Эффект твердого тела

Изотопические эффекты в твёрдых телах [c.63]

Изотопические эффекты в твёрдых телах, являясь чисто квантовыми эффектами, обусловлены почти исключительно различием в массах изотопов. Именно они и будут рассмотрены в настоящем обзоре. Другие физические величины, которые имеют разные значения у разных изотопов, такие как магнитный и квадрупольный моменты ядра, сечения поглощения и рассеяния нейтронов, практически не оказывают влияния на свойства твёрдого тела как такового [1]. Твёрдые изотопы гелия Не и Не — квантовые кристаллы — практически не рассматриваются в этом разделе, поскольку имеется достаточное количество литературы обзорного характера на эту тему (см., например, [c.63]

Связь между атомами в решётке твёрдого тела почти полностью обеспечивается силами электростатического притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ядрами, локализованными в узлах решётки [4]. Конфигурация электронной оболочки атома очень слабо зависит от массы ядра масштаб эффекта порядка отношения массы электрона к массе ядра Ше/М 10 4. Таким образом, потенциал взаимодействия между атомами практически не зависит от изотопа. Изотопические эффекты возникают из-за того, что движение атома в потенциале, образованном соседними атомами, определяется помимо прочего также его массой. Так, например, колебания атомов в узлах кристаллической решётки часто удаётся хорошо аппроксимировать движением в гармоническом потенциале, параметры которого зависят от объёма элементарной ячейки кристалла — квазигармоническое приближение. Энергия и квадрат амплитуды колебаний атома пропорциональны В случае, когда в кристалле имеются вращательные степени свободы, вращение атома (или группы атомов) определяется моментом инерции, который прямо связан с массой атома. В некоторых твёрдых телах при определённых условиях возникает [c.63]

ЧИСТО квантовое движение атомов — так называемое туннелирование. Вероятность туннелирования очень сильно (экспоненциально) зависит от массы туннелирующей частицы. Изотопические эффекты обнаружены в параметрах кристаллической решётки, нормальных модах колебаний решётки твёрдого тела, в электронных состояниях полупроводников, в электропроводности металлов и теплопроводности диэлектриков и полупроводников и ряде других свойствах. [c.64]

Изотопические ( массовые ) эффекты можно условно разделить на дм типа. Первый — это зависимость свойств твёрдого тела от средней массы М атома каждого из химических элементов, образующих его (М = fi [c.64]

Многие равновесные свойства твёрдых тел, в том числе и структурные, определяются в значительной мере, а в ряде случаев и полностью, ангар-монизмом потенциала взаимодействия атомов. Именно ангармонизм, наряду с колебаниями атомов (в том числе нулевыми), приводит к изотопическому эффекту в постоянной кристаллической решётки твёрдого тела. Потенциал взаимодействия Е(г) двух атомов в твёрдом теле представлен схематично на рис. 12.1.1. В первом приближении равновесное расстояние Гоо между ближайшими соседями и, соответственно, постоянная решётки определяются минимумом потенциала взаимодействия. Отметим, что потенциал не зависит от температуры и массы взаимодействующих частиц. Во втором приближении, с учётом энергии нулевых колебаний ос равновесное расстояние увеличивается и зависит теперь от массы атомов лёгкий изотоп имеет большую постоянную решётки, чем тяжёлый, поскольку энергия его колебаний больше (рис. 12.1.1,6). Отметим, что в чисто гармоническом потенциале изотопический эффект отсутствует (рис. 12.1.1, а). При Т = 0 К поправка к Гоо, обусловленная нулевыми колебаниями, пропорциональна Различие между изотопами оказывается наибольшим при низких температурах и уменьшается с ростом температуры. Для обычных твёрдых тел изотопический эффект небольшой, например, для изотопов лития и отношение (гб — Г7)/Г7 6 10 в то время как эффект нулевых колебаний на порядок величины больше (г7 — Гоо)/гоо 6 10 [15 [c.65]

B. . Коган [6], анализируя опубликованные экспериментальные данные, нашёл, что для веществ с аналогичным типом сил связи в твёрдом теле изотопический эффект в молярном объёме является примерно линейным по приведённой массе 1 (в случае двухатомных твёрдых тел, состоящих из атомов с массами m и М, 1//Х = 1/т + 1 /М). Наибольшие эффекты (рис. 12.1.2) наблюдаются в кристаллах с ван-дер-ваальсовскими силами связи, что обусловлено согласно формуле (12.1.2) малой величиной их модуля упругости, который на два порядка меньше, чем у металлов. [c.66]

Рис. 12.1.2. Изотопический эффект в молярном объёме у твёрдых тел с различными силами связи (по обзору [6])

Отметим, что различие в молярных объёмах у разных изотопов является одной из основных причин появления изотопических эффектов во многих других свойствах твёрдых тел, которые будут обсуждаться ниже. [c.67]

Изотопические эффекты при фазовых переходах. В твёрдых телах при изменении температуры или в результате внешнего воздействия (например, в магнитном поле, или под давлением) могут происходить фазовые превращения, например, переход металла из нормального состояния в сверхпроводящее, переход металл-диэлектрик, переход из парамагнитного в магнитоупорядоченное состояние (типа ферро- или антиферромагнитного), переход параэлектрик-сегнетоэлектрик. Замещение одного изотопа другим приводит к смещению фазовой диаграммы материала. Исследование таких эффектов часто позволяет прояснить природу фазовых переходов. Существует огромное количество публикаций на тему изотопических эффектов при фазовых переходах, которое не представляется возможным рассмотреть в данном обзоре. Мы отметим лишь некоторые работы, имеющие определённый (иногда исторический) интерес, отправляя заинтересованного читателя к опубликованным обзорам. [c.93]

Используя этот краевой эффект, можно заставить плавать твёрдые тела с весьма малым краевым углом, например, стеклянные пластинки и призмы, причём эффект может быть усилен, если снабдить поверхность пазами. [c.256]

В некоторых растворах на поверхности твёрдых тел, с ними контактирующих, может образоваться мономолекулярный слой растворенного вещества. Образовавшись, этот слой в дальнейшем не увеличивается. Подобное явление, называемое наслаиванием , может вызывать определённые затруднения при спектрофотометрических исследованиях. При проведении анализов в кювете с мономолекулярным слоем оказывается увеличенной характеристика интенсивности цвета, искажаются и цветовые характеристики (рис. 6.7). Раствор синего красителя анализируется дважды, сначала в чистой сухой кювете, и повторно после образования на стенках кюветы слоя растворённого вещества. Коэффи циент поглощения во втором случае увеличился на 1,7%, в то же время влияние его на цветовые характеристики незначительно. Однако если бы в той же кювете анализировался жёлтый краситель, влияние наслаивания на цветность было бы значительно больше. Вышеупомянутый эффект присущ не только основным красителям, но у данного класса красителей он, вероятно, проявляется особенно часто. [c.167]

В 1876 г. Гольдштейн в своих докладах Берлинской Академии наук (4 мая и 23 сентября) сообщил, что он специально изучал зелёное свечение, которое появляется в трубках обычного стекла при условии определённого давления и интенсивности разряда. Свечение стенок трубки представляет собой не флуо-, а фосфоресценцию и может меняться по цвету от зелёного до оранжевого. Отрицательное излучение, которое вызывает эту фосфоресценцию, как уже указал ранее Гитторф, является прямолинейным, выходящим в окружающее пространство со стороны отрицательного электрода... Если между катодом и светящейся зелёным цветом стенкой трубки поместить твёрдое тело, то тень его отбрасывается на стенку, так как оно не позволяет излучению с катода достигать стенки. Если это твёрдое тело через некоторое время удалить, то тень исчезает, но контуры тела остаются, выделяясь на окружающей светящейся поверхности за счёт большей яркости, и точно воспроизводят форму предшествовавшей тени . Таким образом, автор уверенно причисляет описываемое явление к тем видам свечения, которые позже (Видеман, 1888 г.) были объединены термином люминесценция. Из свойств нового свечения он отмечает могущий меняться спектральный состав, наличие заметного затухания и эффект утомления с падением яркости при длительном возбуждении. [c.8]

К настоящему времени более изучено воздействие физически активных сред. Физически активные среды могут как адсорбироваться на поверхности, так и сорбироваться объёмом полимерного материала. Адсорбция компонентов коррозионной среды приводит к изменению поверхностной энергии на фанице раздела фаз полимер - среда. К поверхностно - активным веществам (ПАВ) относят большинство органических растворимых в воде соединений кислоты, их соли, спирты, эфиры, амины, белки, большинство водных растворов сильных электролитов. Основные представления о механизме действия ПАВ на прочность твёрдых тел были даны Ребиндером. ПАВ, уменьшая свободную поверхностную энергию на фанице раздела фаз полимер - среда, облегчают зарождение и развитие поверхностных дефектов. Молекулы ПАВ проникают в устья микротрещин и действуют расклиниваюгце. Адсорбционный эффект может быть выявлен в чистом виде для полимеров, которые практически не набухают в физически активных средах (например, полистирол в водных растворах спиртов). [c.111]

Этот второй тип эффектов очевидно отсутствует в изотонически чистых и в изотонически упорядоченных твёрдых телах. [c.64]

В литературе имеется несколько обзорных публикаций по изотопическим эффектам в твёрдых телах. Первые экспериментальные исследования изотопических эффектов были проведены в основном на водород-содержащих соединениях при их дейтерировании. Замещение водорода дейтерием в соединениях с водородными связями приводит, по-видимому, к самым большим изотопическим эффектам. Изотопический эффект в геометрии водородных связей называют эффектом Уббелоде [5]. Обзор ранних работ, посвящённых в основном структурным исследованиям, сделал B. . Коган [6]. Теоретические аспекты изотопических эффектов в фазовом равновесии рассматривал Дж. Бигелейзен [7]. Обзоры работ по влиянию изотопов на свойства твёрдых тел сделали А. Березин и А. Ибрагим [8], М. Кардона [9], Ю. Халлер [10], А. Рамдас [11], А.П. Жернов и A.B. Инюшкин [12, 13], В.Г. Плеханов [14]. [c.64]

Смесь двух и более изотопов, хаотично распределённых в решётке твёрдого тела, означает наличие дефектов в кристаллической решётке, поскольку изотопы отличаются по массе и по молярному объёму. Как известно, между дефектами имеются дальнодействующие силы притяжения [74]. При достаточно низких температурах эта сила приводит к такому замечательному эффекту, как разделение смеси на изотонически обогащённые фазы, например, в случае бинарной смеси, одна фаза будет обогащена лёгким, а другая тяжёлым изотопом. Этот эффект был предсказан И. Пригожиным с коллегами [75] из анализа основного состояния изотопических смесей в рамках теории возмущений. Расчёт показал, что нулевая энергия изотопической смеси больше, чем сумма нулевых энергий чистых изотопов даже в рамках гармонического приближения. Причём Ех для упорядоченной смеси изотопов (типа, например, АВАВ...) оказывается наибольшей — больше, чем для хаотичной смеси. Согласно требованию теоремы Нернста энтропия изотопической смеси [c.70]

Экспериментально эффект изотопического фазового разделения был открыт Д. Эдвардсом, А. Мак-Уиллиамсом и Дж. Даунтом [76] в твёрдых растворах гелия Не- Не при температурах ниже 0,38 К. Авторы, исследуя низкотемпературную теплоёмкость растворов, наблюдали резкий скачок в теплоёмкости при определённой температуре, зависящей от концентрации примесного изотопа (рис. 12.1.4). Большая величина теплоёмкости означает, что в системе происходит некий процесс упорядочения. Такая аномалия может быть результатом либо фазового перехода типа порядок-беспорядок (как это имеет место в некоторых сплавах), либо разделения твёрдого тела на две фазы. Авторы элегантно доказали, что в системе происходит именно фазовое разделение. Для этого были проведены измерения на образце, содержавшем 82% Не, при давлении около 30 атм. Это давление ниже, чем давление отвердевания чистого Не при Т < 0,1 К. Следовательно, если в смеси происходит фазовое разделение, то области, обогащённые гелием-3, должны плавиться при температурах ниже Тр , что и наблюдалось экспериментально — соответствующая аномалия отмечена на рис. 12.1.4. Сплошными линиями показаны теоретические данные, полученные в рамках термодинамической теории регулярных растворов. Согласие теории с экспериментом оказалось удивительно хорошим. Уместно отметить, что характерное время разделения меняется от десятка секунд до нескольких часов в зависимости от давления, температуры, размеров образца, примесей и дефектов решётки, термической предыстории образца разделённые фазы представляют собой кластеры с размерами около 1 мкм. Открытие изотопического фазового разделения в твёрдом гелии стимулировало большое количество экспериментальных и теоретических работ в этом направлении (см., например, обзоры [2,77], статью [78] и ссылки в ней), которые продолжаются по сей день [79, 80. [c.71]

Металлы и сплавы. Скорость рассеяния электронов фононами очень слабо изменяется как при полном, так и при частичном изотопическом замещении (см. раздел, посвящённый электропроводности). Это приводит к тому, что изотопический эффект в электронной теплопроводности не может быть большим. Экспериментально и теоретически этот эффект в металлах специально, по-видимому, не исследовался. Достаточно надёжную оценку величины эффекта можно сделать, исходя из известного линейного по массе изотопического эффекта в электросопротивлении [см. формулу (12.1.10) и используя закон Видемана-Франца, связывающий электронную теплопроводность с электропроводностью сг Хе = LquT Lq = 2,445 10 Вт Ом/К — число Лоренца). Электронная теплопроводность лёгкого изотопа выше, чем тяжёлого. При комнатных температурах, что для многих твёрдых тел отвечает ситуации Т 0D, изотопический эффект в Хе, видимо, должен быть практически нулевым — не более 1-2% даже для металлов из самых лёгких элементов. При низких температурах можно ожидать, что величина эффекта будет нескольких десятков процентов для химически чистых металлов. В металлических сплавах, а также в химически грязных металлах изотопический эффект будет значительно подавлен из-за рассеяния электронов на примесях и других дефектах решётки. [c.78]

Квантовые кристаллы. При исследовании изотопических эффектов в теплопроводности твёрдых тел на первом этапе наибольшее внимание было уделено гелию, поскольку его изотопы имеют большую разность в массах и могут быть относительно легко получены в химически очень чистом виде. Кроме того, изменяя давление, можно в широких пределах менять молярный объём гелия и, соответственно, изменять квантовые вклады в равновесные свойства. В экспериментальных работах [151-157] было продемонстрировано, что изотопические примеси сильно подавляют теплопроводность твёрдого гелия. Особенно впечатляющие данные получили Д. Лоусон и Г. Фейер-банк [156], которые сумели получить очень чистые (изотонически и химически) и совершенные монокристаллы Не. Добавление очень небольшого количества Не — десять миллионных частей — привело к значительному, примерно двукратному, уменьшению теплопроводности в максимуме. Анализ уже первых экспериментов на гелии показал, что скорость рассеяния фононов на флуктуациях массы, расчитанная по формуле (12.1.17), является недостаточно сильной, чтобы описать наблюдаемое подавление теплопроводности изотопическими примесями. Дж. Каллауэй [158] предложил, что добавочное сопротивление обусловлено рассеянием фононов на поле деформаций решётки около изотопической примеси. В рамках простой модели П. Клеменс и А. Ма-радудин [159] нашли, что масштаб этого эффекта может быть действительно достаточно большим. Более детальные расчёты [160-163] подтвердили это и показали, что в определённых условиях рассеяние на поле деформаций в гелии может быть в несколько раз сильнее, чем рассеяние на флуктуациях массы. [c.81]

В последнее десятилетие в связи с открытием в купратах высокотемпературной сверхпроводимости существенно возрос интерес к свойствам не только медных оксидов с металлической проводимостью, но и к неметаллическим купратам, а также к оксидам других металлов, например, никеля и манганца. Оксиды демонстрируют разнообразные и сложные фазовые диаграммы многие переходят в магнитоупорядоченное состояние при понижении температуры, в состояние с зарядовым упорядочением, имеются переходы металл-диэлектрик, а некоторые манганиты показывают чрезвычайно высокую чувствительность электрического сопротивления к внешнему магнитному полю — гигантское магнетосопротивление — изменение сопротивления на несколько порядков величины в магнитном поле порядка нескольких тесла. Природа этих явлений составляет одну из актуальных проблем современной физики твёрдого тела. В этой связи изучение изотопических эффектов в оксидах представляет большой интерес. Оказалось, что фазовая диаграмма оксидов довольно сильно изменяется при изотопическом замещении кислорода. [c.94]

Заключение. В настоящем обзоре мы попытались представить в систематизированном виде данные по влиянию изотопического состава на различные свойства твёрдых тел — на постоянные кристаллической решётки, упругие свойства, фононы и другие возбуждения кристаллической решётки, на электро- и теплопроводность, на электронную структуру металлов и полупроводников и на фазовые превращения. В большинстве случаев изотопические эффекты малы, но есть обратные примеры, когда, как правило в изотопических смесях, изотопы оказывают сильное влияние на свойства твёрдых тел. Замечательным примером такого изотопического эффекта служит значительное (иногда в десятки раз) подавление теплопроводности диэлектриков и полупроводников. Исключительно высокая теплопроводность изотопически чистых полупроводников имеет хорошие перспективы использования в технике в тех случаях, где имеются большие тепловые нагрузки, например, в алмазных монохроматорах для синхротронного излучения [244] и в микроэлектронике [189, 190]. С точки зрения приложений изотопы кремния и германия находят применение для нейтронного трансмутационного легирования полупроводников [10,245]. Исследуются возможности использования изотонически обогащённого монокристалла кремния для точного определения числа Авогадро [58,59] с целью замены эталона килограмма. [c.95]

Влияние сверхтонкого взаимодействия на энергию ядерных уровней. Изучение полей сверхтонкого взаимодействия с помощью эффекта Мёссбауэра является эффективной рабочей методикой в экспериментальной физике твёрдого тела и физической химии. Она называется мёссбауэровской спектроскопией. Поскольку это применение эффекта Мёссбауэра наиболее популярно, следует подробнее рассмотреть лежащую в его основе физику. [c.98]

Прежде всего, сам эффект Мёссбауэра, будучи сугубо квантовым и при этом макроскопическим явлением, экспериментально подтверждает выводы квантовой механики. В этом контексте открытие Мёссбауэра и последовавшее развитие исследований в этой области — суть верификация фундаментальных аспектов нерелятивистской квантовой теории и физики твёрдого тела. [c.108]

Черенков первоначально обнаружил ), что в любой прозрачной жидкости при облучении её у-лучамп возпикает свечение. То же самое, как выяснилось несколько позже, имеет место и в твёрдых телах. При исследовании свечения в различных жидкостях интенсивность свечения оказалась одной и той же в пределах точности измерений. Черенковым было также установлено, что свечение частично поляризовано, причём направление электрического вектора световых колебаний совпадает с направлением распространения у лучей. Тщательная очистка жидкостей от возможных флуоресцирующих примесей не влияла на интенсивность излучения. Влияние температуры и тушащих процессов, всегда сказывающихся в большей или меньшей степени на явлениях флурресценции и однозначно связанных с длительностью пребывания атомов в возбуждённом состоянии, не имело места. Отсюда следовало, что длительность возбуждённого состояния атомов при этом эффекте весьма близка к нулю. На этом основании [c.441]

Теплота смачивания. Когда жидкость приводится в соприкосновение с твёрдым телом, сродство жидкости к его поверхности обычно вызывает выделение теплоты. Измерения теплот смачивания весьма многочисленны. Это явление часто называют эффектом Пуйэ хотя Лесли обнаружил его на 20 лет раньше. Ранние экспериментальные результаты не представляют большого научного интереса, так как первые исследователи в большинстве случаев шли по пути наименьшего сопротивления, измеряя теплоту на грамм порошка и не пытаясь оценивать площадь поверхности. Паркс однако, измерял теплоту смачивания различных кварцевых порошков водой и нашёл, что она пропорциональна суммарной поверхности порошка и равна при 70° С 0,00105 кал1см или около 44 000 эрг/см . [c.268]

Большой теоретический интерес и серьёзное практическое значение имеет установленный П. А. Ребиидером эффект понижения твёрдостт твердых тел вследствие проникновения на некоторую глубину в их поверхностные слои молекул смазывающей твёрдое тело жидкости. Проникновение происходит по микротрещинам, межкрнсталлическим граням и плоскостям скольжения. П. А. Р е б н н д а р, Л. А. Ш р й н е р и К. Ф. Ж и-гочь, Понизители твердости в бурении , ОНТИ, 1944 П. А. Ребиндер И Е. К. В е и с т р е м, Изв. Ак. Наук СССР, сер, физ., вьш. 4—5, 1937 П. А. Р е б и н д е р н В. И. Л и х т м а н, ДАН, 1941. (Прам. ред.). [c.322]

Между электрокинетическим движением и движением в электрическом поле любой заряженно, частицы (например, иона в растворе) нет никакого принципиального различия. Эго признано многими авторами, но упор, который делают Мак-Бэйн и Лэйнг на этой тождественности, является вполне своевременным, так как некоторые авторы в своих работах, посвящённых -пoтeнциaлy начали терять из вида это обстоятельство. Если заряженными телами, движущимися в жидкости под действием электрического поля, являются малые частицы — ионы, то это движение называется электролитической миграцией и изучается в электрохимии. Разностям потенциалов вблизи и вокруг ионов уделялось мало внимания, пока не появилась теория Дебая-Гюккеля, после чего их значение получило должное признание. Если заряженные тела несколько крупнее — например, коллоидные частицы или частицы в суспензиях — явление называется катафорезом . В случае достаточно крупного твёрдого тела, соприкасающегося с жидкостью (капиллярная трубка, наполненная жидкостью или твёрдая перегородка, пропитанная жидкостью), принято говорить о движении жидкости, а не твёрдого тела, и это движение называется электроэндосмосом . Наконец, существуют также явления, обратные эндосмосу и катафорезу потенциалы истечения — электрические поля, возникающие при пропускании жидкости через капилляр или пористую перегородку, и эффект Дорна — возникновение градиента потенциала при падении взвешенных в жидкости частиц. Эти явления также принадлежат к разряду электрокинетических. Методы измерения скорости электрокинетического движения подробно описаны в некоторых из цитированных выше обзоров. К числу этих методов принадлежат (при катафорезе) различные виды У-образных трубок, в которых наблюдается перемещение границы суспензии методы, связанные с переносом, аналогичные методу Гитторфа по измерению числа переноса в электрохимии микроскопические кюветы, в которых наблюдается движение отдельных частиц с учётом движения дисперсионной среды в обратном направлении. Весьма остроумный, хотя и реже упоминаемый в литературе, метод Самнера и Генри заключается в наблюдении [c.452]

Законы излучения чёрного тела. Под излучением мы будем понимать в этой главе, с одной стороны, процесс испускания различными телами электромагнитных волн, с другой, — явление распространения этих волн в среде. Во втором случае мы будем применять наравне со словом излучение также слово радиация, особенно, когда применение термина излучение к обоим процессам могло бы повредить ясности изложетптя. Весь ко мплекс явлений, сопровождающих электромагнитное излучение, заставляет рассматривать это явление, с одной стороны, как распространение электромагнитных волн, с другой стороны, как распространение особых частиц — световых квантов или фотонов. В этих элементарных частицах как бы сосредоточена вся энергия излучения в строго определённых количествах, или квантах. Каждый фотон всегда несёт с собой энергию, равную /гм, где V — частота колебаний в соответствующей электромагнитной волне, а /г — постоянная Планка, имеющая размерность действия (т. е. произведеция энергии на время) и равная 6,54 10 + + 0,5% эрг сек ). При взаимодействии с атомами и молекулами или электронами фотоны либо целиком поглощаются с переходом энергий излучения в другие виды энергии (поглощение света твёрдыми телами, фотононизация газов в объёме, внещний фотоэффект и т. д.), либо отдают лишь часть своей энергии, продолжая двигаться всё с той же скоростью света (эффект Комптона, комбинационное рассеяние света). В этом случае изменяется лищь частота V соответствующих фотону электромагнитных волн. Импульс фотона равен . [c.313]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология