Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Троицкий О.А. Радиация и прочность твердых тел

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

5.14 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Таким образом, электроны, быстро и беспорядочно снующие между атомами в металле, после приложения к ним электрической силы начинают движение в одну

сторону.	На фоне беспорядочного движения						со	ско
ростями	~	108	см/сек	этот	дрейф	электронного	газа	ед
ва заметен,		но	всё ж е	он	имеет	определенную	скорость
10—100 см/сек.			Дополнительный			дрейф электронов		по

чти не изменяет частоту их столкновений с атомами. По-

прежнему	электроны	сталкиваются	и отскакивают от
атомов, теряя энергию. В среднем			энергия	электронов
остается	неизменной,	поскольку подсистема		электронов
и ионный	остов решетки находятся		в состоянии тепло

вого равновесия.

Д р е й ф электронов приводит все же к передаче до полнительной энергии атомам, поскольку он является отклонением от состояния равновесия (здесь опять про явится принцип Ле - Шателье, поскольку нагрев решетки затруднит дрейф электронов). Этот дрейф может пере дать т а к ж е некоторую энергию па структурные несовер шенства кристаллической решетки, например, иа дис локации (о которых будет речь дальше) и вызвать тем самым изменение структурно-чувствительных свойств материала .


Г-'.			§ 7. Движение			атомов

	Как уже	указывалось		выше,		атомы в твердом теле
находятся в непрестанном движении. Большей								частью
они	колеблются		в положении		равновесия.		При	нагре
вании кристалла			интенсивность			колебательного		движе
ния	атомов	возрастает,		и кристаллическая			структура
может разрушаться, что проявится в том,							что	твердое
тело превратится в жидкость или газ.
	Рассмотрим		более тонкие		случаи, когда		кристалли

ческая решетка не разрушается, а отдельные атомы на чинают перемещаться, уходя из своего положения рав новесия. Причиной выхода атома из своей «квартиры» могут послужить хаотические тепловые колебания, в процессе которых он может получить добавочную энер гию, заставляющую его начинать движение.

Упорядоченное движение атомов в кристаллической решетке может возникнуть под влиянием инфракрасно го излучения. Частота инфракрасного света определен-

ных длин волн соответствует частоте колебаний узлов кристаллической решетки, поэтому с помощью таких

электромагнитных	волн можно	раскачать,		например,
противоположно заряженные ионы в ионных				кристал
лах. Д л я каждого вещества существует свое			определен
ное значение частоты падающего		инфракрасного излу
чения, при котором	происходит максимальная			раскачка

ионного остова. Эта частота зависит, в основном, от

массы ионов и	величины	силы	связей	в остове.	Естест
венно здесь вспомнить механическую модель					твердого
тела — каждый	ион твердого		остова	выступает	в этом
случае как гармонический осциллятор.
При этом амплитуда колебаний осцилляторов не во
зрастает неограниченно,		а останавливается иа			некото

ром уровне (повышенном против обычного в отсутствии излучения), поскольку атомные осцилляторы в твердом теле связаны между собой. Начавшееся было упорядо ченное раскачивание атомов при длительном действии излучения переходит в неупорядоченное хаотическое колебательное движение, когда кристалл начинает на греваться. Очевидно, наибольшее инфракрасное погло щение света соответствует частоте наиболее быстрых

колебаний атомных	осцилляторов.
Приведенный пример,		упорядоченного движения ато
мов, возбужденного	внешней электромагнитной		силой,
не распространяется	на	далекие перемещения	атомов.

Как и прежде, атомы колеблются около своих положе

ний равновесия, только с			большей амплитудой. Правда,
гипотетически	можно	себе		представить случай,			что
электромагнитные волны так сильно раскачают						атомы,
что они выйдут из своих положений					равновесия	и	нач
нут дрейф по решетке. Однако для этого надо						преодо
леть одну трудность — пока				электромагнитные		волны
раскачивают-	атомы,	они	не	должны	передавать		избы

ток своей энергии в фонд помощи соседям. Эта труд ность, как правило, остается непреодолимой, по крайней

мере, в	нормальных	участках	кристаллической ре
шетки.
Атомы	получают	возможность	двигаться по решет

ке только тогда, когда в кристалле имеются дефекты, о которых речь пойдёт дальше . Особенно важную роль в этом процессе играют вакансии или пустые места в крис таллической решетке, а т а к ж е дислокации.

Легче всего двигаться атому водорода. Это самый лег кий из атомов. Теряя в твердом теле единственный элек трон, атом водорода становится просто ядром или про тоном, который по размерам почти не отличается от элек трона (оставаясь в 2000 раз тяжелее его). Поскольку протоны намного меньше ионов, образующих остов ре шетки, они довольно легко могут перемещаться по кана

лам

кристаллической

решетки.

последнее

время

это

свойство протонов

стали широко

использовать

физике.

В частности,

разработаны

новые методы

анализа

строе

ния

кристаллической

решетки, основанные на дифрак

ции

протонов

прохождении

их

предпочтительно

по

открытым каналам

кристаллической

решетки

(снятие

протонограмм, эффект

«теней» и т. д.).

Г Л А В А

В З А И М О Д Е Й С Т В ИЕ

ИЗЛУЧЕНИЯ

ВЕЩЕСТВОМ

§ 1. Пороговая энергия смещения атомов

При

попадании

быстрых

частиц

в кристаллическую

ре

шетку

происходит

Еыбивание некоторых

атомов из узлов

решетки. Энергия, которую необходимо затратить на выби вание одного атома, примерно в четыре-пять раз превы шает ту энергию, которую должен приобрести поверхност

ный атом, чтобы в процессе		тепловых	колебаний покинуть
поверхность	твердого тела	и перейти	в	окружающий		газ.
Поскольку энергия сублимации большинства атомов						сос
тавляет 5 зв,	то пороговая	смещения	атомов		должна	быть
равна 20 — 25 эв. Таким образом, для				того,	чтобы	смес

тить атом внутри твердого тела, требуется большое коли чество энергии, сконцентрированной на чрезвычайно малой площади, соизмеримой с площадью ядра атома (посколько именно в ядре сосредоточена основная масса атома). Такая работа посильна только энергичным маленьким снарядам, ко торыми являются специально ускоренные протоны; а — час тицы, электроны и другие частицы или компаненты «жест кого» радиоактивного излучения (у —кванты, р — и а — час тицы).

В окружающей нас природе трудно найти аналогич ный процесс в увеличенном масштабе . Например, град может сбивать некоторые ягоды вишни или винограда,

но частота удачных попаданий льдинок в этом случае намного больше частоты удачных попаданий частиц в атомы . Это можно заключить из сопоставления относи


тельной		плотности,		с которой	на	дереве	расположены
ягоды	вишни		или	винограда	и	льдинок	в	падающем
граде, с		одной стороны, и относительной					плотности уз
лов кристаллической решетки и потока							бомбардирую
щих	частиц,		с другой. Если в		первом случае			примерно

одной из десяти льдинок, выпавших иа крону с плодами

придется столкнуться

с ягодой,

то

во

втором

случае

удачливой

окажется

одна

из

многих

тысяч

частиц.

По

д а в л я ю щ е е

число

частиц

погасит

свою

энергию

непро

изводительно — за

счет

электронного

торможения

и при

косых ударах с узлами кристаллической решетки.

Если обстреливать

решетку

таким

числом

частиц в

секунду, что на

каждый

см2 площади

твердого

тела

бу

дет приходиться их столько же,

сколько

приходится

на

ту ж е площадь атомов, т. е. примерно

101 5 част./см2

сек,

то

и тогда

только

ничтожная

часть частиц

имеет

шан

сы

попасть

в ядра

атомов, т. к. размеры

ядра

по

поряд

ку величины равны

1СН3 см, а размеры атома

~ 1 0 - 8

с ж ,

т. е. в 105 раз различаются друг от друга. Таким

обра

зом, если частица — это

камень

размером

1 см,

то

кристаллическая

решетка

должна

иметь

ячейку

разме

ром в 105 см, т. е. в один километр. Безусловно, в этом случае скорее промахнешься, чем попадешь в узел ре шетки.

Тем не менее такие события случаются, и выбитых атомов в кристаллической решетке может накопиться довольно много, если облучение проводить долго и ис пользовать потоки с большой плотностью частиц на еди ницу площади.

Кроме того, нельзя забывать, что кристаллическая решетка твердого тела — это не плоская решетка, а объемная решетка, где отдельные узлы идут внахлест

друг к другу и большей частью не	экранируют	друг
друга.
Атомы в кристаллической решетке	расположены	упо

рядочение и только местами этот порядок нарушается. Если отвлечься пока от дефектных участков и рассматривать иде альные участки кристаллической решетки, то пороговая энергия смещения атомов Eg должна зависеть от направления движения выбитого атома и меняться в зависимости от

места, занимаемого этим атомом внутри кристаллической решетки. Д л я меди, например, ^ м е н я е т с я от 18 до43э<? в зависимости от направления удара и дрижения выбитого атома.

§ 2. Облучение различными типами частиц

Фотоны или у— кванты, сами непосредственно не сме щают атомы. Они передают скачала свою энергию электро нам твердого тела, а те уже действуют как вторичные сна ряды, приводящие к смещениям атомов. Поскольку фото ны мало поглощаются ЕЄЩЄСТВОМ, ,ИХ действия в объеме материала можно считать распределенным равномерно. При этом виде облучения вещество как бы находится в состоянии внутреннего облучения энергичными электронами. Энер гичные электроны при облучении ЕЄЩЄСТБЗ у — КЕантами Еозникают, в основном, за счет трёх эффектов:

«Г

Ь КОМПЇОТІ-зффеКТ ..

•

2.фотоэлектрический эффект

3.рождение пары позитрон-электрон.

Мы	не будем здесь	подробно останавливаться на каж
дом из	этих эффектов.	С природой этих эффектов можно

познакомиться в специальной литературе. Отметим только,

что при комптон-зффекте	происходит	упругое	рассеяние
у — кванта на электроне из	оболочки атома. При этом элек
трону сообщается энергия,	а у — квант	теряет	энергию. В

случае фотоэлектрического эффекта атом воспринимает энергию у — кванта в целом и затем испускает один ич своих электронов, передавая ему полученный избыток энер гии. Последний эффект более редкий, он связан с превра

щением

Рысокоэнергичных

у — квантов

пару

позитрон-

электрон

вблизи

ядра

атома. В области

энергий

фотонов

до

Мэв

рассматривают

обычно

только

КОМПТОНОЕСКИЙ

и фотоэлектрический

эффект, а при больших энергиях

более

вероятно возникновение электроп-позитронных

пар.

Д л я

облучения

у — квантами

характерным является то, что на

каждый удачно прореагировавший у — квант

в твердом теле

приходится

не -более

чем

1 или 2

выбитых

атомов. То ж е

самое

относится к

электронам.

Нейтроны относятся

нейтральным

частицам и

обла

дают массой протона. В силу своей нейтральности они глу

боко	проникают	в твердое тело (подобно	у — квантам), а
из-за	большой	массы производят более	сильные повреж-

дения в	кристаллической		решетке,	чем	у — кванты.	При
лобовом	столкновении	нейтрона с узлом решетки последний
неизбежно покидает		свое	насиженное		место. Более	того,
этот выбитый атом, как			правило,	получает энергию в д е

сятки и сотни раз превышающую пороговую энергию сме


щения Еа	и	поэтому сам		становится	снарядом внутри ре
шетки. Причем эффективность вторичных						снарядов,		обла
дающих большой массой, намного выше первичной							частицы.
При	нейтронном		облучении может действовать					так
же специфический			механизм, связанный			с ядерными ре
акциями.	Поглощение			нейтрона	некоторыми		я д р а м и
приводит	к их распаду и осколкам ядер
сообщается колоссальная энергия, за
трачиваемая		ими при		торможении	в
решетке	на	электронное возбуждение

исмещение атомов.

Всилу того, что нейтроны имеют свободный пробег между столкнове ниями в несколько сантиметров, про изводимые ими повреждения в решет ке, с одной стороны, равномерно рас пределены по объему, с другой сто роны, в районе каждого первичного столкновения повреждение крайне не однородно. Первично выбитые атомы производят вторичные, третичные и т. д. смещения на таком близком расстоя нии друг от друга, что получается це

лый каскад	или	ливень		смещения
(рис. 2), затем опять			следует		непов
режденный участок решетки. В месте
нового столкновения картина				каскада
повторяется.	На	один	бомбардирую
щий нейтрон	могут приходиться				сотни
смещенных атомов.						Р и с .	2. Каскад	сме
Электроны, эти легчайшие				заряжен
ные частицы, входящие			как кирпичики			щений	атомов	при,-
						нейтронном облуче
в строение	отдельных		атомов,		т а к ж е		нии.

могут выступать в роли снарядов, вы бивающих атомы с насиженных мест. Правда, д л я этого-

они должны обладать огромной кинетической энергией, достаточный уровень которой достигается только при ре лятивистских скоростях движения . Ускоренные до таких.

скоростей электроны,		обладающие	энергией	порядка
1 Мэв	и выше, осуществляют атомные смещения				путем
прямого кулоновского		взаимодействия с ядрами		твердого
тела.
Д л я	целей радиационной физики		твердого тела		элек

троны являются наиболее удобными частицами. Дело в

том,	что энергию	падающих	электронов можно		точно
контролировать, а		это в свою	очередь	позволяет	опре
делять такие величины как пороговая				энергия	смеще
ния	атомов, тип возникающих		повреждений и д а ж е та

кую тонкую вещь, как расстояние, на которое вылетает


выбитый атом из		своего	узла	в	решетке. К			удобствам
электронного облучения			дл я некоторых			целей		относится
т а к ж е и то, что на один			бомбардирующий				электрон		при
ходится	один, от силы два смещенных					атома. Это			поз
воляет	проводить	количественные			измерения.
К недостаткам		электронной		бомбардировки				относит
ся быстрое замедление этого типа					частиц		в веществе в
силу того, что они несут			заряд	и	интенсивно			обменива

ются энергией с электронами твердого тела. Поэтому

лишь только на тонких образцах					(порядка		0,5—2		мм, в
зависимости	от	атомного		номера	мишени		и	энергии
электронов) можно получить объемный эффект.
Примечательно,			что интенсивность			пучка		электро
нов измеряют	в	единицах		электрического тока, т. е. в
•амперах и его частях, при				этом плотности тока, напри
мер, в 1 мка/см"2			отвечает	плотность		бомбардирующих
частиц 6,24101 2 электрон/см2				сек.
К недостаткам			электронной		бомбардировки				отно

сится т а к ж е интенсивный нагрев материала,						который воз
никает во время облучения, если не принять							специаль
ные меры	для	охлаждения	образцов. Так,				металли
ческие образцы,		облучаемые		в	условиях		комнатных
температур электронами энергии					~ 4 Мэв,"	нагреваются
на несколько градусов у ж е при токе 2 мка/см2,							а при токе
100—150 мка/см2		они могут	расплавиться.
Ионы	и осколки ядер,		как	уж е указывалось, могут

возникать при рассеянии нейтронов и некоторых других •частиц на ядрах узлов решетки. При этом из выбитого


атома или с осколка		ядра		мгновенно	срывается элек
тронная	оболочка — вся		или частично,		в зависимости
ют энергии, которую		получил		вторичный снаряд от на
летевшей	частицы или в		результате ядерной реакции.

Таким образом, выбитый атом или осколок ядра ста новится многократно ионизированным. В силу этого на него будут действовать очень сильное электростатичес кое и электромагнитное торможение в решетке. С умень шением кинетической энергии снаряда уменьшится и' степень его ионизации. В конце своего пути атом или осколок ядра приобретет электроны и станет нейтраль ным. Однако до полной остановки в решетке он еще до ставит много беспокойств соседям, взаимодействуя с ни ми подобно бильярдным шарам . Только в этом случае сталкивающиеся сферы у ж е будут ограничены элек тронными оболочками атомов.

§ 3. Каскад смещений атомов

После первых произведенных смещений, иницииро ванных энергичными частицами, процесс выбивания атомов может продолжаться по цепной реакции, пока энергия налетевшей частицы не будет полностью поде лена между узлами решетки. В отдельных случаях, при больших энергиях бомбардирующих нейтронов, каскад смещений оказывается настолько велик, что можно уверенно говорить о локальном расплавлении решетки. Такие области могут иметь протяженность в несколько десятков и сотен межатомных расстояний. На рис. 2 был показан поврежденный участок решетки, который можно рассматривать как локальное расплавление ре шетки.

Особенно часто зоны локального расплавления	или,
как их еще называют, «пики смещения», образуются	под

воздействием осколков ядер. Около 20 сортов атомов могут раскалываться под воздействием нейтронного об лучения, т. е. при неупругом рассеянии нейтронов и за


хвате	нейтрона ядром атома. Ядро			раскалывается на две
части, к а ж д а я из которых			несет энергию от 50 до			100	Мэв
(более	легкий	осколок	уносит	большую	энергию, а
более	тяжелый — меньшую часть			энергии). К а ж д ы й			ос
колок	начинает	двигаться	с высокой скоростью			и,	как
у ж е говорилось		выше, становится		многократно		ионизи
рованным. Как		правило, з а р я д осколка в			5—6 раз		пре

вышает заряд электрона. При этом, по рассмотренному выше механизму, возникает сначала сильное электрон-

мое торможение, а затем смещение атомов. Число пер вично выбитых атомов оказывается равным нескольким десяткам, а поскольку каждый из этих атомов несет энергию в 40—60 Мэв, то они сами становятся источ ником новых смещений и окончательное число выбитых атомов составляет уж е 10'1—105 атомов, т. е. происходит лавинообразное накопление смещенных атомов после каждого распада ядра и образования осколков деле ния.


	Представляет				интерес, как долго			разворачиваются
эти	события в решетке.					Теоретические		расчеты		показа
ли,	что		весь	каскад		смещений	завершается			за	время
порядка			1 0 - и	сек	или, учитывая, что время				одного		теп
лового		колебания атома составляет					Ю -	1 3 сек, лавина сме
щений		происходит			не дольше, чем требуется				времени на
100	атомных			колебаний. Конечно,			при	такой		скоротеч

ности процесса локальное расплавление решетки носит условный характер. Можно лишь говорить о практичес ки мгновенно возникающем хаосе и перемешивании ато мов в локальных участках кристаллической решетки. О структуре этих мест решетки после облучения известно мало. Наиболее вероятно они содержат вакансии с вы сокой плотностью распределения и окружены кольцевой областью с повышенной концентрацией внедренных ато мов.

§4. Влияние кристаллической решетки

До этого мы рассматривали действие облучения на

твердое	тело так, ка к если бы	атомы	занимали	произ
вольное	положение. На самом	деле	атомы в	твердом

теле расположены упорядочение, откуда собственно и

происходит

название

кристаллическая

решетка.

Такое

упорядоченное расположение

атомов

оказывает большое

влияние

на

различные

свойства

твердого

тела,

а по

скольку

каждое

свойство познается

через

воздействие

на

объект,

то

упорядоченное

расположение

атомов

должно,, в частности,

оказать

влияние

на

процесс вы

бивания

атомов,

на

процесс

накопления

радиационных

дефектов.

П р я м ы е опыты подтвердили эти предположения.

Оказалось,

что передача

энергии

от

налетевшей

части

цы

происходит

предпочтительно

вдоль

направлений

плотной упаковки атомов в решетке, причем этот про цесс в некоторых случаях может конкурировать с кас

кадным смешением		атомов.
Перед	началом	игры в	бильярд	один	из	игроков
ударом в вершину треугольной пирамиды					разгоняет ша
ры по полю. Самый		сильный	толчок	получают		наиболее
удаленные	от направления удара шары — те, что л е ж а т

в двух других вершинах. Причина этого явления заклю

чается в том, что энергия удара				передается			преимущест
венно вдоль наиболее плотных рядов						бильярдных			ша
ров.
Примерно такая ж е ситуация возникает в кристал
лической решетке при прохождении					сквозь		нее	быстрых
частиц. В процессе		упругих столкновений частицы							с	уз
л а м и решетки от направления				ее движения			отпочковы
ваются так	называемые фокусоны — цепочки							парных
столкновений, длина которых зависит от							направления
первичного	удара	и	энергетической		пригодности данно
го направления для			распространения			импульса			энер
гии.
Фокусирующиеся			столкновения,		вероятно,			возника
ют часто: при тепловых ударах, в					актах		пластической
деформации,	при	облучении		быстрыми			частицами			и
т. д. Однако, пожалуй, только в последнем							случае		уда
ется их наблюдать в чистом виде.
П а д а ю щ и е частицы вызывают возбуждение								отдель
ных атомов,	которые		в свою очередь		стремятся			передать

приобретенную энергию соседям по решетке в направ лении удара . Следовательно, в изотропных средах сле дует ожидать по тем ж е направлениям'возникновения цепочки возбужденных атомов. В противоположность этому, в анизотропных периодических структурах, на пример, в кристаллах лидия, кадмия, цинка и др., дальнейшие столкновения могут произойти в самых неожиданных направлениях, однако всегда связанных с наиболее плотными рядами атомов.

Чем объясняется предпочтительность плотных направле

ний? Д л я	того, чтобы ответить на этот		вопрос, рассмотрим
в решетке	цинка (рис.'3)	две цепочки	эквивалентных	ато
мов с большим N — N и		малым М — М межатомным		рас
стоянием.
Допустим, головные атомы получили под некоторым				уг
лом v одинаковой силы удар. Первый атом выходит из				по-

<<< < Предыдущая 1 23 / 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ

#
23.10.20235.78 Mб19Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике.pdf
#
29.10.20232.76 Mб11Трикоз Ю.С. Ремонт и налаживание радиоприемников.pdf
#
21.10.202310.18 Mб26Трилор, Л. Введение в науку о полимерах.pdf
#
29.10.20233.77 Mб3Трифонов Д.Н. Прометий - элемент № 61 (опыт биографии химического элемента) пособие для учителей.pdf
#
30.10.202363.87 Mб10Трифонов, Дмитрий Николаевич. Редкоземельные элементы.pdf
#
23.10.20235.14 Mб16Троицкий О.А. Радиация и прочность твердых тел.pdf
#
29.10.20231.55 Mб14Троицкий Ю.В. Оптические квантовые генераторы.pdf
#
23.10.20238.36 Mб9Тронов В.П. Обезвоживание и обессоливание нефти из опыта работы об-ния Татнефть.pdf
#
23.10.20237.31 Mб11Трофименков Ю.Г. Полевые методы исследования строительных свойств грунтов.pdf
#
20.10.20238.31 Mб4Трофимов, А. М. Основы аналитической теории развития склонов (на примере осыпных и делювиальных).pdf
#
22.10.202316.53 Mб34Трофимов, В. С. Янтарь.pdf