-un câmp magnetic, atunci fluxul magnetic Ф determină o modificare a Δ φ și ca rezultat obținem: I= I 0 sinφ 0 cos (Ф / Ф 0), unde Ф 0 este magneticul cuantumul fluxului. Valoarea lui Ф 0 = h с/е este egală cu 2,07·10 -11 T cm 2. O valoare atât de mică de Ф 0 permite producerea de contoare de câmp magnetic ultrasensibile (magnetometre) care detectează câmpuri magnetice slabe din biocurenți. a creierului și a inimii.
Ecuația I= I 0 sin [(2e. V/h)t+ φ 0 ] arată că în cazul lui V ≠ 0 curentul va oscila cu o frecvență f = 2 e. V/h. Numeric, f se încadrează în domeniul microundelor. Astfel, contactul Josephson vă permite să creați AC folosind o diferență de potențial constantă. Acesta este efectul Josephson non-staționar. Un curent alternativ Josephson, la fel ca un curent convențional într-un circuit oscilator, va radia unde electromagnetice, iar această radiație este de fapt observată experimental. Pentru contactele Josephson S - I - S de înaltă calitate, grosimea stratului dielectric I trebuie să fie extrem de mică - nu mai mult de câțiva nanometri. În caz contrar, constanta de cuplare K, care determină curentul I0, este mult redusă. Dar stratul izolator subțire se degradează în timp din cauza difuziei atomilor din materialele supraconductoare. În plus, stratul subțire și constanta dielectrică semnificativă a materialului său conduc la o capacitate electrică mare a structurii, ceea ce limitează utilizarea sa practică.
Idei calitative de bază despre fizica fenomenului de supraconductivitate. Mecanismul de formare a perechilor Cooper Să considerăm o pereche de electroni e 1 și e 2, care sunt respinși de interacțiunea Coulomb. Dar există și o altă interacțiune: de exemplu, electronul e 1 atrage unul dintre ionii I și îl deplasează din poziția de echilibru. Ionul I creează un câmp electric care acționează asupra electronilor. Prin urmare, deplasarea sa va afecta alți electroni, de exemplu, e 2. Astfel, interacțiunea electronilor e 1 și e 2 are loc prin rețeaua cristalină. Un electron atrage un ion, dar deoarece Z 1 > Z 2, electronul, împreună cu „învelișul” ionic, are o sarcină pozitivă și atrage un al doilea electron. La T > T c, mișcarea termică estompează „învelișul” ionic. Deplasarea unui ion este excitarea atomilor de rețea, adică nimic mai mult decât nașterea unui fonon. În timpul tranziției inverse, un fonon este emis și este absorbit de un alt electron. Aceasta înseamnă că interacțiunea electronilor este schimbul de fononi. Ca rezultat, întregul grup de electroni solid se dovedește a fi conectat. În orice moment, un electron este mai puternic conectat la unul dintre electronii din acest colectiv, adică întregul colectiv electronic pare să fie format din perechi de electroni. În cadrul unei perechi, electronii sunt legați de o anumită energie. Prin urmare, numai acele influențe care depășesc energia de legare pot afecta această pereche. Se dovedește că coliziunile obișnuite schimbă energia cu o cantitate foarte mică și nu afectează perechea de electroni. Prin urmare, perechile de electroni se mișcă în cristal fără ciocniri, fără împrăștiere, adică rezistența curentului este zero.
Aplicarea practică a supraconductorilor la temperatură joasă. Magneți supraconductori, din sârmă din aliaj supraconductor Nb 3 Sn. În prezent, au fost deja construite solenoizi supraconductori cu un câmp de 20 T Materiale care corespund formulei M x Mo 6 O 8, unde atomii de metal M sunt Pb, Sn, Cu, Ag etc., sunt considerați promițători cel mai mare câmp magnetic (aproximativ 4 0 T) obţinut în solenoid Pb. Mo 6 O 8. Sensibilitatea colosală a joncțiunilor Josephson la câmp magnetic au servit drept bază pentru utilizarea lor în fabricarea de instrumente, echipamente medicale și electronice. SQUID este un senzor de interferență cuantică supraconductor utilizat pentru magnetoencefalografie. Despre efectul Meissner din serie centre de cercetareÎn diferite țări, se lucrează la levitația magnetică - „planând” deasupra suprafeței pentru a crea trenuri cu levitație magnetică de mare viteză. Dispozitive de stocare a energiei prin inducție sub formă de circuit cu curent neamortizat și linii de transmisie a energiei electrice (linii electrice) fără pierderi prin fire supraconductoare. Generatoare magnetohidrodinamice (MHD) cu înfășurări supraconductoare. Au o eficiență de conversie a energiei termice în energie electrică de 50%, în timp ce pentru toate celelalte centrale electrice nu depășește 35%.
Defecte ale structurii cristaline Metale reale care sunt folosite ca structura
materiale, constau dintr-un număr mare de cristale formă neregulată. Aceste
cristale
numit
boabe
sau
cristale,
O
structura
policristaline sau granulare. Tehnologii de producție existente
metalele nu permit obținerea lor de puritate chimică ideală, așadar
metalele reale conțin atomi de impurități. Atomii de impurităţi sunt
una dintre principalele surse de defecte ale structurii cristaline. ÎN
În funcție de puritatea lor chimică, metalele sunt împărțite în trei grupe:
chimic pur - conținut 99,9%;
puritate ridicată - conținut 99,99%;
ultrapur - conținut 99,999%.
Atomii oricăror impurități sunt foarte diferiți în dimensiune și structură
diferă de atomii componentei principale, deci câmpul de forță din jur
astfel de atomi sunt distorsionați. În jurul oricăror defecte apare o zonă elastică.
distorsiunea rețelei cristaline, care este echilibrată de volum
cristal adiacent unui defect al structurii cristaline.
inerente tuturor metalelor. Aceste încălcări ale structurii ideale a solidelor
au un impact semnificativ asupra lor fizică, chimică,
proprietăți tehnologice și operaționale. Nu folosește
idei despre defecte ale cristalelor reale, este imposibil de studiat fenomenele
deformarea plastică, întărirea și distrugerea aliajelor etc. Defecte
structura cristalină poate fi clasificată convenabil în funcție de geometria lor
forma si marime:
suprafața (bidimensională) sunt mici într-o singură direcție și au
formă plată - acestea sunt granițele boabelor, blocurilor și gemenelor, granițele domeniilor;
puncte (zero-dimensionale) sunt mici în toate cele trei dimensiuni, dimensiunile lor nu
mai mult de mai multe diametre atomice sunt vacante, atomi interstițiali,
atomi de impurități;
liniare (unidimensionale) sunt mici în două direcții, iar în a treia
direcția sunt proporționale cu lungimea cristalului - acestea sunt luxații, lanțuri
locuri libere și atomi interstițiali;
volumetrice (tridimensionale) au în toate cele trei dimensiuni relativ
dimensiuni mari înseamnă neomogenități mari, pori, fisuri etc.; Defectele de suprafață sunt interfețe
între boabe individuale sau subgranule dintr-un metal policristalin, la
Aceasta include și defecte de „ambalare” în cristale.
O limită de cereale este o suprafață pe ambele părți ale căreia
rețelele cristaline diferă ca orientare spațială. Acest
suprafata este un defect bidimensional cu dimensiuni semnificative in
două dimensiuni, iar în a treia - dimensiunea sa este comparabilă cu una atomică. Limite de cereale
- acestea sunt zone cu densitate mare de dislocare și inconsecvență
structura cristalelor adiacente. Atomii de la granițele cerealelor au crescut
energie în comparație cu atomii din interiorul boabelor și, în consecință, mai mult
tind să intre în diverse interacțiuniși reacții. La limitele de cereale
nu există o aranjare ordonată a atomilor. La limitele de cereale în timpul cristalizării metalului, acestea se acumulează
se formează diverse impurități, defecte, incluziuni nemetalice,
pelicule de oxid. Ca urmare, legătura metalică dintre boabe este ruptă
iar rezistenţa metalului scade. Ca urmare a structurii de frontieră sparte
slăbi sau întări metalul, ceea ce duce, respectiv, la
intercristalin (intergranular) sau transgranular (de-a lungul corpului cerealelor)
distrugere. Sub influența temperaturilor ridicate, metalul tinde să se reducă
energia de suprafață a limitelor de cereale datorită creșterii și contracției boabelor
lungimea granițelor lor. Când este expus chimic la limitele de cereale
se dovedesc a fi mai active și, ca urmare, distrugerea coroziunii
începe la granițele de cereale (această caracteristică stă la baza microanalizei
metale la fabricarea secțiunilor lustruite).
Există o altă sursă de distorsiune a suprafeței cristalinului
structura metalica. Granulele de metal sunt reciproc dezorientate în mai multe
grade, fragmentele sunt dezorientate de minute, iar blocurile care alcătuiesc
fragment, dezorientat reciproc doar pentru câteva secunde. Dacă
examinați boabele la mărire mare, se dovedește că în interiorul acestuia
Există zone neorientate una față de alta la un unghi de 15"...30".
Această structură se numește bloc sau mozaic, iar zonele se numesc blocuri
mozaicuri. Proprietățile metalelor vor depinde atât de dimensiunile blocurilor și ale granulelor, cât și
şi asupra orientării lor reciproce. Blocurile orientate sunt combinate în fragmente mai mari în
a căror orientare generală rămâne arbitrară, deci toate boabele
dezorientați unul față de celălalt. Pe măsură ce temperatura crește
dezorientarea boabelor crește. Proces termic care provoacă diviziunea cerealelor
în fragmente se numește poligonizare.
Diferența de proprietăți în funcție de direcția metalelor este
numele este anizotropie. Anizotropia este caracteristică tuturor substanțelor cu
structură cristalină. Boabele sunt situate aleatoriu în volum, așadar
Există aproximativ același număr de atomi în direcții diferite și
proprietățile rămân aceleași, acest fenomen se numește cvasi-anizotropie
(fals – anizotropie). Defectele punctuale sunt mici în trei dimensiuni și dimensiuni
apropiindu-se de punct. Unul dintre defectele comune este
locuri libere, adică un loc neocupat de un atom (defect Schottky). Pentru a înlocui un post vacant
nod, un atom nou se poate mișca și de-a lungul se formează un loc liber - o „găură”.
Cartier. Odată cu creșterea temperaturii, crește concentrația locurilor vacante. Aşa
precum atomii. situat aproape de suprafata. poate ieși la suprafață
cristal. iar atomii le vor lua locul. situat mai departe de suprafata.
Prezența locurilor libere în rețea conferă mobilitate atomilor. aceste. le permite
trece prin procesul de autodifuziune și difuzie. și astfel oferă
influența asupra proceselor precum îmbătrânirea, eliberarea fazelor secundare etc.
Alte defecte punctuale sunt atomii dislocați
(defect Frenkel), i.e. atomi de metal propriu care părăsesc nodul
zăbrele și a avut loc undeva în internoduri. În același timp, pe loc
atomul în mișcare, se formează un loc vacant. Concentrarea unor astfel de defecte
mic. deoarece formarea lor necesită o cheltuială semnificativă de energie. Orice metal conține atomi de impurități străine. ÎN
În funcție de natura impurităților și de condițiile în care acestea pătrund în metal, pot
să fie dizolvate în metal sau să existe sub formă de incluziuni separate. Pe
proprietățile metalului cea mai mare influență au străin dizolvat
impurități ai căror atomi pot fi localizați în golurile dintre atomi
metal de bază - atomi interstițiali sau la locurile rețelei cristaline
metal de bază - atomi de substituție. Dacă atomii de impuritate sunt semnificativ
mai puțini atomi de metal de bază, atunci formează soluții interstițiale și dacă
mai mult – atunci formează soluții de substituție. În ambele cazuri rețeaua devine
defect și distorsiunile sale afectează proprietățile metalului. Defectele liniare sunt mici în două dimensiuni, dar în a treia pot
ajunge la lungimea cristalului (granulelor). Defectele liniare includ lanțuri
posturi vacante. atomi interstițiali și dislocații. Luxațiile sunt speciale
tip de imperfecțiuni ale rețelei cristaline. Din perspectiva teoriei dislocarii
se iau în considerare rezistența, faza și transformările structurale. Dislocare
numită imperfecțiune liniară care formează o zonă în interiorul cristalului
schimbare Teoria dislocației a fost aplicată pentru prima dată la mijlocul anilor treizeci
Fizicienii secolului XX Orowan, Polyany și Taylor pentru a descrie procesul
deformarea plastică a corpurilor cristaline. Utilizarea lui este permisă
explicați natura rezistenței și a ductilității metalelor. Teoria dislocarii a dat
capacitatea de a explica diferența uriașă dintre teoretic și practic
rezistența metalelor.
Principalele tipuri de luxații includ marginea și șurubul. Regional
se formează o luxaţie dacă un extra
semiplanul atomilor, care se numește extraplan. Marginea ei este 1-1
creează un defect de rețea liniar numit dislocare a muchiei.
Este convențional acceptat că o luxație este pozitivă dacă este în partea superioară
parte a cristalului și este indicată prin semnul „ ” dacă luxația este situată în partea de jos
părți - „T“ negativ. Dislocațiile aceluiași semn se resping reciproc și
opusul – se atrag. Sub influența tensiunii marginilor
o luxaţie se poate deplasa peste cristal (de-a lungul planului de forfecare) până când
va ajunge la limita de cereale (bloc). Acest lucru creează un pas de dimensiunea
o distanță interatomică. Forfecarea plasticului este o consecință
deplasarea treptată a luxaţiilor în plan
schimbare Propagarea alunecării de-a lungul unui plan
alunecarea are loc secvenţial. Fiecare
actul elementar de a muta o dislocare din
o poziție la alta se realizează prin
ruperea unui singur atom vertical
avion. Pentru a muta luxațiile este necesar
forță semnificativ mai mică decât pentru hard
deplasarea unei părți a cristalului față de alta în planul de forfecare. La
mișcarea unei luxații de-a lungul direcției de forfecare prin întregul cristal
are loc o deplasare a părților sale superioare și inferioare doar de un singur interatomic
distanţă. Ca urmare a mișcării, dislocarea iese la suprafață
cristal și dispare. La suprafață rămâne o treaptă de alunecare. Dislocarea șurubului. Format prin deplasarea incompletă a cristalului de-a lungul
densitate Q. Spre deosebire de o dislocare a muchiei, o dislocare a șurubului
paralel cu vectorul de deplasare.
Dislocările se formează în timpul cristalizării metalelor în timpul
„prăbușirea” unui grup de posturi vacante, precum și în timpul deformării plastice
și transformări de fază. O caracteristică importantă a structurii de dislocare
sunt densitatea de dislocare. Densitatea de dislocare este înțeleasă ca
lungimea totală a dislocației l (cm) pe unitate de volum V
cristal (cm3). Astfel. dimensiunea densității de dislocare, cm-2. U
metale recoapte - 106...108 cm-2. Când plasticul rece
deformare, densitatea de dislocare crește la 1011...1012 cm-2. Mai mult
densitatea mare de dislocare duce la apariţia microfisurilor şi
distrugerea metalelor.
În apropierea liniei de dislocare, atomii sunt deplasați de la
locurile lor și rețeaua cristalină este distorsionată, ceea ce
determină formarea unui câmp de stres (deasupra liniei
luxații, rețeaua este comprimată, iar dedesubt este întinsă).
Valoarea unei deplasări unitare a planelor
caracterizat prin vectorul Burger b, care
reflectă cum valoare absolută tură și a lui
direcţie. Luxație mixtă. Dislocarea nu se poate termina în interior
cristal fără a se conecta la o altă luxație. Aceasta rezultă din faptul că
o dislocare este limita unei zone de forfecare și există întotdeauna o zonă de forfecare
o linie închisă, iar o parte a acestei linii poate trece de-a lungul exteriorului
suprafata de cristal. Prin urmare, linia de dislocare trebuie să se închidă
în interiorul cristalului sau capătul de pe suprafața acestuia.
Când se formează limita zonei de forfecare (linia de dislocare abcdf).
secţiuni drepte, paralele şi perpendicular pe vector schimbare, și
un caz mai general al unei linii curbe de dislocare gh. În secțiunile av, cd și
ef este o dislocare a muchiei, iar în secțiunile all și de există o dislocare a șurubului. Separa
secțiunile unei linii curbe de dislocare au o margine sau un șurub
orientare, dar o parte a acestei curbe nu este nici perpendiculară, nici paralelă
vector de forfecare, iar în aceste zone există o dislocare mixtă
orientare. Deformarea plastică a corpurilor cristaline este legată de cantitate
luxații, lățimea lor, mobilitatea, gradul de interacțiune cu defectele
zăbrele etc. Natura legăturii dintre atomi afectează plasticitatea
cristale. Astfel, în nemetale cu legăturile lor direcționale rigide
luxațiile sunt foarte înguste, necesită solicitări mari pentru a începe - în 103
ori mai mare decât pentru metale. Rezultă o fractură fragilă în nemetale
are loc mai devreme decât schimbarea.
Principalul motiv pentru rezistența scăzută a metalelor reale este
prezența dislocațiilor și a altor imperfecțiuni în structura materialului
structură cristalină. Obținerea de cristale fără luxații
duce la o creștere bruscă a rezistenței materialelor.
Ramura din stânga a curbei corespunde creației
perfect
fără dislocare
filiform
cristale (așa-numitele „muștați”), putere
care este aproape de teoretic. Cu limitat
densitatea de dislocare și alte distorsiuni
cristalin
grătare
proces
schimbare
apare mai ușor cu cât sunt mai multe luxații
situat în cea mai mare parte a metalului. Una dintre caracteristicile unei dislocari este vectorul de deplasare - vector
burgeri. Vectorul Burgers este un vector suplimentar care are nevoie
introduceți în conturul descris în jurul luxației pentru a închide
circuitul corespunzător din rețeaua unui cristal ideal, deschis
datorită prezenței luxației. Un contur desenat de-a lungul unei grile în jurul zonei, în
care are o luxație se va dovedi a fi deschis (contur Burgers). Decalaj
conturul caracterizează suma tuturor deplasărilor elastice ale rețelei acumulate în
zona din jurul luxației este vectorul Burgers.
Pentru o dislocare a muchiei, vectorul Burgers este perpendicular, iar pentru o dislocare cu șurub
dislocare – paralel cu linia de dislocare. Vectorul Burgers este o măsură
distorsiunea rețelei cristaline datorită prezenței în acesta
luxaţii. Dacă o dislocare este introdusă în cristal prin forfecare pură, atunci vectorul
shift și este vectorul Burgers. Conturul burgerilor poate fi deplasat
de-a lungul liniei de dislocare, întins sau comprimat într-o direcție perpendiculară pe
liniile de dislocare, în timp ce mărimea și direcția vectorului Burgers
rămâne constantă. Pe măsură ce stresul crește, numărul surselor de dislocare din
metal și densitatea lor crește. Pe lângă luxaţiile paralele
luxațiile apar în planuri și direcții diferite. Luxații
se influenteaza reciproc, se impiedica reciproc sa se amestece, lor
anihilarea (distrugerea reciprocă) etc. (care i-a permis lui J. Gordon să facă la figurat
numesc interacțiunea lor în procesul de deformare plastică „intimă”
viața luxațiilor”). Pe măsură ce densitatea luxațiilor crește, mișcarea lor
devine din ce în ce mai dificilă, ceea ce necesită o creștere a aplicației
sarcina pentru a continua deformarea. Ca urmare, metalul este întărit, ceea ce
corespunde ramurii din dreapta a curbei.
Luxațiile, împreună cu alte defecte, participă la tranzițiile de fază.
transformările, recristalizarea, servesc ca centre gata făcute în timpul precipitațiilor
a doua fază din soluție solidă. De-a lungul luxațiilor, viteza de difuzie este
cu câteva ordine de mărime mai mare decât printr-o rețea cristalină fără defecte.
Dislocațiile servesc ca loc pentru concentrarea atomilor de impurități, în special
impurități interstițiale, deoarece aceasta reduce distorsiunea rețelei. Dacă, sub influența forțelor externe, apar dislocări în metal,
atunci proprietățile elastice ale metalului se modifică și influența începe să afecteze
semn de deformare initiala. Dacă metalul este supus la slab
deformare plastică printr-o sarcină de același semn, apoi când semnul se schimbă
sarcină, o scădere a rezistenței la plasticul inițial
deformatii (efect Bauschinger).
Luxațiile care apar în timpul deformării primare cauzează
apariția tensiunilor reziduale în metal, care, atunci când sunt combinate cu
tensiunile de funcționare atunci când semnul sarcinii se modifică, provoacă o scădere
puterea de curgere. Odată cu creșterea deformațiilor plastice inițiale
cantitatea de reducere a caracteristicilor mecanice crește.
Efect
Bauschinger
evident
se manifestă
la
nesemnificativ
iniţială
întărire la rece
Scurt
vacanţă
nituit
materiale
elimină toate manifestările
Efectul Bauschinger. Efect
este slăbit semnificativ de
multiplu
ciclic
încărcături
material
Cu
prezența plasticului mic
deformari ale diferitelor semne. Toate defectele de mai sus în structura cristalului conduc la
apariția tensiunilor interne. După volum, unde sunt
sunt echilibrate, se disting tensiunile de primul, al doilea și al treilea fel.
Tensiunile interne de primul fel sunt tensiuni zonale,
care apar între zonele de secțiuni individuale sau între individ
piese piese. Acestea includ tensiunile termice care apar
cu încălzire și răcire accelerată în timpul sudării și tratamentului termic.
Tensiuni interne de al doilea fel - apar în interiorul bobului sau între
boabele învecinate se datorează structurii de dislocare a metalului.
Tensiuni interne de al treilea fel - apar în interiorul unui volum al ordinului
mai multe celule elementare; sursa principală este punctul
defecte.
Tensiunile reziduale interne sunt periculoase deoarece
se adună la tensiunile curente de funcționare și poate duce la
distrugerea prematură a structurii.
Slide 1
PROPRIETĂȚI ALE DEFECTELOR ȘI ANSAMBLELOR LOR ÎN MATERIALE CONDENSATE Fizica radiațiilor solidelorSlide 2
Cuprins Secțiunea 1 Tipuri de defecte elementare individuale și proprietățile acestora. Defecte în substanțe simple 1.1.Clasificarea defectelor în substanțe simple 1.1.1.Internoduri 1.1.2.Vacante în compuși covalenti 1.1.3. Caracteristicile defectelor punctuale 1.1.4. Internoduri în substanțe simple și caracteristicile acestora 1.1.5. Defecte de ambalare 1.1.6. Aliaje dezordonate. Defecte de impuritate 1.1.7. Aliaje comandate. Tipuri de rețele cu ordonare 1.2 Defecte de echilibru și de neechilibru 1.2.1 Concentrația de echilibru a defectelor punctuale în substanțe simple 1.3. Defecte în comandă de aliaje 1.3.1 Metrica de comandă pentru aliaje 1.3.2. Relația dintre ordinul pe distanță lungă și valoarea medie a ordinului pe distanță scurtă în aliajele de comandă 1.3.3 Dependența de temperatură a concentrației defectelor de substituție de echilibru în aliajele de comandă 1.3.4. Dependența de temperatură a concentrației de goluri de echilibru în aliajele de comandă
Slide 3
Cuprins Secțiunea 2. Descrierea defectelor structurii cristaline în cadrul teoriei elasticității 2.1. Principii de bază ale mecanicii continuumului 2.1.1. Definiții 2.1.2. Legea lui Hooke 2.1.3. Legea lui Hooke în formă generalizată 2.1.4 Forma generală a ecuațiilor în deplasări absolute 2.2. Deplasarea atomilor într-o rețea cristalină cu defecte punctiforme. Modificarea volumului 2.3. Comportarea unui defect într-un câmp de deplasare externă 2.4. Densitatea forțelor interne echivalente cu centrul de dilatație 2.5. Interacțiunea defectelor cu un câmp elastic extern 2.6. Interacțiunea elastică a defectelor punctuale 2.7. Distribuția continuă a defectelor punctiforme într-un câmp elastic 2.8. Curgerea cristalelor. Creep 2.9. Cinetica porilor dintr-un cristal 2.10. Instabilitatea unei distribuții uniforme a defectelor punctuale 2.11. Luxații 2.12. Deformarea plastică a cristalelor 2.13. Model de dislocare unidimensională – model Frenkel–Kontorova
Slide 4
Cuprins Secțiunea 3. Defecte de radiație 3.1. Metode de CREARE A DEFECTELOR DE RADIAȚIE 3.1.1. Iradierea în reactor 3.1.2. Iradierea la acceleratori de ioni grei 3.1.3. Iradierea într-un microscop electronic de înaltă tensiune 3.1.4. Principalele avantaje și dezavantaje ale metodelor de testare a radiațiilor expresive 3.2. Procese primare de interacțiune a particulelor și radiațiilor cu un corp solid 3.2.1. Vederi generale despre procesele de interacțiune a particulelor cu un corp solid 3.2.2. Interacțiunea neutronilor cu materia 3.2.3. Interacțiunea ionilor accelerați cu materia 3.2.4. Distribuția după adâncimea de penetrare a ionilor încorporați și a defectelor create de ioni 3.2.5. Interacțiunea electronilor cu materia 3.2.6. Interacţiune - cuante cu materia 3.3. Condiții de bază pentru reproductibilitatea fenomenelor de deteriorare a reactorului în timpul iradierii acceleratorului
Slide 5
Cuprins Secțiunea 4. Comparație teoretică structuri ale câmpurilor aleatorii de defecte de radiație formate în timpul iradierii cu particule rapide în probele de film 4.1. Cascada de ciocniri atomice. Caracteristici individuale 4.2. Câmp aleator de defecte. Statistica daunelor 4.3. Modelul cascadelor rare 4.4. Modelul cascadelor dense 4.5. Parametrii de simulare 4.6. Relații de simulare pentru spectre model de PVA 4.7. Metodologia de determinare a duratei de viață temporară a compușilor supraconductori 4.8. Calculul caracteristicilor câmpului de deteriorare atunci când peliculele subțiri sunt iradiate cu ioni și neutroni cu un spectru apropiat de spectrul real TNR
Slide 6
Introducere „Fizica unui corp solid real” studiază fenomenele și procesele fizice cauzate sau care apar atunci când există un conținut ridicat de defecte într-un corp solid și încearcă să dezvolte teorii predictive care determină caracteristicile unui corp solid. Toate domeniile de aplicare și utilizarea „forțată” a unui corp solid sunt, într-un fel sau altul, determinate de defecte structurale. Cele mai simple exemple: conductivitatea unui solid ideal este zero; curent critic în supraconductori este de asemenea egal cu zeroîn absenţa fixării sistemului vortex la defecte structurale. O direcție importantă este introducerea controlată a impurităților și defectelor în matrice, precum și modificările stimulate de radiații în structură. Început dezvoltare intensivă Această direcție corespunde apariției dispozitivelor semiconductoare. Această direcție poate fi numită „Tehnologie fizică”, deoarece proiectarea și crearea de noi instrumente și instrumente pentru cercetători este determinată de dezvoltarea unei imagini fizice detaliate a proceselor și interpretarea cantităților măsurate. Reducerea naturală a dimensiunii obiectelor studiate și noile capacități de măsurare au condus la apariția unei noi direcții, „Nanosisteme”. Introducerea controlată a impurităților și a defectelor în matrice prezintă, de asemenea, un interes fizic pentru analiza aplicabilității anumitor concepte ale fizicii materiei condensate. De exemplu, pentru a analiza mecanismul supraconductivității în compușii cu structura A15, HTSC.
Slide 7
O serie de probleme problematice din fizica sistemelor condensate sunt de natură fundamentală: Predicția proprietăților mecanice ale solidelor reale, inclusiv în câmpuri de radiații intense; Proprietăți și fenomene electrice în sistemele condensate cu un conținut ridicat de defecte; Mecanisme de supraconductivitate, inclusiv temperatura ridicată, îmbunătățirea parametrilor critici ai supraconductorilor; Proprietățile electronice și fotonice ale semiconductorilor și cristalelor organice
Slide 8
Slide 9
Clasificarea defectelor substanţelor simple. Definiție: Orice perturbare sau denaturare a regularității aranjamentului atomilor într-un cristal este considerată un defect al rețelei cristaline. Se disting următoarele tipuri de defecte individuale: Mișcarea termică a atomilor Atomi interstițiali și locuri libere Atomi de impurități Limită de cristal Policristale Dislocații Deplasări statice ale rețelei în apropierea defectului
Slide 10
1. Mișcarea termică a atomilor; abaterea atomilor de la poziția de echilibru; Acesta este un tip de defect de echilibru termodinamic care are un caracter dinamic.
Slide 11
2. Atomi interstițiali și locuri libere. Aceste defecte tind să fie în echilibru. Timpul caracteristic de relaxare până la starea de echilibru poate fi destul de lung. Într-adevăr, procesul de difuzie a defectelor, care determină distribuția lor într-un solid, este un proces activat termic, prin urmare, la temperaturi insuficient de ridicate, apar adesea stări de neechilibru ale acestor defecte; O diferență semnificativă între sistemele de defecte punctiforme este prezența interacțiunii lor între ele (prin atomi de matrice), ceea ce duce, în special, la formarea complexelor lor (ansamblurilor), condensat în matrice, adică. starea de echilibru a unui sistem de defecte punctiforme în cele mai multe cazuri este neomogenă în spațiu (de exemplu, vacante - un ansamblu de vacante - un por).
Slide 12
3. Atomi de impurități Impuritățile, chiar și la concentrații scăzute, pot afecta în mod semnificativ proprietățile cristalului, de exemplu, ele au o contribuție semnificativă la conductivitatea semiconductorilor. Densitatea atomilor în sistemele condensate este de 1022 - 1023 atomi/cm3. concentratia defectelor, in functie de fondul obtinerii probei, variaza de la 1012 - 1020 atom/cm3.
Slide 13
4. Limita cristalului Acest defect duce la distorsiuni chiar și în interiorul matricei și la o încălcare a simetriei cristalului în zonele adiacente limitei. Modelul granulelor într-un policrist 5. Granule policristaline sau cristalite cu orientări diferite. Volumul boabelor este mai mare decât volumul reprezentativ fizic. Dimensiunea granulelor transversale este de aproximativ 10-3 10-6 cm Proprietățile policristalelor sunt determinate atât de granulele de cristal în sine, cât și de limitele de granule. Dacă boabele sunt mici și orientate aleator, atunci anizotropia proprietăților caracteristice, de exemplu, unui singur cristal, nu apare în policristale. Dacă există o anumită orientare a granulelor, atunci policristalul este texturat și are anizotropie.
Slide 14
Apariția unei dislocari de margine la limită Dislocarea șurubului de creștere a cristalelor. Acumularea de dislocații la limitele de cereale Rețeaua de dislocare Dislocarea șurubului 5. Dislocațiile sunt un tip de defect de neechilibru, adică. aspectul lor este determinat de preistoria probei şi se asociază fie cu creşterea cristalitelor, fie cu acţiunea încărcărilor sau influenţelor externe. Există mai multe tipuri de luxații: margine, șurub, mixte. Acumulările lor formează adesea granițe de cereale.
Slide 15
În funcție de dimensiune, se disting următoarele tipuri de defecte: 1. Defecte punctuale: Atomi interstițiali și vacante, Atomi de impurități 2. Defecte liniare: Dislocații 3. Defecte plane: Limită de cristal, Policristale Caracteristicile fenomenologice ale defectelor punctiforme: - energia de formare ; - energia migraţiei; - volum de dilatare.
Slide 16
Într-o structură ideală de un anumit tip, atomul ocupă o poziție corespunzătoare unui loc de rețea. Un atom suplimentar pentru care nu există un loc corespunzător ocupă o poziție interstițială. Pot exista mai multe astfel de prevederi pentru o structură. Diverse tipuri atomi de carbon interstițiali din rețeaua de diamant: a – Tetraedric – T; b – Hexagonal –H; c – internod în mijlocul legăturii – M; d – Split internod (haltera -). internod
Slide 17
Un atom suplimentar, pentru care nu există un loc corespunzător, ocupă o poziție interstițială și perturbă distribuția densității electronilor în interiorul celulei unității atom de carbon interstițial tetraedric. Nivelul izosuprafețelor reprezentate este același =1,25
Slide 18
Vacante în compușii covalenți Absența unui atom la un loc de rețea creează un defect punctual, cum ar fi un loc vacant: Configurația unui loc vacant și divacanță în diamant Modelul deplasărilor diferă de deplasările pentru atomii interstițiali, de obicei, mediul imediat este deplasat spre un loc gol. În compușii de tip ionic, locurile libere se formează în perechi, ceea ce este o configurație mai favorabilă energetic pentru o structură dată (defectul Schottky). Se reflectă nevoia de a menține neutralitatea. Acest tip de defecte se manifestă mai favorabil cu cât ionicitatea legăturii este mai mare, de exemplu în NaCl. Rețineți, de asemenea, că în HTSC de tip YBa2Cu3O7 se observă că legătura este parțial ionică.
Slide 19
Nu există niciun atom în locul corespunzător, ceea ce duce la o perturbare a distribuției densității electronilor în interiorul celulei unice. Distribuția densității electronilor într-o celulă unitară ideală de diamant. Nivelul izosuprafețelor reprezentate este același =1,25
Slide 20
Slide 21
Model pentru formarea unui post vacant în substanţe simple Se poate propune următorul mecanism de formare a unui post vacant. Atomul este adus la limita cristalului, în timp ce numărul de particule din sistem nu se modifică. Într-adevăr, pur și simplu îndepărtarea unui atom dintr-un situs al rețelei cristaline la infinit schimbă numărul de particule din sistem și pentru a calcula potențialul termodinamic al sistemului va fi necesar să se țină cont de acest fapt. În vecinătatea locului vacant format va avea loc relaxarea atomilor (săgeți roșii din figură). Vom presupune că doi atomi ai unei substanțe interacționează între ei printr-un potențial de interacțiune perechi, care nu depinde de mediul atomilor.
Slide 22
Energia unui atom situat într-un loc de cristal este egală cu Esite=z1*φ(R*), unde numărul vecinilor cei mai apropiați este de ordinul z1 6 - 8, R* este distanța interatomică de echilibru, o estimare a potențialul φ(R*) poate fi realizat, de exemplu, din energia de sublimare a substanței, care dă φ(R*) ≈ 0,2 ÷ 0,3eV. Astfel, valoarea energetică a unui atom la un loc de rețea este Esite ~ 1,6 ÷ 2,4 eV. O astfel de energie trebuie cheltuită pentru a rupe legăturile în timpul formării unui post vacant. Cu toate acestea, atomul îndepărtat este plasat la suprafață, prin urmare, putem presupune că jumătate din legăturile rupte sunt restaurate. Energia unui atom situat la suprafață este egală. Astfel, energia formării locurilor vacante Ef ≈ 0,8 ÷ 1,2 eV. Migrarea posturilor vacante Să luăm în considerare migrarea posturilor vacante. Pentru ca atomul A să sară la locul gol în care se află locul vacant, s-ar părea că nu trebuie să depășească bariera, dar nu este cazul - legăturile trebuie rupte. Calculul energiei de formare a posturilor vacante
Slide 23
În plus, de-a lungul traiectoriei de migrare a unui loc vacant (sau a atomului A), apare o barieră energetică (lentila energetică), creată de atomii din apropiere. Acest lucru este cel mai clar vizibil într-un cristal tridimensional. Numărul celor mai apropiați vecini din secțiunea ABCD este de obicei mai mic decât la locul locului, z2 = 4. Dacă presupunem că potențialul de pereche se schimbă slab, atunci bariera energetică pentru migrarea locurilor libere. poate fi estimat ca Emγ ≈ 0,8 ÷ 1 eV.
Slide 24
Volumul de dilatare a unui loc vacant Fie ω0 volumul pe un atom al solidului. Când se formează un loc vacant, suprafața va fi distorsionată din cauza relaxării, iar volumul cristalului V se va modifica. Estimările dau aproximativ δV(1)= - 0,1ω0, acest rezultat a fost obținut pe baza rezultatelor experimentelor de dilatare asociate cu introducerea multor locuri vacante în eșantion. Rețineți că în matricea care înconjoară regiunea de formare a locurilor libere există o ușoară creștere a densității substanței datorită relaxării. În mecanismul formării locurilor libere discutat mai sus, atomul iese la suprafață. Modificarea suplimentară a volumului asociată este δV(2)=+ω0. Astfel, modificarea totală a volumului cristalului este egală cu: δV=δV(1) + δV(2) =+0.9ω0 Modificarea volumului