«Национальный проект Образование Инновационная образовательная программа ННГУ. Образовательно-научный центр Информационно-телекоммуникационные системы: физические основы и математическое обеспечение Е.В. Сулейманов ...»

Федеральное агентство по образованию

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Национальный проект «Образование»

Инновационная образовательная программа ННГУ. Образовательно-научный центр

«Информационно-телекоммуникационные системы: физические основы и

математическое обеспечение»

Е.В. Сулейманов

Химическое материаловедение Учебно-методические материалы по программе повышения квалификации «Современные методы исследования новых материалов электроники и оптоэлектроники для информационно-телекоммуникационных систем»

Нижний Новгород 2006 Учебно-методические материалы подготовлены в рамках инновационной образовательной программы ННГУ: Образовательнонаучный центр «Информационно-телекоммуникационные системы: физические основы и математическое обеспечение»

Сулейманов Е.В. Химическое материаловедение (Часть I). Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Современные методы исследования новых материалов электроники и оптоэлектроники для информационнотелекоммуникационных систем». Нижний Новгород, 2006, 129 с.

В первой части данного учебно-методического пособия рассмотрены основы химического материаловедения. Они позволяют составить представление о наиболее важных задачах, стоящих перед химиками, работающими в области получения новых веществ и материалов, закладывают представления о фундаментальной взаимосвязи состава, строения и свойств веществ, что является основой для направленного поиска новых объектов с заданными полезными характеристиками.

© Сулейманов Е.В.

Содержание Предисловие

Раздел 1. Общие вопросы материаловедения

Глава 1. Основные понятия

Глава 2. История развития материаловедения

Глава 3. Современные проблемы материаловедения

Глава 4. Классификации материалов

4.1. Классификация материалов по этапу переработки

4.2. Классификация материалов по их назначению

4.3.Классификация материалов по наиболее важным для определенных условий свойствам или их совокупности

4.5. Классификация материалов по условиям применения материала

4.5. Классификация по структурным признакам

4.6. Классификация по макроструктуре (агрегатному состоянию)

4.7. Классификация твердых материалов по количеству фаз и масштабу неоднородностей структуры

4.8. Классификация твердых материалов по микроструктуре

4.9. Классификация материалов по атомно-молекулярной структуре

Раздел 2. Строение материалов

Глава 1. Элементарные частицы

Глава 2. Атомное ядро

2.1. Общие положения

2.2. Строение атомных ядер

2.2.1. Размер атомного ядра и плотность ядерного вещества

2.2.2. Энергия связи нуклонов в ядре

2.2.3. Ядерные силы

2.2.4. Механический, магнитный и электрический моменты атомного ядра

2.2.5. Модели строения атомного ядра

2.3. Радиоактивность атомных ядер

2.3.1. Количественные характеристики радиоактивных превращений

2.3.2. Виды радиоактивных превращений

2.3.3. Радиоактивные изотопы

Литература

Глава 3. Электронная оболочка атома

3.1. Система квантовых чисел электронов атома

3.2. Запись электронной конфигурации атома

Электронные подуровни

Глава 4. Природа взаимодействия химических частиц

4.1. Химическая связь

4.1.1. Общие представления о химической связи (метод валентных связей)

4.1.2. Параметры химических связей и химических частиц

4.1.3. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентных связей

4.1.4. Явление "гибридизации атомных орбиталей" при образовании химических связей 4.1.5. Методы определения строения химических частиц

4.2. Межмолекулярное взаимодействие

4.2.1. Водородные связи

4.2.2. Ван-дер-Ваальсовы связи

4.3. Строение и физические свойства макровещества

Литература

Глава 5. Строение кристаллических тел

5.1. Общие характеристики кристаллической решетки

5.2. Узловые плоскости. Индексы Миллера (hkl)

5.3. Число формульных единиц в элементарной ячейке соединения

5.4. Дефекты в кристаллических телах

5.5. Программа курса "Строение кристаллических тел"

Литература

Глава 6. Стеклообразное состояние вещества

6.1. Физическая природа стекла

6.2. Химическая природа неорганических стекол

6.3. Структурные теории стеклообразования

6.3.1. Критерии отношения радиусов Гольдшмидта

6.3.2. Гипотеза Захариасена – гипотеза беспорядочной сетки

6.3.3. Критерий "смешанной связи" – критерий Смекала

6.3.4. Критерий электроотрицательности – критерий Стенворда

6.4. Кинетическая теории стеклообразования

Литература

Среди приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, а также критических технологий Российской Федерации (см. часть I, глава 3) большинство позиций так или иначе связаны с получением новых материалов с заданными полезными свойствами. Это требует от современного высшего образования России в части точных и естественных наук сориентировать подготовку специалистов таким образом, чтобы последние кроме фундаментальных знаний имели и навыки проведения поисковых исследовательских работ в области материаловедения. Другими словами это означает, что современный студент-химик и учащийся в аспирантуре должны преломлять получаемые знания через призму конкретных практических задач. Это, в свою очередь, требует и от преподавателей вузов так подойти к составлению рабочих учебных программ, чтобы каждый рассматриваемый раздел заканчивался формулировкой основных принципов приложения сообщенных сведений к практике.

В этом плане предлагаемое издание должно помочь читателю осознать, каким образом те или иные разделы химических и других естественно-научных знаний вплетаются в структуру науки, называемой материаловедение. Далее будет дана более подробная характеристика материаловедения. Здесь же хотелось бы ограничиться только указанием на то обстоятельство, что данная дисциплина имеет несколько иные корни, чем традиционные для классических университетов науки, такие, как, например, физика, химия, биология и минералогия.

Материаловедение по своему происхождению скорее инженерная наука, т.е. она выделилась из того, что раньше принято было называть техника. Разумеется, и прежде, и особенно сейчас граница между наукой и техникой практически неразличима, т.к. инженерия активно использует научные методы познания, а классические науки являются основой для создания новых технических достижений, тесно переплетаясь с ними.

В данной части пособия рассматриваются сведения, касающиеся общих вопросов и истории материаловедения, а также дается изложение наиболее важных с точки зрения автора сведений о строении веществ и материалов.

Вторая часть пособия посвящена общим свойствам материалов, третья часть – методам получения и свойствам отдельных групп материалов – черных и цветных металлов и сплавов, керамики, полимеров, композитов и т.п. В четвертой части проводится обзор основных методов исследования и анализа, применяемых в материаловедческой практике.

В каждом разделе приведен список литературы, которая была использована для его подготовки и рекомендуется для более детального изучения темы.

Все замечания и пожелания по содержанию и оформлению учебного пособия автор примет с благодарностью и постарается учесть в последующих изданиях.

РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Материаловедение – это наука, изучающая связь между структурой и свойствами материалов, а также их изменения при внешних воздействиях.

Материалы - совокупность вещественных предметов, которые человек преобразует в продукты труда.

В решении материаловедческих задач можно выделить следующие этапы:

постановка задачи получения материала с заданными характеристиками (свойствами) выбор состава предполагаемого материала прогноз строения (структуры) материала, исходя из его состава прогноз свойств материала, исходя из его строения получение материала и проверка совпадения его свойств с требуемыми корректировка состава и метода получения материала (если необходимо).

В сокращенном виде эта последовательность следующей схемой:

"задача состав структура свойство применение уточнение/совершенствование" Структура материала – совокупность устойчивых связей материала, обеспечивающих его целостность и сохранение основных свойств при внешних и внутренних изменениях.

Свойство материала – философская категория, которая отражает различие или общность данного материала с другими, которые обнаруживаются при их сравнении.

Свойством можно также считать отклик объекта на внешнее воздействие.

Материаловедение условно разделяют на теоретическое и прикладное. Первое рассматривает общие закономерности строения материалов и процессов, происходящих в них при внешних воздействиях. Оно базируется на достижениях физики, химии, минералогии, биологии и других наук. При этом материаловедение выполняет интегрирующую роль для перечисленных наук и техники, обобщая их достижения в практическом аспекте и доводя до воплощения в конкретные полезные изделия. Эта связь, не столь очевидная в прошлом, сегодня указывает эффективные направления в создании материалов и разработке способов производства, удовлетворяющих растущим техническим и экономическим требованиям. Задача прикладного материаловедения — изыскание оптимальных структуры и технологии переработки материалов при изготовлении конструкций, деталей машин и других предметов.

Технология - совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства. Рациональный выбор материалов и технологии их переработки в изделия предопределяет возможность эксплуатации изделий в течение заданного времени, т.е.

материаловедение позволяет составлять научно обоснованный прогноз изменения свойств материалов при эксплуатации.

Условия эксплуатация материалов с каждым годом становятся все более жесткими вследствие роста объемов производства, загрязнения и повышения агрессивности окружающей среды, Активное вмешательство человека в природные процессы обусловило внимание науки к защите окружающей среды, выявлению и использованию вторичных ресурсов. Решение этой проблемы средствами материаловедения имеет важнейшую экономическую и общественную направленность.

ГЛАВА 2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

История развития материалов диалектически связана с историей развития общества.

Стремление совершенствовать материалы во все исторические эпохи было вызвано желанием людей улучшить свою жизнь. Наименование исторических этапов по названиям «сделавших эпоху» материалов (древний, средний и новый каменные века, меднокаменный, бронзовый, железный века) явно отражает их значение в развитии человечества.

Первыми материалами, которые человек использовал в первозданном виде, были камень и кость. Возникновение технологии обработки камня стало первой технической революцией. Зарождение сельского хозяйства потребовало переработки сельскохозяйственного сырья во все более сложные изделия. Первое общественное разделение труда произошло с выделением скотоводства и земледелия в самостоятельные отрасли производства. Были разработаны технологии обработки древесины, шкур животных и обжига глины, которые образовали новые основы производства.

Техническими достижениями эпохи неолита стали плавление и литье меди, а также цветная керамика — терракота, майолика, фаянс и др. В 3-м тысячелетии до н. э. с открытием оловянной бронзы камень потерял свое значение как материал для орудий производства.

В ранний бронзовый век, когда было освоено литье металлов с модифицирующими добавками, в историю техники вступила металлургия. По мере расширения и дифференцирования добычи и переработки руды, методов плавления металлов связанная с этим деятельность стала функцией специалистов. С истощением запасов меди люди перешли к освоению железа, которое доминирует среди материалов начиная с XI—X вв.

до н. э. Одновременно на Ближнем Востоке, Средиземноморье и в Китае появились устройства для обработки материалов, приводимые в действие с помощью животных.

Совершенствовалась технология переплавки металлических руд: использование древесного угля позволило повысить температуру переработки до 900 °С. Загрязненный шлаком полуфабрикат очищали путем прокаливания и ковки, получая кузнечное железо.

Большую известность получила сталь, которую изготавливали мастера древней Индии.

Крушение Римской империи в V в. н. э. и последующие столетия застоя замедлили прогресс техники и многих областей общественной жизни в Европе.

Новая эпоха в развитии материалов началась со 2-го тысячелетия н. э., что было обусловлено широким использованием для привода машин энергии падающей воды. С появлением воздуходувок стало возможно нагревать металл в горнах до температур, превышающих температуру плавления железа, перерабатывать расплав в ковкое железо, очищать металлы от примесей. Эти достижения в области производства материалов определили уровень производительных сил общества на протяжении многих веков.

Рост потребления металлических изделий и недостатки древесного угля как источника энергии для плавления руд привели к поиску новых технологий, направленных на увеличение производительности выплавки металлов. В середине XVIII в. вместо древесины был применен каменный уголь и разработан процесс пудлингования - передела чугуна в малоуглеродное железо на поду печи. Открытие коксования каменного угля способствовало ускоренному развитию металлургии.

Быстрыми темпами развивалась русская металлургия в начале XVIII в. - в эпоху Петра I. Урал стал ведущим горно-металлургическим районом России, уральское железо с маркой «старый соболь» считалось лучшим в Европе. В последующие годы в России постоянно увеличивалась добыча полезных ископаемых (прежде всего металлических руд), расширялось производство металлов и изделий из них, развивалась наука о металлах. Большой вклад в разработку теоретических основ металлургии внес М. В.

Ломоносов (1711 - 1765), издавший первый в России учебник горнозаводского дела. П. П.

Аносов (1797 - 1851) разработал научные основы получения высококачественной литой стали, раскрыл утерянный в средние века секрет изготовления булатной стали.

Возрастание спроса на машины, прежде всего текстильные, привело к возникновению в развитых европейских странах в середине XVIII в. машиностроения как отрасли промышленности. Уровень материаловедения того времени ограничивал возможности развития машин немногочисленной группой материалов, освоенных мануфактурным производством. Промышленная революция XVIII - XIX вв. привела к превращению ручных мануфактур в фабричную систему использования машин, кардинально изменила уровень техники и технологии материалов. В XIX в. расплавленный в конвертере чугун был впервые превращен в сталь. Изобретение трех процессов производства стали, названных по имени их создателей, - бессемеровского (1856 г., английский металлург Г.

Бессемер), мартеновского (1864 г., француз П. Мартен) и томасовского (1878 г., англичанин С. Томас) - завершило этот замечательный этап в истории материалов.

Становление материаловедения как прикладной пауки произошло на рубеже XVIII и XIX вв., когда рост материалоемких отраслей промышленности достиг таких объемов, что дальнейший прогресс в них без научных обобщений и рекомендаций стал немыслим. В в. завершилась специализация материаловедения как технической науки, XIX относящейся к машиностроению. Одновременно она достигла теоретического уровня естественных наук, переплетясь с их прикладными областями - кристаллографией, металлофизикой, оптикой и др.

Важным этапом в развитии материаловедения стало открытие Д. И. Менделеевым в 1869 г. периодического закона химических элементов. Знаменательным событием в науке о материалах было открытие Д. К. Черновым (1839 - 1921) критических точек фазовых превращений стали. Замечательный вклад в металловедение внесли зарубежные ученые:

немецкий металлург А. Ледебур, изучавший структурное состояние железоуглеродистых сплавов; английские физики, открывшие химические соединения с ионным типом связей Ф. Лавес и электронные - В. Юм-Розери; немецкий физик М. Лауэ, впервые применивший рентгеновские лучи для изучения кристаллов; основатели металлографических исследований Г. Сорби и А. Видманштеттен; немецкий физико-химик Г. Тамман, известный пионерскими исследованиями в области стеклообразного состояния вещества, теории кристаллизации, гетерогенного равновесия, и другие.

Рост объема коксования каменного угля в XIX в. привел к накоплению большого количества каменноугольной смолы. Проблему использования этого продукта решил в 1856 г. английский химик У. Г. Перкин, разработавший способ получения из смолы красящего вещества — мовеина. После открытия в 1865 г. бензола началось развитие химии углерода и новой отрасли промышленности, вырабатывавшей вначале только автомобилестроения, железнодорожного транспорта и авиации стимулировали исследования по улучшению материалов и методов их обработки. Весомый вклад в развитие металлургии внесли русские инженеры М. К. Курако (1872 - 1920) -основатель школы русских доменщиков, В. Е. Грум-Гржимайло (1864 - 1928) - создатель физикохимических основ сталеплавильного процесса, теории прокатки и калибровки стали.

Высокий авторитет завоевала отечественная научная школа физико-химического анализа сплавов и твердых растворов, которую основал Н. С. Курнаков (1860 - 1941).

Фундаментальные труды А. А. Байкова (1870 - 1946) легли в основу теории структурных превращений в металлах. Работы Н. И. Беляева (1877 - 1920) явились существенным вкладом в создание легированных сталей в России. Зарождение технологии электросварки связано с изобретениями русских инженеров Н. Н. Бенардоса, предложившего в 1882 г.

способ электродуговой сварки металлов с помощью угольных электродов, и Н. Г.

Славянова, разработавшего в 1888г. метод сварки металлическим электродом с предварительным подогревом изделия.

Конец XIX в. ознаменован крупными открытиями, которые привели к созданию принципиально новых технологий, машин и приборов. В 1872 г. А. Н. Лодыгиным изобретена лампа накаливания, в 1883 г. Т. А. Эдисоном открыта термоионная эмиссия, а в 1888 г. А.Г. Столетовым и Г. Герцем - фотоэлектрический эффект. Началось производство электронно-вакуумных приборов, стимулировавшее прогресс вакуумной техники и технологии. Одновременно возникла и развивалась технология сжижения газов, послужившая толчком к созданию криогенной техники. Эти достижения стали возможны благодаря разработке специальных герметизирующих материалов.

В 1861 г. русский химик А. М. Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения веществ, а позднее разработал основные принципы получения полимеров из низкомолекулярных неорганических соединений. В 1909 г. С. В. Лебедев синтезировал из диена полимер, сходный с натуральным каучуком. В начале ХХ в. бельгийский химик Л.

Бакеланд, изучив реакции между фенолом и формальдегидом, получил новый материал, названный бакелитом, который стал первым продуктом промышленности пластических масс. «Железный пек» окончательно ушел в прошлое. Как символ роли железа в развитии общества к открытию Всемирной парижской выставки в 1898 г. была построена знаменитая Эйфелева башня.

интенсифицировала дальнейшее развитие материаловедения. Быстрый рост научных знаний привел к новым воззрениям на строение вещества. Были разработаны новые типы материалов: сверхпроводники, электрическое сопротивление которых при охлаждении ниже критической температуры обращается в ноль; полупроводниковые материалы, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов и диэлектриков; синтетические алмазы, полученные из графита и углеродсодержащих веществ, и др.

Благодаря работам ученых СССР обогатились знания о структуре, свойствах и технологии получения традиционных материалов машиностроения. М.Л. Павлов (1863 внес фундаментальный вклад в теорию доменного процесса и расчет доменных печей. Под руководством И.П. Бардина (1883 - 1960) в СССР были разработаны непрерывная разливка стали и кислородно-конвертерный процесс. Новую технологию коксования углей предложил П.II. Чижевский (1873 - 1952). А. М. Самарин (1902 - 1970) внес большой вклад в теорию электрометаллургии стали и ферросплавов, вакуумную металлургию. Фундаментальные труды по электросварке Е.О. Патона (1870 - 1953) определили главные направления технологии этого процесса. С 60-х годов ХХ века интенсивно развивается высокоскоростная кристаллизация металлов, позволившая на порядок повысить их прочность, кардинально улучшить магнитные свойства, сопротивление коррозии и др. Разработаны новые технологические методы упрочнения металлов путем пластического деформирования, совмещенного с термической обработкой (термомеханическая обработка). П.Л. Ребиндер (1898 - 1972) развил представления о молекулярном механизме действия поверхностно-активных веществ, разработал основы их применения в технологических процессах. Быстро растет число сплавов, обладающих специфическими свойствами: противокоррозионными, особыми магнитными, «памятью»

механической формы и т.д.

Развиваются исследования в области синтеза и переработки полимеров, направленные на улучшение их механических свойств, повышение стойкости к воздействию сред и высоких температур. Долгое время верхняя граница термостойкости пластмасс не превышала 100 - 120°С, что существенно ограничивало их применение. Основы создания термостойких полимеров были заложены К.А. Андриановым (1904 - 1978), показавшим в 1937 г., что система атомов Si - О может быть использована для построения главной цепи полимерных молекул. Аналогичные исследования коллектива академика В.В. Коршака (1908 - 1988) привели в 40-х годах к синтезу термостойких фенольных смол. Основатель советской школы физико-химии полимеров B.А. Каргин (1907 - 1969) исследовал связь между их структурой и свойствами, разработал методы модификации полимерных материалов. Существенное расширение номенклатуры пластмасс и промышленных технологий их получения достигнуто благодаря развиваемым советскими учеными представлениям о механизме цепных реакций окисления углеводородов и ионной полимеризации. Значительный вклад в различные области материаловедения полимеров внесли зарубежные ученые Ф. Джейл, Л. Манделькерн, X. Марк, Дж. Ферри, П. Флори, Р.

Хувипк, Т. Хайяши и др.

Одно из главных направлений современного материаловедения - получение композиционных материалов путем сочетания разнородных компонентов. Прогресс технологий обработки и модификации материалов позволил применить традиционные природные материалы (базальты, диабазы, древесину) в жестких условиях эксплуатации современной техники. Перед учеными поставлена задача разработки материалов, обладающих неизвестным ранее сочетанием свойств, направленно изменяющих свои структуру и свойства в соответствии с условиями эксплуатации.

В 1956 г. в СССР зарегистрировано открытие, названное избирательным переносом при трении. Через несколько лет группой советских ученых было открыто явление сверхнизкого трения материалов, подверженных радиационной бомбардировке в вакууме.

За этими открытиями последовало совершенствование триботехнических материалов, применение которых позволило снизить огромные потери от износа машин.

Достижения материаловедения в значительной мере способствовали освоению космоса.

Этапом па этом пути явилась разработка в 50 - 60-х годах ХХ века электромеханических систем герметизации. У истоков технологии производства материалов в космосе стояли C.П. Королев (1906 - 1966) и А.Т. Туманов (1909 - 1976). Родилась новая область материаловедения - космическое материаловедение, задачами которого являются разработка технологий формирования и обработки материалов в специфических условиях невесомости, прогнозирование свойств материалов в космосе и др. Для современного этапа научно-технической революции характерно быстрое развитие материаловедения: за ничтожно малый по сравнению с историей человечества промежуток времени в технике освоено большинство известных материалов.

ГЛАВА 3. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Создатели техники всегда стремились, чтобы новые изделия по эффективности и качеству превосходили известные. В настоящее время эта тенденция проявляется особенно ярко, поскольку в лучших образцах техники реализованы последние достижения науки. Стремление создателей машин увеличить рабочие давления, скорости и температуры, снизить массу изделий, приходящуюся па единицу создаваемой или передаваемой мощности, обусловило тесную зависимость работоспособности машин от достижений материаловедения.

Развитие многих областей современной техники связано с применением высокопрочных материалов. В XX в. прочность известных до этого основных машиностроительных материалов возросла в 8 - 10 раз, напряжения, при которых происходит разрушение высокопрочных сталей, превышают 103 МПа. Производятся нитевидные монокристаллы в виде «усов» с совершенной структурой, которые не разрушаются при напряжении 104 МПа. Перед наукой стоит проблема сделать высокопрочные материалы столь же надежными и недорогими, как рядовые металлы.

Производство и потребление сверхтвердых материалов, к которым относят многие твердые сплавы, карбиды, бориды, технические алмазы и др., в значительной мере характеризуют промышленный потенциал и техническую мощь страны. Эти материалы настолько тверды и хрупки, что не поддаются обработке традиционными методами.

Технологические трудности удалось преодолеть, используя явление сверхпластичности, когда заготовкам из твердых материалов можно придавать нужную форму путем деформирования под давлением 103 105 МПа.

Тенденция машиностроения к уменьшению эффективной массы изделий, т. е. массы, приходящейся на единицу мощности или производительности машин, обусловливает необходимость разработки материалов, в которых высокая прочность сочетается с малой плотностью. Примером таких материалов служат сплавы магния и лития, изделия из которых по сопротивлению деформированию превосходят конструкции той же массы из стали и титана. Они нашли применение в авиации, при строительстве ракет и космических кораблей. В качестве легких заполнителей силовых конструкций, демпфирующих, теплои звукоизолирующих элементов в современной технике используют большую группу газонаполненных материалов.

В некоторых материалах при тепловом воздействии обнаруживается «эффект памяти»

Восстановление первоначальной формы пластически деформированного образца в результате нагревания. Механизм этого явления обусловлен структурными превращениями материала. Основную группу материалов пот класса составляют сплавы на основе титана. В настоящее время их используют в раскрывающихся под действием солнечного тпла антеннах космических кораблей.

Переход авиации на реактивные двигатели придал актуальность проблеме создания материалов, выдерживающих механические нагрузки при высоких температурах. Резервы высокотемпературной прочности сплавов на основе железа, никеля, алюминия и других металлов ограничены и фактически исчерпаны. Это связано с тем, что температура эксплуатации многих деталей двигателей достигла 1200°С и приблизилась к температурам плавления сплавов. Так, верхний предел рабочих температур рядовых сталей не превышает 770°С, сплавов никеля и кольбата - 1100°С и т. д. До недавнего времени низкие значения высокотемпературной прочности сталей были барьером для дальнейшего развития двигателестроения, поскольку эксплуатационные характеристики двигателей прямо зависят от температуры газов в турбине. В настоящее время эта проблема решена путем переработки металлов в гранулы методом высокоскоростной кристаллизации и последующего прессования гранул в изделия. Высокоскоростная кристаллизация происходит в результате быстрого охлаждения расплава, приводящего к образованию микрокристаллов исключительно малых размеров или даже аморфных материалов. При высоких температурах прочность мелкокристаллических и аморфных сплавов в 1,5 раза выше, чем сплавов, полученных по традиционной технологии.

Изучаются перспективы использования керамических деталей в двигателях внутреннего сгорания. Целью такого применения керамики является возможность повышения рабочей температуры в камере сгорания при одновременном снижении массы агрегата, что приводит к повышению КПД двигателя.

В 1954 г. в СССР была пущена первая в мире атомная электростанция. Путь, пройденный с тех пор ядерной энергетикой, характеризуется постоянным улучшением параметров термодинамических циклов атомных электростанций. Это стало возможным благодаря появлению новых материалов в жидкой фазе, которые используют в качестве теплоносителя, обладающего стойкостью к действию окислительной газовой среды при высоких температурах.

Криогенная техника, обеспечивающая получение и использование температур ниже С, решает многие проблемы производства, связанные со сжижением газов и разделением газовых смесей, прежде всего воздуха. Ее достижения обусловили разработку полупроводников, которые применяются в энергетике при изготовлении сверхпроводящих соленоидов, электрических машин с обмотками из сверхпроводящих материалов. В перспективе создание сверхпроводящих трансформаторов, линий электропередач, сверхсильных магнитов, необходимых для удержания плазмы при термоядерной реакции, и т. д.

Резко возросли требования к чистоте материалов. До недавнего времени чистые материалы соответствовали определениям технически чистые (содержание основного компонента - 99.9%) или химически чистые (99.99%). Теперь в атомной энергетике необходимы сверхчистые уран и торий (например, примесь бора в уране не должна превышать 10-5 %). Еще более высокие требования к чистоте материалов в полупроводниковой технике: норма примесей в большинстве материалов - менее 10-11 %.

Потребителями сверхчистых материалов стали квантовая электроника (рабочие элементы лазеров), космическая техника (солнечные батареи, топливо и т. д.). У многих сверхчистых материалов обнаружены неожиданные свойства. Так, железо и цинк, которые легко поддаются коррозии, в очищенном виде успешно противостоят ей; считавшиеся твердыми и хрупкими хром, титан, вольфрам, молибден и другие тугоплавкие металлы после глубокой очистки становятся податливыми, и их можно прокатывать в фольгу.

Ужесточение технико-экономических требований к материалам и ограниченность сырьевых ресурсов Земли обусловили рост потреблении традиционных материалов на новом технологическом уровне в сочетании с усиливающими их элементами из более прочных материалов. Использование таких материалов, получивших название композиционных, способствует повышению работоспособности техники, снижению себестоимости продукции, организации гибких производств. Не все предпосылки к росту потребления композиционных материалов благоприятны. Производство некоторых из них связано с опасностью для здоровья людей на рабочих местах, создает дополнительные проблемы защиты окружающей среды. Разработка и внедрение стратегий, позволяющих извлекать максимальную выгоду из этого направления материаловедения, является важной задачей.

Актуальной проблемой стала защита материалов от химического взаимодействия с окружающей средой, агрессивность которой существенно возросла вследствие усиления производственной деятельности человека. Колоссальных размеров достигли затраты на ликвидацию последствий изнашивания материалов в машинах. Знание закономерностей старения материалов, т.е. происходящего во времени изменения их структуры и свойств, необходимо для принятии мер по стабилизации свойств материалов и прогнозирования работоспособности объектов техники.

Ценность разработкам и исследованиям в области материалов придает тот факт, что некоторые из разработанных технологий являются так называемыми "генеративными", то есть, порождающими принципиально новые направления создания ранее неизвестных типов изделий, либо образцов техники новых поколений.

Не вызывает сомнения также тесная связь между использованием новых материалов и конкурентной способностью промышленной продукции. Уровень разработки новых материалов в различных странах мира, составленный по данным экспертов США и стран Западной Европы, приведен в табл. 1.

Таблица 1. Относительный уровень разработки новых материалов электромагнитных излучений и бронематериалы материалы свойствами и биомолекулярные материалы Из табл. 1 следует, что Россия имеет паритет со странами НАТО в области создания конструкционных и высокотемпературных материалов, а также брони и технологий защиты от электромагнитных излучений. В то же время следует признать значительное отставание России в разработках широкого спектра, так называемых, функциональных материалов, определяющих прогресс электронной, энергетической, биомолекулярной и других важнейших областей науки и техники.

К функциональным материалам, как правило, относят:

- аморфные материалы, для получения которых необходимо охлаждать металлы со скоростью более миллиона градусов в секунду, после чего они приобретают структуру стекла и удивительное сочетание физикомеханических и химических свойств;

• "интеллектуальные" или "умные" материалы, характерной особенностью которых является способность "запоминать", отслеживать и возвращать деформацию и форму конструкции;

• интерметаллические материалы;

• композиционные материалы на металлической, полимерной или углеродной матрице;

• ультрадисперсные и нанофазные материалы, элементарный размер фрагментов структуры в которых составляет менее сотых и тысячных долей микрона;

• алмазоподобные сверхтвердые пленки;

• функционально-градиентные покрытия и др.

Особенность новых и новейших материалов, в отличие от традиционных, состоит в их более тесной взаимосвязи с технологией переработки в изделие. В ряде случаев процесс изготовления материалов и изделия из него составляет единое целое.

Большое число технологических методов обработки и технологических процессов (например, реактивная и инжекционная формовка, экструзия, сверхпластичная формовка, высокоскоростное охлаждение, порошковая металлургия, лазерные технологии, высокоэнергетическое ионноплазменное напыление и другие) интенсивно развивались в последние годы и в начале XXI века будут определять рынок высокотехнологичного оборудования.

О тенденциях развития мирового рынка новых материалов с 1980 по 2000 г.

свидетельствуют данные табл. 2, которые убедительно указывает на преобладающие темпы роста новейших материалов по сравнению с традиционными.

Таблица 2. Прогноз развития мирового рынка новых материалов Новые материалы За последние годы в США стали использоваться тысячи марок новых и новейших материалов. Общий объем поставок материалов в США в стоимостном отношении составил примерно 400 млрд. долл, включая 60 - 70 млрд. долл. или 1.5% от национального валового продукта на новые материалы.

Вклад новейших конструкционных и функциональных материалов в стоимость перспективных видов вооружений и глубоководной техники составляют от 40 до 85%.

Они являются опорной базой модернизации электроники, подводных лодок и новых типов кораблей и судов, ракетнокосмической техники и авиации.

В США на НИОКР в области материалов на протяжении последних 10 лет федеральное правительство выделяло более 1 млрд. долл. Ежегодные расходы частных фирм на эти цели составляют 5-6 млрд. долл. Предполагается, что в самолетах пятого и последующих поколений весовая доля перспективных композиционных материалов может достичь 65 Наблюдается тенденция создания таких материалов, в которых сочетаются эксплуатационные возможности сразу нескольких функциональных элементов готовых изделий, в том числе электронных и функционально-градиентных материалов. Материалы такого рода находят применение в стелс-технологии и в системах демпфирования. На базе функциональных металлических материалов с высокой каталитической способностью в США и России проектируются гиперзвуковые орбитальные самолеты XXI века.

Таким образом, даже такое краткое описание современных достижений и проблем материаловедения и технологии производства материалов свидетельствует, что эти научные дисциплины находятся в стадии революционных перемен и входят в число ключевых факторов научно-технического прогресса. В заключение этой главы приводим документы, которые в ближайшие годы будут в значительной мере определять развитие материаловедческих исследований в Российской Федерации.

Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в РФ Безопасность и противодействие терроризму Индустрия наносистем и материалов Информационно-телекоммуникационные системы Перспективные вооружения, военная и специальная техника Рациональное природопользование Транспортные, авиационные и космические системы Энергетика и энергосбережение Перечень критических технологий Российской Федерации Код Наименование Базовые и критические военные, специальные и промышленные технологии Биоинформационные технологии Биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных Геномные и постгеномные технологии создания лекарственных средств Клеточные технологии Нанотехнологии и наноматериалы Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом Технологии биоинженерии Технологии водородной энергетики Технологии механотроники и создания микросистемной техники Технологии мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы Технологии новых и возобновляемых источников энергии Технологии обеспечения защиты и жизнедеятельности населения и опасных объектов при угрозах террористических проявлений Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации Технологии оценки ресурсов и прогнозирования состояния литосферы и Технологии переработки и утилизации техногенных образований и Технологии производства программного обеспечения Технологии производства топлив и энергии из органического сырья Технологии распределенных вычислений и систем Технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф Технологии создания биосовместимых материалов Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления Технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов Технологии создания и обработки кристаллических материалов Технологии создания и обработки полимеров и эластомеров Технологии создания и управления новыми видами транспортных систем Технологии создания мембран и каталитических систем Технологии создания новых поколений ракетно-космической, авиационной и морской техники Технологии создания электронной компонентной базы Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии Технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем Технологии экологически безопасного ресурсосберегающего производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов Технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых

ГЛАВА 4. КЛАССИФИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Классификация материалов по этапу переработки В ходе процесса переработки кроме целевого продукта, как правило, образуются отходы. Однако, то, что считается отходами для одного производственного цикла, может служить сырьем для другого. В этом случае такие материалы являются вторичным сырьем.

4.2. Классификация материалов по их назначению (материалы, используемые в узлах трения) технологические (вспомогательные) клеи, герметики 4.3.Классификация материалов по наиболее важным для определенных условий свойствам или их совокупности Магнитная восприимчивость диа-, пара-, ферромагнетики Коррозионная устойчивость покрытия, легирующие добавки 4.5. Классификация материалов по условиям применения материала Условия применения материала Примеры материалов Электрическое и магнитное поля провода, сердечники трансформаторов Электромагнитное и корпускулярное защита ядерных реакторов излучения Большая скорость, ускорение корпус космического корабля 4.5. Классификация по структурным признакам Выделяют несколько уровней данной классификации, которые соответствуют разным уровням организации вещества материалов.

4.6. Классификация по макроструктуре (агрегатному состоянию) Газы – тела, не имеющие постоянных формы и объёма.

Жидкости – тела, не имеющие постоянной формы, но имеющие постоянный объём.

Твердые тела – тела, имеющие постоянные форму и объём.

Жидкие кристаллы, пленки и покрытия, микро- и наноструктуры – переходные формы обладающие признаками различных агрегатных состояний.

4.7. Классификация твердых материалов по количеству фаз и масштабу неоднородностей структуры Простые материалы - образованы одним стекло, чистые металлы, гипс веществом Сплавы - материалы с однородной структурой, эвтектические сплавы – образовавшиеся в результате затвердевания многофазные системы (олово – расплава химически разнородных веществ свинец);

Композиты – многофазные материалы с бетонный блок с арматурой неоднородной макроструктурой 4.8. Классификация твердых материалов по микроструктуре Объект характеризуется ориентированным Объект характеризуется Дальний порядок отсутствует, т.е. имеется только дальним порядком в расположении структурных неориентированным ближний порядок в расположении структурных единиц ориенти Вдоль любого отрезка (ориентира), Заданный вид Заданный вид упорядоченности наблюдается на рованн соединяющего две любые точки на упорядоченности маленьких участках, т.е. направление ориентира с таким дальни на расстояниях, много больших й межатомных (сотни ангстрем) порядок имеется периодичность в расположении структурных единиц вещества материала 4.9. Классификация материалов по атомно-молекулярной структуре Данную классификацию проводят в соответствии с видом структурных единиц вещества материала и характера (особенностей связей) между этими единицами.

Структурные единицы вещества материала Тип связей (взаимодействия) между структурными единицами вещества материала я неполярная я полярная

РАЗДЕЛ 2. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Каждая из наук выделяет в окружающем нас материальном мире определённую совокупность объектов, которые являются предметом её исследования. При рассмотрении строения материалов ключевым являются понятия химическая и физическая материя. К ним причисляют объекты, отвечающие приведенной ниже схеме.

атомные кристаллы атомы молекулы молекулярные кристаллы последовательно рассмотрены элементы этой схемы, которые позволяют составить целостное представление о строении материи, что служит основой успешного прогноза свойств веществ исходя из их состава.

ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Исторически термин элементарные частицы был введен для неделимых частиц материи, из которых состоят атомы. Сначала таковыми считались электроны и протоны.

Затем были открыты нейтроны. Впоследствии к элементарным частицам причислили фотоны – кванты электромагнитного поля, а также нейтрино – частицы, образующиеся в результате радиоактивного распада ядер. Экспериментальные исследования показали, что в столкновениях выше перечисленных частиц достаточно высокой энергии образуются частицы новых типов. К настоящему времени обнаружено множество разновидностей микрочастиц.

К элементарным частицам современная физика относит все микрочастицы, за исключением атомных ядер с массовым числом больше единицы. Исследования на современных ускорителях (суперколлайдерах) показали, что большинство элементарных частиц обладает внутренней структурой. Однако такие частицы, как электрон, позитрон и элементарными.

Классификация элементарных частиц (табл. 1) базируется на классификации фундаментальных взаимодействий. Физике известны гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Гравитационное взаимодействие является самым универсальным, ему подвержены все объекты во Вселенной. Для классификации элементарных частиц (ввиду их малых масс) принципиальное значение имеют только три последних взаимодействия.

Наиболее многочисленное множество элементарных частиц составляют адроны. Это частицы, которые обладают способностью участвовать в сильном взаимодействии.

Следует иметь в виду, что адроны участвуют и в других взаимодействиях: в гравитационном – из-за наличия массы, в электромагнитном – из-за наличия электрического заряда и/или магнитного момента (см. п. 2.2.4), в слабом – по причинам, изложенным ниже. Но для всех адронов доминирующим является именно сильное взаимодействие. К адроном относятся нуклоны – протоны и нейтроны.

Адроны подразделяют на мезоны и барионы по величине собственного момента импульса – спина (см. п. 2.2.4). К мезонам относятся адроны с нулевым или целым спиновым квантовым числом, к барионам – с полуцелым спиновым квантовым числом.

Таблица 1. Классификация элементарных частиц (фрагмент) взаимодействия видах взаимодействий (адроны) сильных взаимодействиях частиц В ходе экспериментальных исследований было обнаружено, что адроны обладают рядом сохраняющихся величин, которые, по аналогии с электрическим зарядом, тоже были названы зарядами. К настоящему времени известны барионный, странный, очаровательный и красивый заряды. Все эти величины целочисленные и для их сумм выполняются определенные законы сохранения. Численные значения этих параметров адронов сведены в таблицы, с которыми можно ознакомиться в специализированных курсах физики элементарных частиц.

Все адроны обладают внутренней структурой. Однако их можно называть элементарными, т.к. их невозможно разделить на составные части. Согласно современным представлениям адроны содержат истинно элементарные частицы – кварки. Сильным взаимодействием кварки связаны внутри адронов. Экспериментальные исследования показали, что кварки имеют определенные физические характеристики (электрический заряд, спин, барионный заряд, странность, очарование, прелесть и другие), Переносчиками сильного взаимодействия являются другие элементарные частицы – глюоны, аналогично тому, как переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Характер межкваркового взаимодействия таков, что они не могут вылетать из адронов в свободном виде. Это свойство получило название конфайнмент.

Согласно современной теории, должно существовать шесть различных типов кварков (u, d, s, c, b, t), причем для существования первых пяти обнаружены веские экспериментальные доказательства. Теория, описывающая строение и процессы взаимодействия адронов на основе кварк-глюонной структуры, называется квантовой хромодинамикой.

Множество короткоживущих адронов (т.н. резонансов), которых экспериментально обнаружено более сотни, представляют собой возбужденные состояния кварковых систем и не являются новыми элементарными частицами.

Среди частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях, выделяется семейство лептонов, которое содержит шесть истинно элементарных частиц: электрон, мюон, таулептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Все эти частицы участвуют в слабом взаимодействии, а заряженные лептоны – дополнительно в электромагнитном взаимодействии.

Лептоны подразделяются на три пары, каждая из которых состоит из заряженного лептона (электрона, мюона или тау-лептона) и соответствующего нейтрино. Каждая пара лептонов обладает своим характерным параметром – лептонным зарядом. Таким образом, существуют три различных лептонных заряда.

Элементарными частицами также являются фотон (переносчик электромагнитного взаимодействия).

экспериментально.

Фотон, электрон, протон, нейтрино и их античастицы являются стабильными. Прочие элементарные частицы характеризуются конечным средним временем жизни и способом распада. Нестабильные частицы имеют средние времена жизни в диапазоне от 15.5 мин.

для нейтрона до 10–24 сек. для некоторых резонансов.

Замечательной особенностью элементарных частиц является то, что почти для каждой из них существует аналог, отличающийся от данной только знаками всех своих зарядов.

Примером являются электрон и позитрон. Такие пары называются античастицы. У нейтрона существует античастица – антинейтрон, который от нейтрона отличается знаком барионного заряда. Аналогично, у каждого вида нейтрино существует соответствующее антинейтрино, которое отличается знаком лептонного заряда. Античастицы не существует у фотона – частицы, у которой все заряды равны нулю.

При столкновении частицы с её античастицей происходит аннигиляция. Обе частицы исчезают, а возникают новые частицы, общая сумма зарядов которых равна нулю. При этом энергии возникших частиц, их количество и их разновидности ограничиваются только законами сохранения. В подавляющем числе случаев в результате аннигиляции образуются фотоны – частицы с нулевой массой покоя. Обратным по отношению к аннигиляции процессом является рождение частиц и их античастиц из квантов поля.

Например, фотон с энергией, превышающей удвоенную энергию покоя электрона, может исчезнуть, образовав пару, состоящую из электрона и позитрона.

Во всех взаимодействиях элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса, которые связанны с симметрией пространствавремени. Кроме этого, в процессах взаимодействия элементарных частиц выполняется ещё ряд законов сохранения.

Строгим является закон сохранения электрического заряда суммарные электрические заряды частиц до взаимодействия и после взаимодействия совпадают.

Аналогично строго выполняются законы сохранения барионного и лептонных зарядов. В частности, а во всех процессах изменение количества барионов должно сопровождаться точно таким же изменением числа антибарионов.

Для других зарядов (странного, очарованного, красивого) законы сохранения выполняются только в сильных и электромагнитных взаимодействиях и нарушаются в слабых. Это типичные примеры нестрогих законов сохранения. К ним также относятся законы сохранения изоспина и его проекции, зарядового сопряжения, комбинированной четности и т.д., о которых можно узнать в подробных курсах физики элементарных частиц.

Среди элементарных частиц наибольший интерес для химиков представляют нуклоны (протон и нейтрон) и электрон, т.к. химическую материю можно представить состоящей из этих частиц. Параметры этих трех частиц в значительной степени определяют свойства атомов химических элементов.

ГЛАВА 2. АТОМНОЕ ЯДРО

2.1. Общие положения Атом – электронейтральная частица, состоящая из ядра и электронной оболочки.

Изолированный атом обладает приблизительно сферической симметрией.

Атомное ядро – центральная положительно заряженная часть атома. Ядро состоит из нуклонов, которые могут находиться в двух состояниях – протонном (протон имеет положительный заряд) и нейтронном (нейтрон электронейтрален). Ядра, состоящие из чётного (нечётного) числа протонов и четного (нечётного) числа нейтронов, называют чётно-чётными (нечётно-нечётными). Ядра, состоящие из чётного (нечётного) числа протонов и нечетного (чётного) числа нейтронов, называют чётно-нечётными (нечётночётными). Иначе говоря, первое слово относится к протонам, второе – к нейтронам.

Электронная оболочка атома – совокупность электронов атома.

Электрические заряды протона и электрона равны друг другу по абсолютной величине и противоположены по знаку (е = 1.602·10–19 Кл). Эти величины приняты за единичный положительный (+е) и отрицательный (–е) электрические заряды соответственно. В ядрах атомов может содержаться от 1 до ~110 протонов. В Объединённом институте ядерных исследований (г. Дубна Московской области) уже синтезированы ядра, содержащие 114 и 116 протонов.

На каждый протон в атомном ядре приходится, как правило, 1 3 нейтрона. У ядер легких атомов (с химическими номерами Z 20) число протонов почти всегда равно числу нейтронов. С ростом химического номера количество нейтронов, приходящихся на один протон, возрастает.

Сумма числа протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре называется массовым числом (А), т.е.

A=Z+N. Символом Z можно обозначать также заряд частицы, если он выражен в элементарных зарядах.

Химический элемент – совокупность атомов с одинаковым числом протонов в ядре (зарядом ядра). Названия и символы известных на сегодняшний день химических элементов приведены в Периодической системе Д.И. Менделеева. Порядковый номер элемента в этой таблице совпадает с числом протонов в ядрах атомов этих элементов.

Определенный тип атомных ядер, содержащий Z протонов и N нейтронов (N = A – Z), имеет называние нуклид. Нуклиды и элементарные частицы обозначаются своим символом вида " X ", где "Х" – символ химического элемента или частицы.

Примеры: O (О – символ химического элемента кислорода, ядро атома которого содержит 8 протонов; 16– сумма числа протонов и нейтронов в ядре).

1 p и 1 n - символы протона и нейтрона соответственно.

Изотопы химического элемента – атомы с одинаковым числом протонов (зарядом ядра) и различным числом нейтронов. Пример: 16 O и 17 O (Z1=Z2=8). Химические свойства изотопов элемента и их соединений одинаковы, так как химическая активность определяется строением электронной оболочки атома. Физико-химические свойства изотопов и их соединений (температуры плавления, кипения и т.п.) несколько различаются, в основном из-за различия масс атомов.

Изобары – атомы различных химических элементов с одинаковым массовым числом.

Пример: 40 K и 40 Ca (A1=A2=40).

Изотоны - атомы различных химических элементов с одинаковым числом нейтронов.

Пример: 40 K и 41 Ca (N1=N2=21).

Ядерные изомеры – ядра одного изотопа, различающиеся энергией и некоторыми другими ядерными характеристиками (например, спином). Пример: Sn и Sn.

Ядро Sn находится в основном состоянии (с минимально возможной энергией), а ядро 119 * Sn – в возбужденном состоянии. Переход ядра из возбуждённого состояния в основное сопровождается испусканием фотона (-кванта).

Количество атомов, электронов, протонов и других частиц (молекул, радикалов и т.д.), с которыми на практике приходится иметь дело химикам, очень велико. Поэтому для измерения количества таких частиц принято использовать единицу, которую называют моль. За один моль принимается количество частиц, равное числу атомов в 12 граммах изотопа углерода с массовым числом 12 (12 C ). Эту величину называют число Авогадро NA = 6.021023 моль–1.

Массы химических частиц крайне малы, если измерять их в граммах, килограммах и т.п. Поэтому для выражения масс частиц используют специальную единицу измерения – атомную единицу массы (а.е.м.). Это масса, равная 1/12 массы атома изотопа углерода 12 C (1а.е.м. = 1.6610-24 г = 1.6610-27 кг). Массы атомов, выраженные в а.е.м., называют относительной атомной массой (Ar).

Значения Ar химических элементов приведены в Периодической системе. Они численно совпадают с массой одного моля данных атомов, выраженной в граммах.

В природе атомы практически всех химических элементов представлены смесью нескольких изотопов, имеющих из-за различия числа нейтронов и различные Ar. Поэтому в Периодической системе приведено значение, полученное усреднением величин Ar этих изотопов. Для определения этого среднего значения Ar берут некоторое количество природной смеси изотопов массой m (например, 100 грамм), определяют массу каждого изотопа в смеси (m1, m2, m3 …) и проводят расчет по формуле:

Ar(элемента) = (1) Отношение m1/m и т.п. есть массовая доля компонента смеси (1), сумма массовых долей всех компонентов смеси равна 1.

Пример. Химический элемент кислород (8O) представлен в природе тремя изотопами:

O (Ar=15.9949 а.е.м., =0.9976), O (Ar=16.9993 а.е.м., =0.0004), O (Ar=17.9992 а.е.м., =0.0020).

В результате расчета по формуле (1) получаем Ar элемента равно 15.9993 а.е.м.

Задача Укажите, какие нуклиды среди нижеприведенных являются а) изотопами одного химического элемента, б) изобарами в) изотонами.

2.2. Строение атомных ядер 2.2.1. Размер атомного ядра и плотность ядерного вещества Предполагается, что ядра атомов имеют форму шара, поэтому их размер выражают их радиусом. Согласно экспериментальным данным радиус ядра можно рассчитать по приближенной формуле Значение 10–15 метра используют для измерения ядерных расстояний и называют ферми.

Плотность ядерного вещества всех изотопов очень близка и примерно одинакова во всех точках ядра (~1017 кг/м3). Её рассчитывают по формуле:

, где М – масса ядра, V – объём ядра, Ma - масса атома, me – масса покоя электрона.

Заметим, что так как масса электрона me = 0,9110–30 кг, то массой электронной оболочки Z·me можно пренебречь по сравнению с массой атома).

Задача Рассчитайте радиус ядра и плотность ядерного вещества атома урана-238.

М(238U) = 238.050760 а.е.м.

Решение 1. R = 1.2·10-15· 3 238 7.4·10-15 м Для сравнения – радиус атома урана составляет ~10-10 метра, т.е. он примерно в десять тысяч раз больше радиуса ядра.

Значение 10–10 м является удобной величиной для измерения размеров атомов и межатомных расстояний в молекулах. Поэтому эта величина принята в качестве внесистемной единицы и называется ангстрем ().

Для сравнения - плотность металлического урана-238 составляет ~1.9·104 кг/м3, т.е. в десять тысяч миллиардов раз меньше плотности ядерного вещества.

2.2.2. Энергия связи нуклонов в ядре Важнейшей причиной, приводящей к образованию атомных ядер, является понижение энергии при объединении нуклонов. Энергией связи ядра E0 называется энергия, которую надо затратить для разделения ядра на составляющие нуклоны без сообщения им дополнительной кинетической энергии. Энергию связи нуклонов в ядре рассчитывают по соотношению (4).

Величина m – это изменение массы системы при образовании ядра из изолированных и неподвижных нуклонов:

, где mp, mn – массы покоя протона и нейтрона, с – скорость света в вакууме.

Энергию атомных процессов принято измерять в мегаэлектрон-вольтах.

1 МэВ = 1.6·10–13 Дж, т.к. по определению 1 эВ это энергия, которую приобретает электрон, ускоренный разностью потенциалов 1 вольт, т.е. 1 эВ = 1.6·10–19 Дж.

Во многих справочниках приведены не массы ядер изотопов, а массы их атомов (Ma), Массу ядра можно рассчитать формулой:

, где me – масса покоя электрона.

Ввиду того, что Ma >> Z·me, величину m можно представить приближенной формулой, где mН - масса атома водорода (1Н).

Более информативной величиной при сравнении устойчивости ядер является удельная энергия связи *E0 (в расчете на один нуклон):

Вид зависимости *E0 от массового числа (т.е. от количества нуклонов в ядре) показан на рис. 1.

Как видно из рисунка, эта зависимость *E0(А) имеет ряд особенностей. Её левый склон круче правого. Для легких ядер характерны всплески удельной энергии связи в случае четного содержания протонов и нейтронов (например, чётно-чётные ядра He и O ), что свидетельствует об их особой устойчивости. При A>20 величина удельной энергии связи *E0 лежит в сравнительно узком интервале значений 7.4 8.8 МэВ.

Максимум кривой *E0(А) приходится на ядра с массовым числом А 60. Эта область соответствует, в основном, ядрам изотопов Fe и Ni. В направлении тяжелых элементов спад кривой происходит сравнительно медленно. У самых тяжелых ядер величина *E составляет ~7.5 МэВ.

Спад кривой *E0(А) в области правее максимума является основой получения энергии в ядерных реакторах деления и при взрывах ядерных боеприпасов (урановых и плутониевых). Левый склон графика зависимости E0(А) в области легких ядер обуславливает возможность экзоэнергетических реакций термоядерного синтеза, протекающих в звездах и при взрывах термоядерных бомб.

Например, в ядерных реакторах под действием нейтронов идет ядерная реакция деления ядер U на осколки с массовыми числами, более близкими к максимуму кривой *E0(А).

По уравнению реакции можно вычислить энергетический эффект такой реакции:

Для сравнения заметим, что при "сгорании" в ядерном реакторе 1 грамма урана- выделяется столько же энергии, сколько при сгорании 2.5 тонн антрацита (углерода).

Задача Рассчитать энергию связи нуклонов в ядре изотопа урана-238.

Ма(238U) = 238.050760 а.е.м.

mp = 1.007276 а.е.м.

mn = 1.008665 а.е.м.

Решение 1. m = Z·mp + (A – Z)·mn – M = 921.007276 + (238-92)1.008665 – (238.050760 – 920.000549) = 1.934230 а.е.м.

Если пренебречь массой электронной оболочки и выполнить расчет по формуле (7), то получится значение m = 1.883722 а.е.м.).

Вычисленная величина m составляет примерно 1% от массы ядра.

Для перевода массы m в систему "СИ" умножим полученное значение на переводной коэффициент:

m = 1.9342301.66054010-27 = 3.21186610-27 кг.

2. E0 = m·с2 = 3.21186610-27(3108)2 = 2.89068010-10 Дж Вычислим удельную энергию связи ядра урана- (При представлении ответа в МэВ достаточно указанной точности).

В ряде справочников для нуклидов (атомных ядер) приводится дефект масс, т.е.

величина Из М должны выражаться в а.е.м. Для вычисления энергии связи E0 ядер и энергий ядерных реакций целесообразно пересчитать дефект масс М в его энергетический мегаэлектронвольтах. Массе в 1 а.е.м. соответствует энергия покоя 931501.59 кэВ. К сожалению, еще не изжита традиция вместо массы указывать ее энергию покоя. В качестве примера приведен следующий фрагмент справочной таблицы (табл. 2).

Таблица 2. Энергетический эквивалент дефектов масс некоторых нуклидов В последнем столбце данной таблицы приведены, строго говоря, не дефекты масс М, а их энергетические эквиваленты Мc2.

Энергию связи ядра можно вычислить как разность энергетических эквивалентов дефектов масс суммы нуклонов (Мp и Мn) и ядра МЯ:

Для ядра U, пользуясь данными вышеприведенной таблицы, получим:

E0(238U) = 927289.034 + 1468071.431 – 48307.0 = 1800713 кэВ Разделив величину E0(238U) на количество нуклонов получим удельную энергию связи ядра: *E0 7.6 МэВ.

2.2.3. Ядерные силы Взаимодействие нуклонов в ядре осуществляется посредством ядерных сил. Они обусловлены фундаментальным сильным взаимодействием и представляют собой особый тип сил, отличающийся от электромагнитных, слабых и гравитационных. Энергия ядерных сил и кулоновского взаимодействия протонов в ядре определяет суммарную энергию связи нуклонов E0. Гравитационное взаимодействие нуклонов пренебрежимо мало из-за малой массы нуклонов. Слабое взаимодействие также не дает заметного вклада в межнуклонные силы, а обуславливает некоторые ядерные процессы, которые описаны ниже.

Ядерные силы характеризуются рядом свойств.

Являются силами притяжения.

Являются короткодействующими, т.е. действуют на расстояниях, сопоставимых с размерами нуклонов (~10–15 м), и превосходят действие всех остальных известных сил.

ограниченным числом других ближайших к нему нуклонов.

Проявляют зарядовую независимость, т.е. ядерные силы не зависят от электрического заряда частиц.

Содержат нецентральную компоненту, а их потенциал не имеет сферической симметрии.

Имеют обменный характер, т.е. при столкновениях внутри ядра нуклоны могут обмениваться зарядами и другими физическими характеристиками.

Все сложные свойства ядерных сил в принципе должны объясняться в рамках кварковой теории (квантовой хромодинамики). Однако механизм межнуклонного взаимодействия может быть успешно описан приближенной теорией Юкавы. Согласно этой теории, межнуклонное притяжение возникает в процессе обмена нуклонов мезонами. Пи-мезоны – это адроны с нулевым барионным зарядом и массой около масс электрона. Существуют -мезоны трех разновидностей: положительные, отрицательные и нейтральные, поэтому при обмене такими мезонами возможны взаимопревращения протонов и нейтронов.

2.2.4. Механический, магнитный и электрический моменты атомного ядра Физические свойства атомов и атомных ядер описываются квантовой теорией, и некоторые из них не имеют макроскопических аналогий. Например, из-за такого фундаментального закона физики, как соотношение неопределенности движение нуклонов по определенным орбитам становится невозможным. Также физически некорректным является представление вращения нуклона вокруг своей оси. Однако, закон сохранения момента импульса остается справедливым и в микромире. Каждый нуклон атомного ядра обладает моментом импульса, который по аналогии с классической физикой называется орбитальным. Модуль орбитального момента импульса нуклона в атомном ядре может принимать только дискретные значения, где – постоянная Планка, равная 1.054610–34 Джс. Орбитальное квантовое число l может быть равно: 0, 1, 2, … Кроме того, каждый нуклон, независимо от своего состояния внутри ядра обладает собственным момента импульса (спином), модуль которого равен, где квантовое число s является константой (равно ). … Спин () имеют и свободные нуклоны, находящиеся вне атомного ядра.

Сумма спина S и орбитального момента L нуклона называется полным моментом импульса j нуклона. Суммарный момент импульса ядра J образуется сложением полных моментов импульса всех нуклонов. Модуль момент импульса ядра квантуется по закону, аналогичному (11) и (12):

Значения квантового числа J существенно зависят от состава ядра. У чётно-чётных ядер J = 0, у нечётно-нечётных ядер число J целое: 1, 2, 3 … Для чётно-нечётных и нечётночётных ядер квантовое числа J принимает полуцелые значения: 1/2, 3/2, 5/2 … Постоянно происходящее движение протонов внутри ядра можно представить как наличие локальных электрических токов, каждый из которых создает магнитное поле.

Иначе говоря, протоны в ядре обладают магнитным моментом. Эксперименты показали, что наличие спинов у нуклонов обуславливает существование дополнительно собственных магнитных моментов у этих частиц. Сумма отдельных моментов дает магнитный момент ядра M. Модуль этого вектора можно представить в виде соотношения, где µя = – ядерный магнетон, величина g – безразмерный коэффициент.

исследования показали, что величины магнитных моментов ядер с J 0 имеют порядок ядерного магнетона µя. Это значит, что магнитные моменты нуклонов в ядре в основном компенсируют друг друга. Для приближенного вычисления магнитных моментов чётнонечётных и нечётно-чётных ядер используют однонуклонное приближение. В этом приближении предполагается, что магнитные моменты ядер обусловлены движением одного или нескольких «валентных» нуклонов около остальной части ядра, состоящей из чётного числа нуклонов, векторная сумма спиновых и орбитальных моментов которых равна нулю.

Электрический заряд протонов в ядре может быть распределён неравномерно.

представляется в виде эллипсоида вращения. Для ядра, вытянутого вдоль направления вектора спина, квадрупольный электрический момент Qя положителен; для ядра, сплющенного в этом направлении, Qя < 0. При сферическом распределении заряда в ядре Qя = 0 (это имеет место при спине ядра, равного 0 и в единицах h/2).

взаимодействуют с внешними магнитными или электрическими полями, что приводит к изменению энергии ядра.

Ядро с магнитным моментом M 0 во внешнем магнитном поле B приобретает дополнительную энергию, равную, где MZ – проекция магнитного момента на направление поля B. Как следствие, состояния ядра с различными значениями проекции MZ получают различные энергии. При определенном значении квантового числа J магнитный момент может иметь 2J+ различных проекций:

, где квантовое число MJ пробегает дискретный ряд значений: –J, –J+1, … +J.

Говорят, что энергетический уровень ядра расщепляется на (2J+1) магнитных подуровней.

Атомное ядро может поглотить фотон с энергией, равной gµяB и при этом перейти на другой (более высокий) энергетический подуровень. Следовательно, при облучении вещества атомных ядер потоком фотонов с энергиями должно происходить резонансное поглощение электромагнитного излучения атомными ядрами. Этот эффект называется ядерный магнитный резонанс.

Если ядро имеет квадрупольный электрический момент, то вследствие его взаимодействия с внутримолекулярным или внутрикристаллическим электрическим полем также происходит расщепление энергетических уровней ядра на подуровни (эффект Штарка). Соответствующее избирательное поглощение электромагнитного излучения веществом, связанное с переходами атомных ядер между различными штарковскими подуровнями энергии, называется ядерный квадрупольный резонанс.

Спектральные методы исследования, основанные на эффектах ядерного магнитного резонанса и ядерного квадрупольного резонанса, являются эффективными приёмами изучения структуры молекул и кристаллов.

2.2.5. Модели строения атомного ядра Полная количественная теория атомного ядра в настоящее время еще не закончена из-за сложного характера межнуклонного взаимодействия. Поэтому для описания определенных совокупностей свойств атомного ядра используют различные модели:

капельную, оболочечную, оптическую, обобщенную и другие. Каждая из них базируется на некоторых постулатах, которые позволяют вычислять те или иные характеристики ядра с приемлемой точностью.

В рамках этой модели силы, действующие между нуклонами, рассматриваются как аналог молекулярных сил в капле жидкости. Энергия притяжения нуклонов, обусловленная ядерными силами, соответствует энергии молекулярного притяжения молекул в капле жидкости. Для того чтобы капельную модель использовать для вычисления энергии связи ядра необходимо дополнительно учесть кулоновское отталкивание положительно заряженных протонов. Силы межнуклонного взаимодействия короткодействующие, поэтому нуклоны, находящиеся на поверхности ядра, испытывают одностороннее притяжение ядерными силами внутрь ядра, что характеризуется аналогом коэффициента поверхностного натяжения для жидкостей. Кроме того, на величину энергии связи ядра влияет взаимная ориентация спинов отдельных нуклонов. Результатом расчета по капельной модели является полуэмпирическая формула Вейцзеккера для энергии связи нуклонов в ядре E0 (МэВ) = ·A – ·A2/3 – ·Z2·A–1/3 – ·(A/2 – Z)2·А–1 + ·А–3/4 (18), где коэффициенты имеют следующие числовые значения:

= 15.75 МэВ, = 17.80 МэВ, = 0.71 МэВ, ·= 94.80 МэВ, = +34 МэВ для чётно-чётных ядер, = 0 для чётно-нечётных и нечётно-чётных ядер, = –34 МэВ для нечётно-нечётных ядер.

короткодействующим характером межнуклонных сил. В результате основой вклад в энергию связи пропорционален числу нуклонов. Второй член в (18) учитывает то, что часть нуклонов находится на поверхности ядра. Как следствие энергия связи уменьшается за счет одностороннего притяжения поверхностных нуклонов. Величина поверхностной энергии пропорциональна площади поверхности ядра и, в соответствии с формулой (2), пропорциональна A2/3. Третье слагаемое представляет собой энергию кулоновского отталкивания протонов, пропорциональную Z2/r или, согласно (2), Z2·A–1/3. Четвертый член формулы (18) обусловлен обменным характером ядерных сил и характеризует увеличение энергии связи при равенстве числа протонов и нейтронов в ядре Z = A – Z = A/2. Последнее слагаемое возникает из-за зависимости межнуклонных сил от взаимной ориентации спинов протонов и нейтронов. Как следствие, устойчивость атомных ядер убывает в последовательности: чётно-чётные, чётно-нечётные (нечётно-чётные), нечётнонечётные ядра.

Подсчеты по формуле Вейцзеккера показывают, что в случае легких ядер (A 40), максимум энергии связи достигается при равенстве числа протонов и нейтронов Z = A – Z = A/2. С ростом массового числа A (из-за квадратичной зависимости третьего члена от числа протонов) максимум энергии связи сдвигается в область Z < A – Z. Иначе говоря, в тяжелых ядрах относительное количество нейтронов в ядре увеличивается с ростом номера химического элемента.

Оболочечная модель ядра строится по аналогии с теорией электронной оболочки атома.

В оболочечной модели полагается, что все нуклоны ядра находятся в определенных состояниях, каждое из которых характеризуется четырьмя независимыми квантовыми числами. Первое квантовое число – главное – принимает значения из натурального ряда: n = 1, 2, … Второе – орбитальное число, введенное в разделе 2.2.4, может иметь значения l = 0, 1, … Третье квантовое число – j – определяет модуль полного момента нуклона и при фиксированном числе l равняется j = l+1/2 или j = l–1/2. Наконец, четвертое квантовое число - mj - пробегает ряд значений:

Каждому состоянию соответствует определенная энергия. Согласно оболочечной модели, энергия нуклона в первом приближении зависит только от двух квантовых чисел:

главного n и орбитального l. Набор состояний с фиксированными значениями n и l называется нуклонной оболочкой. Нетрудно вычислить, что каждой оболочке принадлежит 2(2l +1) состояний, различающихся квантовыми числами j и mj и имеющих одинаковую энергию. Величина энергии резко возрастает с увеличением главного квантового числа n.

При фиксированном числе n энергия уменьшается с ростом числа l.

Нуклонные оболочки обозначаются цифрой главного квантового числа и латинской буквой, которое задает орбитальное число, в соответствии со следующей таблицей.

Таблица 3. Обозначения орбитальных квантовых чисел в символах оболочек Например, оболочка с квантовыми числами n=2 и l =1. обозначается 2p.

Нуклоны, как и электроны, имеют спиновое квантовое число, равное 1/2. Для таких частиц выполняется принцип Паули, согласно которому в одном состоянии (характеризуемом квантовыми числами n, l, j, mj) может находиться не более одной частицы.

Две системы состояний – одна для протонов, другая для нейтронов – заполняются нуклонами независимо друг от друга.

В основном состоянии атомное ядро обладает минимально возможной энергией, т.е. у него заполнены состояния оболочек с наименьшей энергией. Порядок заполнения наиболее низкоэнергетических нуклонных оболочек приведен в таблице 4.

Согласно теории, ядра, имеющие только заполненные нуклонные оболочки, обладают повышенной устойчивостью, т.е. имеют повышенную энергию связи, что влечет большую их распространённость в природе. Кроме того, такие ядра имеют сферически симметричное распределение заряда и равный нулю квадрупольный момент.

Таблица 4. Низкоэнергетические нуклонные оболочки, расположенные Предсказания оболочечной модели во многом совпадают с результатами экспериментальных исследований. Наиболее устойчивыми по сравнению с соседними ядрами являются ядра с количеством протонов или нейтронов, равными 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 152. Эти числа были названы магическими. Распространенность в природе таких ядер наиболее велика, а квадрупольные моменты их близки к нулю.

Данные таблицы 4 доказывают, что первое магическое число соответствует заполнению оболочки 1s – самой низкоэнергетической. Второе магическое число объясняется заполнением оболочек 1s и 2p, третье – заполнением четырех оболочек 1s, 2p, 1d, 2s. Для объяснения остальных магических чисел требуется усложнить модель и учитывать зависимость энергии состояния от квантового числа j.

Ядра, у которых магическими числами являются Z и N, называются дважды магическими. Эти ядра ( He, O, 20 Ca и др.) обладают повышенной устойчивостью, проявляющейся, в частности, в том, что они являются наиболее распространенными в природе изотопами этих элементов.

Оболочечная модель ядра дает правильные количественные результаты для легких ядер и ядер, находящихся в основном состоянии.

Обобщённая модель представляет собой синтез капельной и оболочечной моделей. В ней принимается, что нуклоны ядра движутся в некотором поле, называемом самосогласованным, действующем на каждый нуклон со стороны остальных.

Пространственное распределение самосогласованного поля, вообще говоря, полагается несферическим. Это объясняет отклонение формы ядра от сферической, возникновение коллективных вращательных степеней свободы, что позволяет рассчитать энергии возбужденных состояний, величину квадрупольного момента и некоторые другие физические характеристики ядра.

В обобщённой модели одночастичные состояния нуклонов так же, как и в оболочечной, характеризуются четырьмя квантовыми числами. Однако их физический смысл становится более сложным, так как отдельные нуклоны движутся в несферическом поле, и у них не сохраняется орбитальный и полный моменты импульса. В упрощенным варианте обобщённой модели ядро рассматривается состоящим из несферического "остова" и нескольких "валентных" нуклонов, движущихся в поле этого остова.

Оболочечную и капельную модели можно рассматривать как предельные случаи обобщённой модели ядра. Оболочечный аспект обобщенной модели состоит в том, что в ней сохраняют смысл индивидуальные состояния нуклонов и нуклонные оболочки.

Вместе с тем физические характеристики состояний определяются не непосредственным взаимодействием нуклонов, а их коллективным взаимодействием, как в капельной модели. Искажения потенциала взаимодействия описываются деформациями поверхности атомного ядра.

Капельный аспект обобщенной модели проявляется при больших возбуждениях ядра, которые характеризуются сильными искажениями самосогласованного поля и значительными деформациями формы ядра. Такие состояния ядра описываются коллективными эффектами без учета состояний отдельных нуклонов. При очень высоких возбужденных состояниях из ядра могут вылетать отдельные нуклоны, что наблюдается в экспериментах. Этот процесс аналогичен испарению молекул из капли жидкости при её перегреве.

2.3. Радиоактивность атомных ядер Среди всех свойств атомных ядер для химиков наибольшее значение имеет способность ядер ряда изотопов химических элементов самопроизвольно или под воздействием внешних факторов превращаться в ядра с другим составом и характеристиками. Такое свойство получило название радиоактивность. В частности, ядро может распадаться на составные части или испускать фотоны -диапазона (-кванты).

Процесс превращения ядер исторически принято называть радиоактивным распадом, хотя, например, при излучении -кванта изменения нуклонного состава ядер не происходит.

Важность для химии явления радиоактивности обусловлена тем, что в процессе радиоактивных превращений, как правило, меняется химический (элементный) состав системы – в образце появляются примеси других элементов. Это, в свою очередь, существенно влияет на физико-химические свойства системы и её поведение в различных условиях. Например, железо, очищенное до высокой степени чистоты (в отличие от неочищенного), длительное время не подвергается коррозии, т.к. даже малые примеси некоторых других элементов приводят к резкому возрастанию скорости окисления железа.

Естественной называется радиоактивность, наблюдающаяся у нестабильных изотопов, существующих в природе.

Искусственной называется радиоактивность, наблюдающаяся у нестабильных нуклидов, полученных человеком в результате ядерных реакций. При этом принимается, что минимальное время жизни ядра, образовавшегося в результате реакции, должно существенно превышать 10–12 10–13 секунды. Более короткоживущие нуклиды не рассматриваются в химии.

Физические и химические свойства изотопа, ядра которого находятся в одинаковом состоянии, не зависят от пути его получения.

Радиоактивный распад происходит без нарушения законов сохранения массового числа и электрического заряда, т.е. сумма этих величин у частиц, стоящих в левой и правой частях реакций, должна совпадать.

Исходный нуклид называют материнским, образующийся – дочерним. В сокращенной форме записи реакций радиоактивного распада заряды ядер не приводят, т.к. они фактически указаны символом химического элемента.

Пример. Ядро углерода-16 распадается на ядро углерода-15 и нейтрон, который вылетает из ядра.

С 15 С + 1 n (полная форма записи) С 15 С + n (сокращённая форма записи) 2.3.1. Количественные характеристики радиоактивных превращений Радиоактивное превращение ядер описывается законом радиоактивного распада, который в интегральной форме записывается в следующем виде:

, где:

N0 – количество ядер данного изотопа в начальный момент времени (t=0);

t – время, прошедшее с момента t=0 (секунды);

Nt – количество ядер данного изотопа, оставшееся в образце в момент t;

– постоянная радиоактивного распада, имеющая своё определённое значение для каждого вида радиоактивных изотопов (имеет размерность, обратную размерности времени: с-1).

Графически закон (19) иллюстрируется приведённым ниже рисунком.

Физический смысл величины вытекает из записи закона радиоактивного распада, представленного в дифференциальной форме:

, где левая часть – скорость распада в данный момент времени, а в правой части указано число радионуклидов в образце в этот момент. Таким образом, величина – коэффициент пропорциональности, определяющий скорость распада.

(по оси ординат отложено относительное количество ядер Nt /N0 в %) Другой величиной, также характеризующей скорость распада ядер и имеющей более наглядный смысл, является период полураспада Т – время, за которое распадается половина имевшихся в начальный момент радиоактивных ядер данного изотопа.

Пример. В начальный момент времени имелось 106 радиоактивных ядер изотопа углерода-10. Его период полураспада равен ~20 секундам.

Через 20 с в образце останется 0.5·106 таких ядер, ещё через 20 с (всего 40 с) 0.25· ядер и т.д.

Величины и Т связаны соотношением, которое получается из закона радиоактивного распада в интегральной форме, если подставить в (19) значение времени, равное Т.

активность. Обозначается она буквой, но т.к. активность изменяется с течением времени, то к этому символу добавляют подстрочный индекс – t (в общем случае) или (для начального момента).

Если умножить левую и правую часть закона радиоактивного распада (19) на постоянную распада, то получим формулу, описывающую изменение активности образца с течением времени.

В системе СИ единицей измерения активности является "беккерель" (Бк). Эта единица измерения получила название в честь Анри Беккереля – ученого, открывшего в 1896 г.

явление радиоактивного распада.

Внесистемная, но широко используемая на практике, единица измерения активности – кюри (Ки). Эта единица названа таким образом в честь Марии Складовской–Кюри и Пьера Кюри – учёных, внёсших неоценимый вклад в развитие наших представлений о радиоактивности.

Менее распространёнными единицами являются:

, а также, которые используются в медицине для характеристики радоновых ванн.

В ряде случаев удобно пользоваться активностью, отнесённой не ко всему образцу, а к единице его массы – удельной активностью.

, где m – масса образца.

2.3.2. Виды радиоактивных превращений К настоящему времени известно достаточно большое число видов радиоактивных превращений ядер и накоплен огромный фактический материал на этот счёт. Однако отсутствие полной теории строения ядер не позволяет однозначно предсказывать механизм, вероятность и количественные характеристики радиоактивных превращений для того или иного ядра. В связи с этим для описания различных аспектов радиоактивности применяют различные модели и теории.

Одна из наиболее важных причин радиоактивного распада атомных ядер может быть понята с помощью рис.3.

На диаграмме схематично показано соотношение числа протонов Z и нейтронов N в ядрах изотопов известных на сегодняшний день химических элементов. Каждому элементу соответствует свой вертикальный отрезок, который охватывает диапазон возможных значений N при фиксированном числе Z.

На рис.3. видно, что сплошная линия, проведённая через точки наиболее стабильных изотопов, по мере увеличения числа протонов Z всё больше откланяется вверх от диагонали координатной системы (Z, N). Другими словами с увеличением порядкового номера химического элемента количество нейтронов N ядра увеличивается быстрее по сравнению с количеством протонов Z. Это объясняется тем, что силы кулоновского отталкивания протонов обратно пропорциональны квадрату расстояния и являются дальнодействующими. Напротив, силы межнуклонного притяжения короткодействующие.

Как следствие, энергия притяжения нуклонов растет линейно с массовым числом, а энергия отталкивания – квадратично с числом протонов. В результате по мере увеличения числа Z для стабилизации ядра требуется непропорциональное увеличение количества электронейтральных нейтронов, что увеличивает среднее расстояние между протонами и ослабляет их кулоновское отталкивание.

Рис.3. Нуклонных состав изотопов химических элементов (По горизонтали отложено количество протонов Z в ядре, по вертикали – количество нейтронов N = A – Z. Жирная линия проходит через точки стабильных и наиболее долгоживущих радиоактивных изотопов.

Штриховая линия обозначает положение на диаграмме нуклидов с равным числом протонов и нейтронов Z = N.) Ядра изотопов, лежащие выше средней линии стабильности на рис.3, являются (протоноизбыточными).

Радиоактивные процессы можно интерпретировать как смещение ядер изотопов, находящихся на краях вертикальных отрезков диаграммы рис. 3, к линии наиболее стабильных нуклидов.

При этом гамма-радиоактивность представляет собой вторичный процесс. После радиоактивного превращения дочернее ядро часто образуется в возбужденном состоянии, поэтому происходит снятие ядрами избыточной энергии в виде испускания фотонов высокой энергии.

1. ––радиоактивность (электронный распад) Этот процесс лишь исторически называется распадом, так как он, в сущности, представляет собой переход одного нуклона ядра из нейтронного состояния в протонное.

При этом из-за необходимости сохранения электрического и лептонного зарядов процесс сопровождается образованием электрона e– и электронного антинейтрино ( e ), которые вылетают из ядра. Возникновение лептонов свидетельствует о том, что электронный распад происходит за счет слабого взаимодействия. Из-за сравнительно низкой интенсивности этого взаимодействия (по сравнению с сильным взаимодействием) периоды полураспада (–)–активных ядер в среднем имеют порядок минут и часов.

Реакция превращения нейтрона в протон записывается в виде:

Период полураспада свободного нейтрона составляет ~ 15 минут.

В результате реакции у нуклида становится на один протон больше и один нейтрон меньше. Следовательно, образуется атомное ядро химического элемента, стоящего в Периодической системе на одну клетку правее. Общий вид реакции электронного распада может быть записан в виде:

, где Z Q – материнское ядро, Пример:

Нетрудно подсчитать, что в последней реакции отношение Z/N увеличивается от 0. до 0.88. Иначе говоря, нейтроноизбыточность ядра уменьшилась. Дочернее ядро N является стабильным.

– – радиоактивность наблюдается у нейтроноизбыточных изотопов всех химических элементов.

Энергетическим критерием возможности ––распада является следующее неравенство, связывающее энергии покоя соответствующих частиц (E=mc2). Антинейтрино в этом неравенстве не учитывается, т.к. его масса покоя, видимо, равна нулю. Соотношение (27) обосновано тем, что разность энергий покоя материнского ядра и продуктов реакции трансформируется в кинетическую энергию дочернего ядра, электрона и антинейтрино.

Кинетическая энергия распределяется между электроном и антинейтрино в зависимости от их угла разлета. Как следствие, регистрируемая спектральная интенсивность потока электронов имеет непрерывное распределение (см. рис.4).

Рис.4. Зависимость спектральной интенсивности потока электронов, возникающих при электронном распаде атомных ядер. (По оси абсцисс отложена энергия электрона, по оси ординат – относительное количество электронов, приходящихся на единичный интервал энергии.) 2. Выброс нейтрона Если ядро имеет значительный относительный избыток нейтронов, то возможен процесс выхода из ядра одного или нескольких нейтронов. Такие ядра образуются при делении ядер тяжелых элементов, при облучении ядер мощным потоком нейтронов и некоторых других процессах. В результате реакции образуется более лёгкий изотоп того же химического элемента. Процесс выброс нейтрона происходит за счет сильного взаимодействия.

Общий вид реакции:

Как правило, выброс нейтрона наблюдается у изотопов элементов первой половины Периодической системы.

Пример:

В данной реакции отношение Z/N увеличивается от 0.60 до 0.67, т.е. образовавшееся ядро менее нейтроноизбыточно.

1. Выброс протона Процесс заключается в выбросе ядром одного или двух протонов. Он наблюдается у относительно небольшого количества легких ядер, которые имеют значительный относительный избыток протонов. Такие ядра образуются в результате довольно редких ядерных реакций. В результате процесса выброса протона образуется ядро атома химического элемента, стоящего в Периодической системе на одну клетку левее исходного (материнского).

Общий вид реакции Пример:

Отношение в данной реакции Z/N уменьшается от 2.00 до 1.67, т.е. образовавшееся ядро менее протоноизбыточно.

2. + - радиоактивность (позитронный распад) В основе процесса лежит переход одного из нуклонов ядра из протонного состояния в нейтронное по следующей реакции Реакция сопровождается образованием и вылетом из ядра двух лептонов: позитрона e+ и электронного нейтрино e. При сохранении массового числа у ядра становится больше на один нейтрон и меньше на один протон. Следовательно, отношение числа протонов Z к числу нейтронов N уменьшается.

Общий вид реакции В результате реакции образуется химический элемент, стоящий в Периодической системе на одну клетку левее.

Позитронный распад наблюдается у изотопов практически всех химических элементов.

Пример:

Отношение Z/N в данной реакции уменьшается от 1.5 до 1.0.

Энергетический критерий возможности +-распада аналогичен критерию (27), сформулированному для –-распада :

3. Электронный захват В основе процесса лежит поглощение ядром одного из орбитальных электронов атома.

Как правило, наибольшую вероятность имеет захват электрона, находящегося в первом электронном слое, который называется К-слоем. Этот слой содержит единственную электронную оболочку 1s, в которой размещаются два электрона. Электроны К-слоя характеризуются наименьшим средним расстоянием до атомного ядра и наибольшей энергией связи с ядром. Эти характеристики обуславливают возможность захвата Кэлектрона ядром, из-за чего этот процесс получил название «К-захват». Однако, возможно поглощение ядром электронов с более высокоэнергетических и удаленных электронных слоев (с L-слоя, M-слоя и т.д.) При электронном захвате внутри ядре происходит реакция взаимодействия электрона с одним из протонов с образованием нейтрона и электронного нейтрино:

В результате реакции (33) образуется химический элемент, стоящий в Периодической системе на одну клетку левее, как и при позитронном распаде (30).

Электронный захват наблюдается у изотопов, как легких, так и тяжелых элементов.

Общий вид реакции электронного захвата:

Как и при позитронном распаде, ядро становится менее протоноизбыточным.

Пример:

При этом отношение Z/N уменьшается от 1.33 до 0.75.

Энергетический критерий возможности электронного захвата записывается в виде:

4. -радиоактивность Процесс заключается в выбросе ядром нуклида название -частицы. Это явление характерно для изотопов тяжелых элементов Периодической системы. Большинство -активных ядер имеют число протонов Z > 83.

Кроме того, существует группа -активных ядер с массовыми числами в интервале 140 < A < 160, которые являются изотопами редкоземельных элементов.

Общий вид реакции -распада Дочернее ядро имеет меньше на два протона и два нейтрона меньше, чем материнское.

Следовательно, в результате -распада образуется ядро химического элемента, стоящего в Периодической системе на две клетки левее.

Энергии -частиц, выходящих из ядер лежат в пределах от 1.5 МэВ до 11.7 МэВ.

Нуклиды определенного вида испускают либо -частицы одинаковой кинетической энергии, либо -частицы небольшого числа моноэнергетических групп, т.е. спектр распада всегда имеет линейчатую структуру.

Периоды полураспада -активных ядер лежат в очень широких пределах: от 1017 лет до 10–6 сек. Удивительным свойством -распада является резкая зависимость периода полураспада Т от энергии -частиц E, которая выражается эмпирическим законом Гейгера-Неттола:

, где C и D – константы, не зависящие от массового числа и слабо зависящие от числа протонов в ядре.

Необходимым условием -распада является следующее условие:

трансформироваться в кинетическую энергию -частицы и образующегося ядра.

Из неравенства следует, что энергия связи материнского ядра должна быть меньше, чем сумма энергий связи дочернего ядра и -частицы. Энергия связи -частицы составляет МэВ, т.е. 7 МэВ на нуклон. Следовательно, -распад ядра становится энергетически возможным, когда удельная энергия связи ядра становится меньше 7 МэВ, что, согласно формуле Вейцзеккера (18), заведомо выполняется для тяжелых ядер c массовым числом A > 210. -активность изотопов редкоземельных элементов с 140 < A < 160 объясняется в рамках оболочечной модели.