Законы классической термодинамики не могут установить, почему протекают необратимые процессы, почему все реальные процессы – необратимы. Для необратимых процессов энтропия не определяется только как функция состояния.
Для того чтобы определить скорость теплопереноса, мы должны использовать новые физические принципы, а именно ввести законы переноса, которые не являются составной частью классической
термодинамики. Это, например, законы теплообмена Фурье, Ньютона, Стефана-Больцмана и др. Но очень важно помнить, что описание
теплопереноса требует, чтобы новые (дополнительные) физические принципы не противоречили фундаментальным термодинамическим законам
конец
41
ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ‒ потоки фотонов или частиц, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов или молекул. Различают фотонное (электромагнитное) и корпускулярное ионизирующие излучения.
Кфотонному ионизирующему излучению относят вакуумное УФ и характеристическое рентгеновское излучения, а также излучения, возникающие при радиоактивном распаде и др.
ядерных реакциях (главным образом γ-излучение) и при торможении заряженных частиц в электрическом или магнитном поле ‒ тормозное рентгеновское излучение, синхротронное излучение.
Ккорпускулярному ионизирующему излучению относят потоки α- и β-частиц, ускоренных ионов и электронов, нейтронов, осколков деления тяжелых ядер и др. Заряженные частицы ионизируют атомы или молекулы среды непосредственно при столкновении с ними (первичная ионизация).
Если выбиваемые при этом электроны обладают достаточной кинетической энергией, они также могут ионизировать атомы или молекулы среды при столкновениях (вторичная ионизация); такие электроны называются δ-электронами.
Фотонное излучение может ионизировать среду как непосредственно (прямая ионизация), так и через генерированные в среде электроны (косвенная ионизация); вклад каждого из этих путей ионизации определяется энергией квантов и атомным составом среды.
Потоки нейтронов ионизируют среду лишь косвенно, преимущественно ядрами отдачи. Пространственно-временное распределение заряженных частиц или квантов,
составляющих ионизирующее излучение, называется его полем.
Основные характеристики ионизирующего излучения: поток ионизирующие излучения Фn =
dN/dt, где dN - число частиц, падающих на данную поверхность за интервал времени dt; плотность потока jn = dФn/dS, где dФn - поток, приходящийся на площадь
поперечного сечения dS поглощающего объема; поток энергии Ф =dE/dt, где dE - суммарная энергия излучения (за исключением энергии массы покоя); энергетический спектр ионизирующего излучения - распределение составляющих его частиц и фотонов по энергиям. Количество энергии, переданной ионизирующим излучением единице массы среды, называется
поглощенной дозой излучения. |
42 |
|
Все виды ионизирующих излучений характеризуются так называемой линейной передачей энергии (ЛПЭ) - энергией, переданной среде ионизирующей частицей в заданной окрестности ее траектории на единицу длины. ЛПЭ может принимать значения от 0,2 (высокоэнергетические фотоны и электроны) до 104 эВ/нм (осколки деления тяжелых ядер).
Взаимодействие излучения со средой. При прохождении ионизирующего излучения в среде возможны упругое рассеяние частиц, составляющих излучение, и неупругие процессы.
При упругом рассеянии кинетическая энергия относительного движения частиц остается постоянной, но меняется направление их движения, т.е. поток ионизирующего излучения рассеивается;
при неупругих процессах кинетическая энергия ионизирующего излучения расходуется на ионизацию и возбуждение частиц среды.
Для потока электронов характерны упругое рассеяние на ядрах атомов среды и неупругие процессы - ионизация и возбуждение атомов и молекул при взаимодействии с их электронными оболочками (ионизационные потери) и генерация тормозного излучения при взаимодействии с атомными (радиационные потери).
Если энергия электронов не превышает 10 МэВ, во всех средах преобладают ионизационные потери. Для потока ускоренных ионов ионизационные потери доминируют при всех энергиях. Энергия, передаваемая заряженной частицей данному веществу на единице длины ее пути, называется тормозной способностью вещества sm = dE/dl (dE - энергия, теряемая частицей при
прохождении элементарного пути dl). Значение sm снижается с увеличением энергии заряженных
частиц и растет с повышением атомного номера элемента, из которого состоит вещество среды. Глубина проникновения заряженных частиц в вещество характеризуется пробегом R; в
воде для ионов Не2+ с энергией 5,3 МэВ R составляет 39 мкм, для электронов с энергией 5 МэВ ‒ 2,5 см.
43
ЭЛЕКТРОН (символ е- , е), стабильная элементарная частица с наименьшим отрицательным
электрическим зарядом.
Абсолютная величина заряда электрона e= 1,6021892 x 10-19 Кл, или 4,803242 x 10-10 ед. СГСЕ.
Масса покоя электрона |
т = 9,109534 x 10-28 |
г. |
|
е |
|
В классической электродинамике электрон рассматривается как частица, движение которой подчиняется уравнениям Лоренца-Максвелла. Сформулировать понятие "размер электрона" можно лишь условно, хотя величину r0 = е2/тес2 и принято наз. классическим радиусом электрона
электрон входят в состав всех атомов и молекул; они определяют многие оптические, электрические, магнитные и химические свойства вещества. Удаление электрона из нейтрального атома или молекулы на бесконечность приводит к появлению положительного иона. присоединение электрона - к отрицательному иону; минимальная энергия, необходимая для удаления электрона, либо выделяющаяся при присоединении электрона, - важная характеристика частицы, определяющая ее
окислительно-восстановительную способность.
В химии с электрон связывают образование различных квантовых состояний молекул.
Согласно адиабатическому приближению, электроны молекулы движутся в фиксированном поле ядер, которое считается внешним по отношению к системе электронов. Возникновение химической
связи между атомами обусловлено более сильным понижением электронной энергии системы при
сближении атомов по сравнению с увеличением энергии отталкивания ядер. Анализ энергии системы электронов при различной геометрической конфигурациях ядер позволяет судить о
наиболее стабильных (равновесных) конфигурациях молекул, относительной стабильности различных конформеров, колебательно-вращательных уровнях для каждого из электронных состояний и, что весьма важно, - о возможных путях и механизмах превращений химических соединений. Распределение электронной плотности в веществах - реагентах и изменение этого распределения при химическом взаимодействии учитывается при изучении динамики элементарного акта реакции
Электрон считается материальным носителем наименьшей массы в природе |
|
m , равной 9,1×10-28 г (в энергетических единицах ≈0,511 МэВ) и наименьшего |
|
e |
|
отрицательного электрического заряда e = 1,6×10-19 Кл. |
44 |
|
Источники электронов
45
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) явилась одним из перспективных и быстро развивающихся способов соединения различных металлов, в первую очередь тугоплавких, химически активных и разнородных, качественных сталей, высокопрочных сплавов на основе алюминия и титана.
Электронно-лучевая сварка основана на использовании тепла, которое выделяется при торможении остросфокусированного потока электронов, ускоренных до высоких энергий. Явление термического воздействия электронных пучков на твердые материалы было известно давно.
Вчастности, это явление было отмечено в докладе В. Гроува, прочитанного в Лондонском Королевском обществе в апреле 1852 г.
Однако только благодаря развитию вакуумной техники и электронной оптики этот источник нагрева получил широкое применение сначала в сварочной, а затем в металлургической технике. Толчком, послужившим поиску новых способов соединения материалов, явились трудности сварки таких металлов, как молибден, тантал, ниобий, вольфрам, цирконий, которые обнаружились в середине 60-х гг. прошлого века. Эти металлы составляют группу трудносвариваемых, так как обладают высокими температурой плавления и химической активностью. Это предполагает использование высококонцентрированных источников тепла и серьезной защиты зоны сварки.
Впроцессе ЭЛС в вакууме порядка 10-4 мм рт.ст. обеспечивается практически полное отсутствие примеси вредных газов. Высокая концентрация энергии в электронном луче до 109 Вт/см2 при минимальной площади пятна нагрева до 10-7 см2 способствует уменьшению термических деформаций при сварке, незначительным структурным превращениям в зоне нагрева и обеспечивает формирование сварного шва с ярко выраженной кинжальной формой проплавления.
46
Разработка техники и технологии ЭЛС связана с работами французских и американских инженеров Д.А. Стора, Д. Бриолы, В.Л. Вимена, которые были опубликованы в 1957-58 гг. В эти же годы в СССР в Московском энергетическом институте под руководством Н.А. Ольшанского и Институте электросварки им. Е.О. Патона под руководством Б.А. Мовчана независимо от работ иностранных ученых также были проведены исследования по применению электронно-лучевой сварки.
Процесс сварки реализуется в специальных установках, принципиальная схема одной из них изображена на рисунке
Принципиальная схема установки для электронно-лучевой сварки: |
|
|
1 |
– высоковольтный источник питания; 2 – магнитное отклоняющее устройство; |
|
3 |
– телескопическое устройство для наблюдения; 4 – сварочная камера; 5 |
– |
электронная пушка; 6 – вентиль; 7 – диффузионный насос; 8 – освещение; |
9 – вакуумный |
|
вентиль; 10 – роторный форвакуумный насос; 11 – пульт управления движением |
||
детали; 12 – электрический пульт управления |
47 |
|
ИОНЫ (от греч. - идущий), одноатомные или многоатомные частицы, несущие электрич. заряд, например Н+, Li+, Аl3+, NH4+, F-, SO42-. Положительные ионы называют катионами (от греч. kation, буквально - идущий вниз), отрицательные - анионами (от греч. anion, буквально идущий вверх). В своб. состоянии существуют в газовой фазе (в плазме). Положительные ионы в газовой фазе можно получить в результате отрыва одного или неск. электронов от нейтральных частиц при сильном нагреве газа. действии электрич. разряда, ионизирующих излучений и др. Поглощаемую при образовании однозарядного положит. ионы энергию называют первымпотенциалом ионизации (или первой энергией
ионизации), для получения двухзарядного ионы из однозарядного затрачивается вторая энергия ионизации и т. д. Отрицат. ионы образуются в газовой фазе при присоединении к частицам своб. электронов, причем нейтральные атомы могут присоединять не более одного электрона; отрицат. многозарядные одноатомные ионы в индивидуальном состоянии не существуют. Выделяющаяся при присоединении электрона к нейтральной частице энергия
наз. сродством к электрону. В газовой фазе ионы могут присоединять нейтральные молекулы и образовывать ионмолекулярные комплексы. См. также Ионы в газа.. В конденсир.
фазах ионы находятся в ионных кристаллич. решетках и ионных расплавах. в растворах электролитовимеются сольватир. ионы, образовавшиеся в результате электролитич. диссоциации растворенного вещества. В конденсир. фазе ионы интенсивно взаимодействуют (связаны) с окружающими их частицами - ионыпротивоположного знака в кристаллах и в расплавах. с нейтральными молекулами - в растворах. Взаимод. происходит по кулоновскому, ион-дипольному, донорно-акцепторному механизмам. В растворах вокруг ионыобразуются сольватные оболочки из связанных с ионы молекул растворителя (см. Гидратация. Сольватация). Представление об ионы в кристаллах - удобная идеализир. модель, т.к. чисто ионной связи никогда не бывает, например, в кристаллич. NaCl эффективные заряды атомов Na и Сl равны соотв. приблизительно +0,9 и —0,9. Св-ваионы в конденсир. фазе значительно отличаются от свойств тех же ионы в газовой фазе. В растворах существуют отрицательные двухзарядные одноатомные ионы В конденсир. фазе имеется множество разл.
многоатомных ионы - анионы кислородсодержащих кислот, например NO3-, SO42-, комплексные ионы, например [Co(NH3)6]3+, [PtCl6]2-, кластерные ионы [Nb6Cl12]2+ и др 48
Источники ионов
49
Ионная имплантация
— способ введения атомов примесей в поверхностный слой материала путем бомбардировки его поверхности пучком ионов c высокой энергией (10—2000 КэВ).
Основными блоками ионно-лучевой установки являются источник ионов (ion source), ионный ускоритель, магнитный сепаратор, система сканирования пучком ионов, и камера, в которой находится бомбардируемый образец (substrate). Ионы разгоняются в электростатическом ускорителе и бомбардируют образец. Ионы ускоряются до энергий 10-5000кэВ. Проникновение ионов в глубину образца зависит от их энергии и составляет от нескольких нанометров, до нескольких микрометров. Ионы с энергией 1-10 кэВ не вызывают изменений в структуре образца, тогда как более энергетичные потоки ионов могут значительно его разрушить.
Технология ионного имплантирования разрешает внедрить заданное количество практически любого химического элемента на заданную глубину, позволяя таким образом сплавлять металлы, которые в расплавленном состоянии не смешиваются, или легировать одно вещество другим в пропорциях, которые невозможно достичь даже при использовании высоких температур. Возможно создавать композиционные системы с уникальными структурами и свойствами, существенно отличными от свойств основной массы детали.
Введение импланта в основную решетку материала возможно без «соблюдения» законов термодинамики, определяющих равновесные процессы, например, диффузию и растворимость. Ионная имплантация приводит к значительному изменению свойств поверхности по глубине:
1. слой с измененным химическим составом до 1-9 мкм; 2. слой с измененной дислокационной структурой до 100 мкм.
Сталкиваясь с электронами и ядрами мишени, ионы легирующего вещества на некоторой глубине теряют энергию и останавливаются. Если известны тип и энергия ионов и свойства обрабатываемого материала, то глубина проникновения (или длина пробега) может быть вычислена. Для пучков с типичными энергиями от 10 до 500 кэВ величина пробега достигает одного мкм. Вследствие влияния большого числа факторов, распределение внедренного вещества вдоль поверхности слое близка по форме гауссовскому распределению. Внедрение ионов в кристаллическую решетку приводит к появлению дефектов структуры. Выбитые из узлов решетки атомы вещества приводят к образованию вакансий и дефектов структуры в виде внедренных межузельных атомов. Эти же дефекты возникают при застревании ионов между узлами решетки. Скопление таких дефектов образует дислокации и целые дислокационные скопления