Физика твердого тела

Инженерная графика
Начертательная геометрия
Практикум решения задач
Инженерная графика
Спецификация
Правила нанесения размеров
Выполнение чертежей деталей
Решение метрических задач
Единая система конструкторской
документации
Машиностроительное черчение
База графических примеров
Геометрическое черчение
Начертательная геометрия
Метод проецирования
Комплексный чертеж линии
Комплексный чертеж
пространственной кривой
Классификация поверхностей
Конические сечения
Поверхности вращения второго порядка
Метрические задачи
Информатика
Концепция организации локальных сетей
Типы глобальных сетей
Управление системами
Ядерные программы
Программа развития ядерной энергетики
Программа развития АЭС до 2050 г
Гидроэлектростанции
Развитие ядерной индустрии
в странах мира
Ядерная программа Индии
Получение плутония
Ядерная программа Пакистана
Ядерная программа Южно-африканской
республики
Эволюция ядерных арсеналов
Создание энергетики на базе реакторов
на тепловых нейтронах
Ядерно-энергетические комплексы
Энергетическая  безопасность
Реакторы на быстрых нейтронах
Физические основы ядерной индустрии
Деление атомных ядер под действием
нейтронов
Бета-излучение
Радиация проникающая
Источник Y-излучения
 

 

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем. В настоящее время оно широко используется в науке, технике, медицине, промышленности. Радиактивные элементы естественного происхождения присутствуют повсюду в окружающей человека среде.   Радиация - обобщенное понятие. Оно включает различные виды излучений, часть которых встречается природе, другие получаются искусственным путем. Электромагнитное излучение имеет широкий спектр энергий и различные источники: гамма-излучение атомных ядер и тормозное излучение ускоренных электронов, радиоволны Различные виды радиации по разному взаимодействуют с веществом в зависимости от типа испускаемых частиц, их заряда, массы и энергии. Заряженные частицы ионизируют атомы вещества, взаимодействуя с атомными электронами.    Прохождение электронов и позитронов через вещество отличается от прохождения тяжелых заряженных частиц. Главная причина - малые массы покоя электрона и позитрона. Это приводит к относительно большому изменению импульса при каждом столкновении, что вызывает заметное изменение направления движения электрона или позитрона и как результат - электромагнитное радиационное излучение.

Удельные потери электронов с кинетической энергией (Е) складываются из суммы ионизационных и радиационных потерь В связи с отсутствием у нейтронов электрического заряда они проходят в веществе без взаимодействий сравнительно большие расстояния, измеряемые сантиметрами Ослабление узкого коллимированного пучка нейтронов тонким слоем вещества происходит по экспоненциальному закону При прохождении через вещество фотоны (гамма-кванты) взаимодействуют с атомами, электронами и ядрами, в результате их интенсивность уменьшается. В органах и тканях биологических объектов как и в любой среде при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучений. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии.

Действие ионизирующих излучений представляет собой сложный процесс. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, ее мощности, вида излучения, объема облучения тканей и органов Для описания влияния ионизирующих излучений на вещество используются следующие понятия и единицы измерения Поглощенная доза - основная дозиметрическая величина. Коллективная эффективная эквивалентная доза По отношению к облучению население делится на 3 категории

Избежать облучения ионизирующим излучением невозможно В результате ядерных реакций, идущих в атмосфере (а частично и в литосфере) под влиянием космических лучей, образуются радиоактивные ядра - космогенные радионуклиды В настоящее время на Земле сохранилось 23 долгоживущих радиоактивных элемента с периодами полураспада от 107 лет и выше В организме человека постоянно присутствуют радионуклиды земного происхождения, поступающие через органы дыхания и пищеварения.  В результате деятельности человека во внешней среде появились искусственные радионуклиды и источники излучения

Радиологические последствия испытаний ядерного оружия определяются количеством испытаний, суммарными энерговыделением и активностью осколков деления, видами взрывов (воздушные, наземные, подводные, надводные, подземные) и геофизическими факторами окружающей среды в период испытаний (район, метеообстановка, миграция радионуклидов и др.). Испытания ядерного оружия, которые особенно интенсивно проводились в период 1954-1958 и 1961-1962 гг. стали одной из основных причин повышения радиационного фона Земли и, как следствие этого, глобального повышения доз внешнего и внутреннего облучения населения. Сведения об испытаниях ядерного оружия в атмосфере и вызванных ими образованиях различных радионуклидов.   Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции. Преимущество атомной энергетики состоит в том, что она требует существенно меньших количеств исходного сырья и земельных площадей, чем тепловые станции, не загрязняет атмосферу дымом и сажей. Опасность состоит в возможности возникновения катастрофических аварий реактора, а также в реально не решенной проблеме утилизации радиоактивных отходов и утечке в окружающую среду небольшого количества радиоактивности. Данные о работающих и строящихся АЭС Прогнозируемые перспективы развития ядерной энергетики

В процессе работы ядерных реакторов в них накапливается огромное количество продуктов ядерного деления и трансурановых элементов Долгоживущие продукты выброса (137Сз, 90Ce,85Кг и др.) распространяются по всему земному шару.

Воздействие радиации на человека

Эффекты воздействия радиации на человека обычно делятся на две категории Стохастические (вероятностные) эффекты, такие как злокачественные новообразования, генетические нарушения, могут возникать при любых дозах облучения. Наиболее интенсивно облучаются органы, через которые поступили радионуклиды в организм (органы дыхания и пищеварения), а также щитовидная железа и печень Исследования, охватившие примерно 100000 человек, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, показывают, что рак - наиболее серьезное последствие облучения человека при малых дозах. Меры радиационной защиты персонала и населения регламентируются нормами радиационной безопасности (НРБ-76/87) и основными санитарными правилами (ОСП-72-87).

Примеры решения задач

Рассчитать суммарную активность трития, образовавшегося в результате испытания ядерного оружия до 1970 г., если общий эквивалент ядерных взрывов составил 220 М

Студент предполагает использовать источником 90Sr, имеющим активность А=270МБк и содержащимся в стеклянной пробирке, в качестве защиты только плотные перчатки. Не опасно ли это ?

В организм человека попало 10 мг 55Fe. Найти значение поглощенной дозы за 10-летний период. Период полураспада 55Fе =-2.9 года. Q=0.22 МэВ.

Какова поглощенная доза в организме человека в течении 10 лет, если через органы дыхания в него попало 100 мкг изотопа 239Pu ? Период полураспада 239Pu равен 2.4*104 лет.

 

Металлы - наиболее распространенный класс материалов. Они составляют более 3/4 всех элементов. Что отличает металлы от других материалов: полупроводников, изоляторов? Валентные электроны в металле принадлежат всему кристаллу МСЭ - теория свободных электронов, т.е. электронов не взаимодействующих с ионными остатками. Это крайняя идеализация - взаимодействие с ионами всегда присутствует: движение электронов ограничено размерами образца именно за счет этого взаимодействия. Энергия связи. Схема расчетов Эвальда: гауссовы шапки положительных и отрицательных зарядов, отрицательный заряд усредняется

Наиболее впечатляющим успехом модели Друде явилось объяснение эмпирического закона Видемана и Франца   Одной из характеристик металла, не зависящей от времени релаксации tau1 , является коэффициент Холла. Согласно классической статистике, которой должен подчиняться газ свободных электронов, на каждую степень свободы должна приходиться энергия Уравнение Шредингера для свободных электронов. Характеристики фермиевских электронов для стандартного металла Пиппарда

Уравнение Шредингера для электрона в периодическом потенциале Доказательство теоремы Блоха Зоны Бриллюэна и энергетические зоны Для описания общего вида зонной структуры вещества часто бывает вполне достаточно воспользоваться приближением "пустой" решетки, т.е. решетки потенциал взаимодействия в которой пренебрежимо мал, U(r) = 0   В приближении слабого периодического потенциала (СПП) состояние электронов, описываемое ур. Ш., подвержено лишь слабому возмущающему воздействию со стороны ионов

Энергетические уровни вблизи одной из брэгговских плоскостей. Энергетическая щель Волновую функцию вида |ψ(r)|2 ~ (cos (1/2Gr))2 называют "s-типа" по аналогии с атомными волновыми функциями Энергетические зоны в одномерном случае Построение поверхности Ферми Приближение сильной связи применимо к тем случаям, когда перекрытие атомных волновых функций достаточно велико, чтобы приводить к необходимости введения поправок в представление об изолированных атомах, но в то же время не столь существенно, чтобы сделать атомное описание совершенно неправомочным.

Любая блоховская функция может быть представлена в виде разложения по узлам решетки. При этом функцию Ф(r) называют функцией Ванье Другие методы расчета зонной структуры Метод присоединенных плоских волн (ППВ) Вариационный принцип. Поскольку всякая ППВ имеет разрыв производной на границе между атомной и междоузельной областями, лучше использовать не уравнение Шредингера, а эквивалентный ему вариационный принцип. Метод гриновских функций Корринги, Кона, Ростокера (ККР)

Метод ортогонализованных плоских волн (ОПВ) Метод псевдопотециала (ПП) возник как обобщение метода ОПВ Итак, на предыдущих лекциях мы познакомились с квантомеханическим подходом к описанию поведения электрона в периодическом поле решетки Браве. Мы узнали также какими методами решается уравнение Шредингера для электронов, волновая функция которых удовлетворяет условию Блоха. В классической механике электрон обладает траекторией, т.е. помимо энергии, в данный момент времени - координату и производные координаты по времени - скорость/импульс, ускорение и т.д. Основные положения полуклассической модели

Электронные, дырочные и открытые орбиты Уровни Ландау для свободных электронов в магнитном поле В соответствии с классической механикой движения заряда в магнитном поле, приравнивая центростремительную силу силе Лоренца Форма поверхности Ферми определяет ряд свойств и важных характеристик металлов Экстремальные орбиты. Реакция системы из N-электронов на магнитное поле исходит из вкладов всех сечений или всех орбит.

Аномальный скин-эффект Эффект Азбеля-Канера. Зонная структура некоторых металлов Двухвалентные металлы До сих пор мы рассматривали статическую решетку. В теории Блоха подразумевается, что атомы жестко закреплены в узлах решетки Браве. В реальной решетке узлы решетки соответствуют положению равновесия, определяемому минимумом потенциала атомного взаимодействия Нормальные моды одномерной моноатомной решетки Браве Нормальные моды одномерной двухатомной решетки Несмотря на простоту одномерных случаев, они выявляют важнейшие свойства, характерные для двух и трехмерных решеток: существование акустических и оптических дисперсионных мод колебаний, роль межатомных короткодействующих и дальнодействующих сил. В 2D и 3D случаях возникает лишь одна дополнительная характеристика, связанная с поляризацией волн в решетке. Теплоемкость вещества, отнесенная к 1 моль вещества, - это энергия, которую необходимо сообщить этому количеству вещества, чтобы повысить его температуру на 1К. В 1818 г. П.Дюлонг и А.Пти (P.Dulong and A.Petit) экспериментально установили закон, согласно которому теплоемкость всех твердых тел при достаточно высокой температуре есть величина постоянная , не зависящая от температуры и составляющая около 3Rneaeq25 Дж/( моль К) - значение Дюлога-Пти, т.е. при нагревании любого вещества на 1К каждый атом поглощает одинаковое количество энергии neaeq.gif (64 bytes)3kB Теплоемкость при высоких Т Теплоемкость при промежуточных Т Как уже обсуждалось в начале этой лекции, согласно классической статистике свободный электронный газ должен был бы давать существенный вклад в теплоемкость Плотность электронных уровней в периодическом потенциале Для экспериментального исследования дисперсии нормальных мод omegas(k) используются, в основном, рассеяние нейтронов и фотонов. Энергию, теряемую (или приобретаемую) нейтроном за счет взаимодействия с кристаллом, можно считать связанной с испусканием (поглощением) фононов

В случае бесфононного рассеяния - процесс является упругим, энергия не изменяется, а квазиимпульс может измениться на величину h/ G Рассеяние фотонов описывается теми же законами сохранения, что и нейтронов. Однако, количественное соотношение между энергией и импульсом у фотонов совсем другое    Если бы решетка была стационарной, как это считалось при рассмотрении, например, зонной теории, то потенциальная энергия кристалла была бы равна сумме вкладов от всех различных пар Тепловое расширение твердых тел. Температурная зависимость коэффициента расширения. Параметр Грюнайзена

Электронная составляющая в коэффициенте расширения Теплопроводность. Теплопроводность в моделях независимых электронов Теплопроводность блоховских электронов. В идеальном кристалле волновая функция электронов "живет" бесконечно долго. Температурная зависимость теплопроводности решетки Теплопроводность металлов должна складываться из теплопроводности фононной (теплопроводность решетки) и электронной подсистем

Электрические свойства. Основы теории рассеяния Неравновесная функция распределения электронов Более строгий подход не должен опираться на приближение времени релаксации, поскольку последнее предполагает, что форма неравновесной электронной функции распределения не оказывает никакого влияния ни на частоту столкновений данного электрона, ни на распределение электронов после столкновения. Время релаксации при рассеянии электронов в изотропной среде Статическая электропроводность в полуклассической модели

   Среди механизмов рассеяния наиболее важными являются электрон-фононное, электрон-электронное, примесное, изотопное, на торцах образцов и на дефектах. Механизм рассеяния электронов электронами таков: частица 1 извне Ферми- распределения взаимодействует с частицей 2 внутри поверхности Ферми. Электрон-фононное рассеяние: высокие и низкие температурные области До сих пор мы рассматривали N-процессы, когда квазиимпульс сохраняется С именем Р. Паерлса (R.E. Peierls) связан еще один возможный эффект, который, правда, еще не наблюдался. Паерлс обратил внимание, что при некоторых условиях сопротивление при низких температурах может падать быстрее, чем по закону Т5.

Эксперимент показывает, что нельзя избавиться от конечного остаточного сопротивления в металле, если не очистить последний изотопически Высокочастотная электропроводность металла Плазменная частота. Прозрачность щелочных металлов для УФ излучения Колебания плотности заряда. Плазмоны Цвет металлов определяется зависимостью его коэффициента отражения

Межзонные переходы могут быть либо переходами из зоны проводимости на незанятые уровни более высокой (по отношению к уровню Ферми) зоны, либо переходами из занятых уровней нижней зоны на незанятые уровни на поверхности Ферми Оптические свойства благородных металлов определяются наличием d-зон Явление магнетизма получило название от свойства кусков железной руды - магнетита (Fe3+[Fe2+Fe3+]O4, которые были обнаружены вблизи древнего города Магнезия. Восприимчивость диамагнетиков, парамагнетиков, ферромагнетиков и ферримагнетиков Гамильтониан взаимодействия атомов и молекул с магнитным полем, расщепление уровней

Ларморовский диамагнетизм атомов с полностью заполненными внутренними оболочками Парамагнетизм Закон Кюри-Бриллюэна Если кристалл состоит из атомов, не имеющих недостроенные внутренние оболочки, то внутренние оболочки слабо подвержены влиянию соседних атомов решетки Парамагнетизм группы железа Расщепление внутрикристаллическим полем Замораживание орбитального углового момента. Парамагнитная и диамагнитная восприимчивость электронов проводимости Помимо парамагнетизма Паули электроны проводимости обладают диамагнетизмом, обусловленным взаимодействием спина электрона с внешним полем H. В сильных полях, низких т-рах и в чистых материалах - осцилляции М(H) - эффект де Гааза-ван Альфена при условии ωcτ = eBτ/mc >> 1 Правило Рассела-Саундерса состоит а утверждении, что полный орбитальный момент атома J формируется как сумма полных орбитальных моментов и полных спинов электронов, т.е.

К ферромагнетикам относятся такие вещества, которые обладают т.н. спонтанной намагниченностью,
т.е. М noneqv 0 при Н = 0 Закон Кюри-Вейсса Наряду с классическим кулоновским взаимодействием, гамильтониан содержит чисто квантовый член, зависящий от ориентации спинов. Этот вклад обусловлен обменным взаимодействием Прямой обмен - непосредственный обмен между магнитными ионами (модель Гейзенберга).
    Сверхобмен - обмен через немагнитного атома-посредника.
    Косвенный обмен (С.П.Шубин, С.В. Вонсовский) - обмен через электроны проводимости. Характерен для РЗ-металлов. Антиферро-, ферри-магнетизм Условие ферримагнетизма Антиферромагнетик - скомпенсированный ферримагнетик Восприимчивость антиферромагнетиков ниже температуры Нееля Ферромагнитные домены Ландау и Лифшиц показали, что образование доменной структуры является следствием конкуренции нескольких вкладов в полную энергию ферромагнетика

Наведенная или ориентационная анизотропия создается искусственно с помощью особой технологии обработки исходного материала, например, при холодной прокатке, отжиге в магнитном поле или в поле внешних упругих напряжений, перекристаллизации в магнитном поле, напылении пленок в присутствии магнитного поля, напылении пленок под углом и т.п. Магнитоупругая энергия Домены отделены друг от друга границами, в которых осуществляется изменение ориентации спина. Если поворот вектора намагничения при этом не выходят из плоскости yz (см. рис 14.5а), то эти границы называют стенками Блоха. Неелевские границы Все выше рассмотренные структуры, в том числе доменная структура Ландау-Лифшица с замкнутым магнитны потоком, имеют сверу вид параллельных полос равной толщины. Данные структуры такого типа называют полосовыми доменными структурами или страйп-структурами

Лекции курсовые задачи чертежи лабораторные - математика, физика, ТОЭ, инженерная графика