авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

«ISSN 1563-034X Индекс 75877 Индекс 25877 ...»

-- [ Страница 3 ] --

Рассмотрим сумму экспериментальных фактов, указывающих на твердотельные свойства ядерной материи. Различные эксперименты с поляризованными пучками или, наоборот, с поляризованными ядерными мишенями обнаруживают анизотропию в угловых и энергетических распределениях дифференциальных сечений или выходов вторичных ядерных излучений по отношению к направлению первичного пучка или в распадах. В связи с наличием у ядра квадрупольной, а, может быть, и более высокой мультипольности деформации его формы, ясно, что анизотропны и геометрия и пространственные характеристики ядер. С другой стороны, маловероятно, чтобы ядра, не имеющие выделенного центра, не обладали бы симплектической структурой, то есть внутренней упорядоченностью и плотной упаковкой, ведущей к минимуму свободной (потенциальной) энергии.

Различное содержание протонов, нейтронов, -ассоциаций и других кластеров внутри конкретных ядер определяет различающиеся вероятности присоединения, симметричность в обычном и фазовом пространствах, а, следовательно, порождает различные симметричные (и антисимметричные) многогранники-симплексы.

Реальное существование внутри ядра нуклонов вызывает мало сомнений, не ясен лишь вопрос об их внутриядерном выживании в «свободном» несвязанном (нескоррелированном) состоянии. Неизвестно, какая доля волновой функции нуклонов приходится на некоррелированное движение. Известно, что протонно-нейтронное строение ядер впервые провозглашено в гипотезе Иваненко-Гейзенберга. А доказательства протонно-нейтронного состава ядер сводилось к следующим экспериментам: 1) измерениям масс ядер, обнаружившим, что эти массы в а.е.м. очень близки к целым числам;

2) осуществлению ядерных реакций, при которых наблюдался преимущественый вылет протонов, нейтронов и других ядерных фрагментов.

Существуют ли в ядрах более сложные нуклонные кластеры настолько пространственно обособленные и с таким временем жизни, чтобы внутриядерное взаимодействие, среднее поле и равновесная структура ядер формировалась бы не через нуклон-нуклонный потенциал, а через кластер-кластерный. Имеется уже обширная теоретическая литература, в которой свойства конкретных ядер строятся из кластер кластерного взаимодействия или на идее флуктонов. Прямое экспериментальное доказательство существования таких пространственно обособленных внутриядерных кластеров впервые получено в работе [10].

Наилучшей ядерной реакцией для зондирования внутриядерной структуры, несомненно, является упругое рассеяние. Именно для рассеяния разработаны наиболее точные модели расчетов ампдитуд, в том числе точная схема – известное разложение по парциальным волнам (1) f 2l 1 l 1 Pl cos, 2ik l где все обозначения общепринятые.

В качестве объектов исследования в работе [10] взяты 4n-ядра и произведен поиск частичной ядерной материи, то есть ядер, состоящих только из -кластеров («гелионов») путем рассеяния на них -частиц. Еще в 1921 году Мейтнер предположила главной структурной единицей ядра – ядро гелия. Резерфорд также придерживался концепции Мейтнер, считая, что ядро состоит из -частиц, а вокруг него вращаются протоны и электроны. Полная амплитуда гелионных ядер должна содержать интерференционные члены от амплитуд взаимодействия налетающих -частиц на ядре как целом fA() и на гелионных подструктурах f() f 2l 1 exp 2i l l 1 Pl cos, 2ik l 2l 1 exp 2i l l A 1 Pl cos, (2) fA 2ik l где l и lA – матрицы рассеяния на гелионах и ядре, соответственно. Очевидны ожидаемые аномалии, которые могут быть вызваны интерференционными членами: а) заполнение интерференционных минимумов;

б) появление в угловых распределениях «лишних»

минимумов;

в) выполаживание фраунгоферовской дифракционной картины. В работе [10] при энергиях 29,0 – 50,5 МэВ экспериментально показано, что все три эффекта действительно обнаруживаются.

В других наших экспериментах изучена зависимость несферичности 4n-ядер от Z и N.

Причем измерялись не только абсолютные значения параметра несферичности, но и их знаки. Обнаружена интересная закономерность: при добавлении -гелионов к остову предыдущего 4n-ядра знак деформации меняется на обратный. Указанные эксперименты прямым образом и однозначно доказывают факт существования внутри ядер пространственно обособленных гелионов. Физической причиной такой гелионизации ядер, то есть их состава не из протонов и нейтронов, а из гелионов, по-видимому, служит явление -конденсации, предсказанное Мигдалом.

При энергиях налетающих частиц около 10 МэВ/нуклон длина де-бройлевской волны налетающей частицы становится сравнимой и даже меньше размеров ядра. Это в сочетании с эффектом сильного поглощения приводит к дифракционным явлениям в угловых распределениях дифференциальных сечений d/d(). Их угловая зависимость носит довольно сложный характер, имея ярко выраженные минимумы и максимумы. Такое проявление волновой природы взаимодействующих объектов выражается уравнением Шредингера k 2 V r, R n 0, (3) где k - волновой вектор, V(r,R(n)) - потенциал несферического поля, R – параметр потенциала, n=r/r. Эта волновая природа наблюдается в подавляющем большинстве ядерных реакций, например, (,), (,’), (d,p), а также во взаимодействии элементарных частиц. Это очень впечатляющее свидетельство единства физики микромира.

Качественно волновые свойства частиц в этих взаимодействиях проявляются на форме угловых распределений, обнаруживающих осцилляции в зависимости сечений от угла вылета. Впервые после дифракции световых волн, открытой Ф. Гримальди в XYII веке, такие осцилляции наблюдались при рассеянии рентгеновских лучей в 1912 году В. Фридрихом и П.

Книппингом в опыте, поставленном по идее М. Лауэ. Затем при рассеянии электронов в знаменитых опытах К.Д. Дэвиссона и Л.Х. Джермера в 1927 году.

После этого настала эра, так называемой, ядерной дифракции – целеустремленных поисков и находок проявлений волновых свойств нуклонов и легчайших атомных ядер, предсказанных в 1924 году де Бройлем. Начало ядерной дифракции идет с 1936 года от предположения В.М. Эльзассера о том, что движение нейтронов определяется волновой механикой, поэтому они должны дифрагировать на кристаллических веществах. В том же году Хальбан и Прайсверк, Митчелл и Пауэрс подтвердили идею Эльзассера экспериментально. Эксперименты проводились при помощи радиево-бериллиевого источника нейтронов, обладающего, как известно, немонохроматическим спектром нейтронов. Поэтому эти эксперименты лишь подтвердили наличие факта дифракции, не дав количественных результатов.

Создание атомных реакторов позволило получать интенсивные, достаточно монохроматические, пучки нейтронов. Это привело к возникновению техники дифракции нейтронов, во многом сходной, хотя и отличающейся по масштабам, с техникой дифракции рентгеновских лучей. Первый нейтронный дифракционный прибор, дающий количественные результаты, был создан В. Зинном в 1945 году. Первые физические исследования рассеяния 14 МэВ нейтронов были выполнены Е. Амальди с сотр. на ядре Pb в 1946 году. И, наконец, уже в 1950 году изучены угловые распределения рассеяния 84 МэВ нейтронов с регистрацией собственно рассеянных нейтронов.

В рассеянии -частиц дифракционную картину удалось увидеть лишь с появлением циклотронов, ускоряющих -частицы до энергий свыше 20 МэВ и имеющих, следовательно, длину де бройлевской волны, сравнимую с размерами ядра. Дифракцию -частиц впервые увидел Ю.Л. Соколов в 1947 году. Его результаты опубликованы в работе под названием «Дифракционное рассеяние заряженных частиц» (в этой же работе впервые наблюдалась и дифракция 15 МэВ дейтронов). Несмотря на то, что эксперименты Ю.Л. Соколова опубликованы в малодоступном отчете АН СССР, их результаты стали широко известны в 1955 году, благодаря книге Н.А. Власова, в которой работа Соколова цитируется на стр. 244 246. Ю.Л. Соколов наблюдал дифракцию 28 МэВ -частиц на ядрах Ве, С и Аl. Регистрация -частиц выполнялась фотопластинками, на которых впервые получено изображение дифракционных колец.

Теория ядерной дифракции начинается с заметки Бете и Плачека, появившейся в году. Авторы заметки ссылаются на Бора, Пайерлса и Плачека. В этой работе ядро представляется как сильнопоглощающий экран, для которого амплитуда рассеяния вычисляется по формуле фраунгоферовской дифракции. Описания дифракционных кривых в рамках оптической модели и параметризованного фазового анализа теория в обоих вариантах дает хорошее. По-крайней мере, в передней полусфере обе модели описывают экспериментальные данные практически точка в точку. Физически это означает, что в процессах дифракционного рассеяния, действительно, имеет место сильное поглощение.

Ядро в «лучах» -частиц на самом деле геометрически представляет собой черный сфероид с нерезкой границей.

Нами была подмечена новая особая дифракционная аномалия, довольно хорошо соответствующая вульф-брэгговской дифракции (ВБД) налетающих -частиц на ядрах.

Первое экспериментальное обнаружение такой аномалии было сделано в работе [13], а первая интерпретация ее как проявление ВБД-механизма – в работе [8]. Теория ВБД рассеяния впервые дана в [7]. В неупругом рассеянии возбуждался уровень 2+ с энергией 846,6 кэВ в ядре 56Fe и 1077 кэВ в 68Zn при энергии налетающих -частиц 29,0 и 50,5 МэВ, соответственно. Обнаружено, что максимумы сечений имеют микроструктуру с периодом 3,5 – 4,0о для 56Fe и 1,0 – 1,5о для 68Zn. Обнаруженные экспериментально микроструктуры отдельных осцилляций угловых распределений стимулировали развитие экспериментов по все новому поиску ядерной ВБД и параллельному развитию ее теории. Рассмотрим возможные угловые соотношения при гипотетической ВБД для де-бройлевских волн на ядрах. Если для первой вульф-брэгговской линии индексы Миллера обозначить через hk, kk, lk, а для последующих i-x линий - через hi, ki, li, то эти индексы будут связаны соотношением 1/ hi2 k i2 li sin i (4) q.

hk2 k k2 l k sin k Экспериментальные данные по угловому положению ядерной микроструктуры с расчетами по формуле (4) дают вполне удовлетворительное согласие между ними.

Полученные параметры ядерной решетки имеют порядок 6-7 Фм удивительно хорошо согласующийся с представлениями об -гелионном строении ядер при условии плотной упаковки гелионов, имеющих диаметр около 3 Фм и радиус действия ядерных сил около Фм. Обнаружено, что по всему измеренному диапазону ядер от 20Ne до 92Mo постоянная ядерной решетки практически неизменна, составляя в среднем 6,5 Фм. Этот факт хорошо согласуется и с концепцией плотной упаковки гелионов, и с представлениями о постоянстве ядерной плотности, и со свойством короткодействия ядерных сил.

Обратимся теперь к проблеме интенсивностей вульф-брэгговских ядерных линий.

Впервые теория такого процесса дана в работе [7]. В ней для построения модели рассеяния сделаны следующие предположения: 1) кластер в ядре является бесструктурной частицей;

2) в ядре -гелионы упорядочены в кристаллическую структуру, но из-за их малого числа ядро не имеет дальнего порядка, поэтому рассматривается лишь как кристаллит;

3) рассеяние де бройлевской волны на ядерном кристаллите считается однократным, а рассеивающий узел представляет собой потенциальную яму шириной R и глубиной V0;

4) рассеяние рассматривается на виртуальных -частицах, число которых n в ядре равно n=A/4. Для вычисления амплитуды используется формула (1), матрица рассеяния выбиралась в виде S l e 2i l, (5) а фаза рассеяния была k 0 jl' k 0 R jl kR jl' kR kjl k 0 R (6) tg l, ' k l jl k 0 R nl kR nl kR kjl k 0 R где jl(kR) – функция Бесселя, nl(kR) – функция Неймана;

k02=V0+k2.

Указанные выше условия позволили применить известную кристаллографическую формулу для сечения рассеяния волн () на неориентированных кристаллитах sin sin lijk (7) f N1 i N 2 j N 3 k, ijk sin lijk где – нормирующий множитель;

|f()|2 – сечение рассеяния на сферической потенциальной яме;

N1, N2, N3 – количество виртуальных -кластеров во взаимно перпендикулярных плоскостях кристаллита;

lijk – расстояния от начала координат до узла с координатами (i, j, k);

– угол рассеяния относительно направления пучка, связанный с ВБД соотношением (4).

В соответствии с этой моделью в работе [7] выполнены расчеты для ядер 44Ti, 48Cr, Zn, включающие свободные параметры теории R, V0 и a, при этом lijk aLijk. (8) Структура рассчитанных ядер бралась в виде кубической решетки. Для них расстояния Lijk, вычислялись, когда ребро кристаллической ячейки приравнивалось к единице. При этом N1 = N2 = N3=3 с 27-ю узлами.

Сравнение результатов расчетов с экспериментом при 50 МэВ показало, что в отличие от расчетов по ОМ и ПФА, данная модель принципиально содержит вульф-брэгговские рефлексы, так как в формуле (6) и сразу же учтено условие Вульфа-Брэгга. В рассчитанных угловых распределениях отмечены новые особенности в теоретической кривой, совпадающие по угловому положению с экспериментально обнаруженными неоднородностями. Как уже показывалось выше, эти неоднородности принципиально не могли появиться в устоявшихся двух теоретических подходах, основанных на условии сильного поглощения – оптической модели в различных ее модификациях и параметризованном фазовом анализе.

Загадку происхождения явления деформации атомных ядер и можно искать в процессах и закономерностях роста кристаллов. Так, в реальных кристаллах габитус определяется различным ростом различных граней: сильно развиваются медленно растущие грани простых форм. Образуются простые формы с малым числом граней и малыми индексами. Симметрия расположения атомов в реальном кристалле позволяет достичь минимума потенциальной энергии и этим определить равновесную структуру кристалла и его свойства. По-видимому, аналогичная ситуация имеет место и в ядерном мире: симметрия расположения нуклонов и кластеров друг относительно друга внутри ядра позволяет свести к минимуму потенциальную энергию ядра и тем определить его равновесную структуру, а, следовательно, и все остальные физические свойства.

В отличие от реальных кристаллов ядро-кристалл и его пространственная решетка не имеет бесконечной периодичности – ядро-кристалл, по-существу, ограничен одной единственной элементарной ячейкой (в тяжелых ядрах это 1,5 – 2 ячейки!). Ограничено также число элементов-частиц, находящихся в узлах ядерной ячейки. Эти особенности не могут не сказаться на реализации ядерных решеток Бравэ. В ядре необязательно реализуются все группы или классы симметрии, так как структурных элементов в ядре известно пока 3: p, n,, а не бесконечное число, как атомов или молекул в реальных кристаллах. Впрочем, в рамках мультикластерной модели ядер данное утверждение может превратиться в обратное.

Пространственная группа симметрии характеризует симметрию структуры кристалла, так же как точечная группа симметрии характеризует симметрию внешней формы кристалла и его физических свойств. Каждой точечной группе соответствует несколько пространственных групп, то есть из точечной группы можно вывести все, соответствующие ей, пространственные группы.

Если размер элементарной ячейки реальных кристаллов много меньше размеров самого кристалла, то в ядерной физике ситуация другая: размер элементарной ячейки сопоставим с размерами самого ядра-кристалла. А слияние ядер в результате ядерных столкновений и реакций резко меняет первоначальные свойства, передвигая слившееся ядро по таблице Менделеева. Иногда размер ядерной элементарной ячейки и размер ядра – просто тождественные понятия, так как, например, для легких и средних ядер структурных элементов (например, гелионов) хватает лишь на одну элементарную ячейку.

Из рассмотрения таблицы всех изотопов видно ряд закономерностей. Главная из них состоит в том, что изотопы, содержащие целое число гелионов, имеют максимальную распространенность в природе. Есть, правда, небольшое число исключений, когда максимальная распространенность приходится на изотоп, содержащий 2 нейтрона сверх целого числа гелионов. Но и тогда распространенность 4n-ядра близка к распространенности максимальной. На ряде элементов просматривается еще один любопытный эффект: для одного и того же числа гелионов при замене двух нейтронов на два протона процентное содержание такого изотопа резко падает, например, с 30% до 0,01%. Видно, что стабильные ядра сосредоточены в ZN-диаграмме вдоль линии с целым числом гелионов. Отклонение от этой линии (перегрузка ядра нейтронами или протонами) ведет к нарушению симметрии и, как следствие, - к радиоактивности ядер.

Как соотносятся размеры ядер с параметрами ядерных решеток? Из систематики ядерных радиусов, полученных нами из рассеяния -частиц на ядрах видно, что параметр решетки как раз приблизительно равен диаметру ядер. Это соотношение приводит к выводу, что многие ядра представляют собой одну-единственную элементарную ячейку.

Проанализируем ситуацию с плотностью ядер. Ясно, что если ядра состоят из гелионов, то их плотность должна быть много меньше плотности гелионов. В самом деле, из систематики видно, что это действительно так. Зависимость экспериментальной плотности ядер n от их массового числа А, найдена нами в виде M 3M, Фм-3, (9) n V 4R где М – величины масс в а.е.м.

Из систематики видно, что сверхплотные ядра, плотность которых существенно превышает среднюю (нормальную) плотность n0 =0,147 Фм-3, существуют. Это ядра от 4Не до 32S. Максимальную плотность (сверхплотность) демонстрирует ядро 4Не, что согласуется и с данными по электронному рассеянию. Таким образом, из эксперимента видно наличие одного сверхплотного ядра (4Не) и большой области ядер от 7Li до 32S, плотность которых превышает нормальную в 2 и более раз.

Именно такое сверхплотное ядро и служит «кирпичиком» ядерной квазикристаллической структуры. Следовательно, для ядерной структуры может быть использовано понятие координационного числа. В классической кристаллографии координационным числом атома является число ближайших соседних атомов в кристаллической структуре, так что сам атом находится в центре своеобразного координационного симплекса – многогранника. Для жидкости координационное число носит статистический характер, и близость его к координационному числу кристалла по величине может служить мерой квазикристалличности жидкости. Так что понятие координационного числа для ядерной физики может иметь далекие последствия.

Интересно, что с этих позиций существование изотопов объясняется тем, что для плотной упаковки (минимума полной энергии), как и для кристаллов моновеществ, для тех или иных симметрий необходимо 2, 3, …, 10 структурных элементов. Однако следует ожидать меньшего разнообразия структур ядерных кристаллов, так как -частицы и нуклоны связываются в ядре одного типа силами, в то время как в реальных кристаллах имеются связи четырех типов. Это – металлические, ван-дер-ваальсовы, ионные и ковалентные, каждая из которых налагает свои требования на геометрию структуры реального кристалла, а вслед за этим – на физические и химические свойства.

Концепции ферми-газового или жидкостного ядра автоматически приводят к выводу о сферической равновесной форме поверхности ядра. Однако уже на ранних стадиях исследований были заключения и о существовании сильно деформированных равновесных форм ядер, следовавшие из значений электрических квадрупольных моментов, полученных из данных о сверхтонкой структуре атомных спектров.

Природа деформации ядер до сих пор окончательно не установлена, хотя с определенной точностью и описывается в рамках феноменологических и микроскопических моделей. Квазикристаллическая модель ядра дает возможность объяснить природу ядерной деформации с позиций закономерностей роста кристаллов. Рассмотрим основные закономерности, которые обнаруживаются в 2(Z,N)-поверхности.

Если форму ядра рассматривать как поверхность сфероида, то параметр квадрупольной ядерной деформации 2 выражается либо через полуоси сфероида a, b и радиус равновеликой сферы R0, либо входит в выражение для формы ядра R R0 1 2Y20,, (10) где Y20(,) – сферическая функция. Главное отличие сконструированной нами 2(Z,N) поверхности от существовавших до этого в литературе систематик состоит в том, что она построена с учетом, полученных в эксперименте, знаков квадрупольной ядерной деформации, то есть с учетом эффектов сплюснутости-вытянутости атомных ядер.

Интерпретация найденных знакопеременных закономерностей представляет большой интерес для теории ядра и его структуры. В самом деле, скачки формы легких ядер в зависимости от числа добавленных к остову нуклонных 4n-структур могут быть однозначно истолкованы как прямое экспериментальное подтверждение стационарной кластеризации легких ядер. Но и как одновременное проявление факта пространственного их обособления в ядре. При утяжелении масс ядер, конечно, такие эффекты кластеризации уже могут проявляться как коррелированное движение нуклонов, а сами кластеры – быть виртуальными. Наблюдаемое на опыте вульф-брэгговское рассеяние -частиц также указывает не только на твердую фазу ядерного вещества, но и на его упорядоченную внутриядерную структуру.

Рассмотрим пределы устойчивости кристаллических структур. Устойчивость кристаллической структуры требует минимума полной энергии системы, которая, в свою очередь, зависит от структуры кристалла. Структура ядер-кристаллов определяется геометрическими параметрами: числом стационарных внутриядерных гелионов или виртуальных -кластеров (4-нуклонов), их радиусами и межкластерными расстояниями.

Взаимодействие элементов такой системы обеспечивается ядерными силами притягивания.

Пределы устойчивости таких ядерных систем определяют принцип Паули и кулоновские силы отталкивания. Конкуренция указанных сил и принципов понуждает «рост» ядерного кристалла (то есть движение по изотопическим, изотоническим и изобарическим цепочкам) осуществлять не в сторону сферически-симметричного (особо устойчивого) габитуса, а в сторону все более и более деформированного. Это, по нашему мнению, при определенной предельной деформации и является причиной (природой) спонтанной -, +-, - - и другой радиоактивности, включая спонтанное деление ядер.

Поскольку плотнейшие шаровые упаковки и обеспечивают реализацию принципа наименьшей полной энергии ядерной системы, то за признак устойчивости системы, удерживаемой ядерными силами необходимо принять фактор соприкосновения -кластеров и нуклонов их поверхностями 2rB2, 2 rA rB (11) где rA – радиус нуклона, rB – радиус -кластера. Таким образом, в бинарной системе плотнейшие шаровые упаковки обеспечиваются шарами двух различных радиусов с соотношением rA 2 1 0,4142. (12) rB Соотношение (12) удивительным образом с большой точностью совпадает с соотношением радиусов протона rр и -частицы r rp 0,7 Fm (13) 0,417.

r 1,68Fm Совпадения соотношений (12) и (13) дает надежду, что твердотельная квазикристаллическая модель ядра обрела надежную экспериментальную основу и является адекватной. Таким образом, атомным ядрам, действительно, для обеспечения устойчивости своей структуры против радиоактивного распада необходимо упаковываться именно нуклонами и гелионами.

Любопытно отметить и еще одно обстоятельство. Из теории кристаллографической геометрии, согласно теореме Белова, плотнейшие шаровые упаковки могут обладать только восемью различными федоровскими группами. Это число федоровских групп, реализуемых однослойными, двухслойными и т.д. плотнейшими шаровыми упаковками, не менее удивительно совпадает с числом ядерных магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184.

Указанные, скорее всего не случайные, совпадения наводят на мысль о реализации в масштабах ядра идеальных бездефектных кристаллов, состоящих из одной-двух элементарных ячеек, в узлах которых находятся в симметрийном порядке гелионы и нуклоны.

Возвращаясь к проблеме ядерной деформации, можно сделать окончательный вывод.

Поскольку образование нового плоского слоя на грани кристалла в процессе его роста маловероятно, так как для этого требуется больше энергии, чем присоединение кластера к растущей грани, то такая энергетика и есть причина возникновения большой равновесной ядерной деформации и закономерности ее изменения от одного магического числа к другому. А природа магических чисел, таким образом, состоит в том, что в процессе присоединения к остову все новых и новых кластеров при определенных их числах изменяется характер симметрии - кристаллический класс ядер.

Подтверждением такого вывода служит и теория роста кристаллов Странского и Каишева, в которой основой служит понятие о работе отрыва частиц, занимающих то или иное положение в кристалле. Такой подход хорошо согласуется с широко используемыми в ядерной физике понятиями энергий отрыва протонов, нейтронов и -частиц от ядер и парных энергий нуклонов. Согласно указанной теории роста наиболее вероятное место присоединения новой частицы – трехгранный угол, когда выделяется наибольшая энергия.

Менее вероятное – двугранный угол и лишь затем – поверхность. Такое чередование вероятностей и приводит к возникновению больших равновесных деформаций и у реальных кристаллов и у ядер.

Литература 1. W. Wefelmeier// Z. Phys.-1937.-V.107.-P.332.

2. E. Wigner// Phys. Rev.-1937.-V.51.-P.106-119.

3. T.D. Cohen// Nucl. Phys.-1989.-V.A495.-P.545-563.

4. K. Takahashi// Progr. Theor. Phys.-1991.-V.85.-P.779-804.

5. Д.И. Дьяконов, А.Д. Мирлин// Ядер. Физ.- 1988.-Т.47.-С.662.

6. Д.В. Федоров, О.П. Гречухин// ВАНТ. Сер. ядер.-физ. исслед. (Теория и эксперим.). 1990.-№5.-С.53-54.

7. Д.А. Леднов, А.В. Юшков// Прогр. и тез. межд. Совещ. по ядерн. спектр. и структ. ат.

ядра.- Наука, Л., 1992, с.351.

8. Н.Н. Павлова, А.М. Иванов, А.В. Юшков, К.А. Токтаров// Изв. АН СССР, сер. физ., 1979.-Т.43.-С.2317-2323.

9. Доказвательство кристаллической структуры ядер// New Sci.- 1981.-V.89.-P.71.

10. C.Я. Айсина, К.А. Кутербеков, Н.Н. Павлова, А.В. Юшков// Изв. АН СССР, сер.

физ., 1989.-Т.53.-С.37-47.

11. А.В. Юшков, К.А. Кутербеков, Н.Н. Павлова, Ю.Ж. Тулеушев, Н.Ф. Югай// Препринт ИЯФ 88-03, Алма-Ата, 1988, 31 с.

12. Ю.Ж. Тулеушев, C.Я. Айсина, К.А. Кутербеков, Н.Н. Павлова, Н.Ф. Югай, А.В.

Юшков// Прогр. и тез. докл. 40 ежег. Совещ. по ядерн. спектр. и структ. ат. ядра.- Наука, Л., 1990, с.265.

13. Н.Н. Павлова, A.В. Юшков // Ядерная физика.-1974.-Т.19.-в.4.- С.729-732;

Н.Н.

Павлова,.В. Юшков // Изв. АН ССР, сер. физ.-1976.-Т.40.-№.4.- С.826-827.

ЯДРОНЫ КВАЗИКРИСТАЛДЫ МОДЕЛІНІ ЭКСПЕРИМЕНТТІК НЕГІЗДЕРІ А.В. Юшков Бл жмыста ядродан эксперимент жзінде аныталан квазикристалды асиеттері туралы фактілер келтірілген.

EXPERIMENTAL BASES QUASICRYSTAL MODEL OF THE NUCLEUS A.V. Ushkov In the given paper the facts of experimental detection at a nucleus quasicrystal properties are resulted.

ПЛАНЕТНЫЙ МОНИТОРИНГ – ПУТЬ К ВЫЯСНЕНИЮ ПРИЧИН ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В.Г. Тейфель Астрофизический институт им.В.Г.Фесенкова, г. Алматы, tejf@hotmail.com Кратко изложены проблемы и задачи планетного мониторинга - регулярных наблюдений и исследований процессов, происходящих в атмосферах планет. Главная цель их состоит в оценке роли космических факторов в глобальных климатических изменениях, как на других планетах, так и на Земле.

Проблема изменения климата Земли является сейчас одной из основных в комплексе проблем не слишком отдаленного будущего для всего человечества. На вопрос о том, что ожидает нас в последующие десятилетия и столетия – глобальное потепление или глобальное похолодание, пока нет однозначного ответа. В этом нет ничего удивительного, поскольку на изменения такого рода оказывает влияние довольно значительная совокупность разных факторов – от космически и природных до антропогенных. Суммарный эффект от всех видов воздействия на долговременные изменения, которые мы и определяем как климатические, может быть трудно предсказуемым. Поэтому желательно получить возможность хотя бы отчасти выделить и изучить роль каждого из них. Понятно, что главное слово здесь должно принадлежать климатологам, изучающим влияние природных и техногенных факторов. Но роль космических факторов тоже нельзя сбрасывать со счетов, и в этом все большее значение приобретают исследования процессов, происходящих в нашей солнечной системе. Прежде всего, конечно, это изучение того, что происходит на самом Солнце, как главном источнике энергии и бурной электромагнитной активности.

Воздействию солнечной активности, как и других космических факторов, пока еще во многом не ясных, подвержена не только наша Земля, но и все другие планеты, особенно обладающие, как и наша, достаточно мощными и динамически нестабильными атмосферами.

Именно изучение нестационарных процессов на планетах открывает возможность разделения и оценки роли космических и чисто земных факторов, обусловливающих ход изменения климата на Земле. Необходимо отметить сразу, что задача эта далеко не простая и не может быть решена «с наскоку» без получения и анализа длительных рядов наблюдательных оценок состояния каждой из планет, без сопоставления и выделения синхронных процессов и явлений на нескольких планетах, причинами которых могут быть одни и те же космические воздействия.

Если понятие климат для Земли можно считать более или менее определенным, несмотря на то, что существуют несколько различающиеся его трактовки, то в применении к другим планетам солнечной системы такой определенности пока нет. Совокупность каких характеристик планеты, выводимых из ее наблюдений, может быть объединена в понятие климата, - это вопрос, подлежащий серьезному обсуждению и анализу, тем более, что каждая из планет обладает своими специфическими особенностями. Для планет земного типа (Венера, Марс) это - отсутствие свободной воды на поверхности - океанов, морей, рек и озер, т.е того, что играет немаловажную роль в глобальном климате Земли. У планет-гигантов это - отсутствие твердой оболочки - поверхности, ограничивающей атмосферу снизу, наличие внутренних источников тепла, обеспечивающих более высокую эффективную температуру планеты по сравнению с радиационной равновесной, определяемой только поглощением и отражением солнечного излучения.

То, что большинство планет солнечной системы обладает атмосферами, было обнаружено еще по телескопическим визуальным наблюдениям, начало которым было положено в 1609 г. Галилео Галилеем, впервые направившим небольшой телескоп (скорее даже подзорную трубу) на небо, совершив тем самым революцию в астрономии.

Телескопические наблюдения открыли возможность изучения физической природы небесных тел, а не только их положения и движений. Кстати, 400-летию начала телескопической эры будет посвящен 2009 год, решением 62 Генеральной Ассамблеи ООН объявленный Международным Годом Астрономии (МГА-2009).

Возможности более или менее регулярных наблюдений за состоянием планетных атмосфер существенно изменились с появлением астрофотографии, поскольку фотоснимок более объективно регистрирует вид объекта. в отличие от субъективных особенностей индивидуальных зарисовок. Поэтому архивы астрономических фотографий, накопленные уже более чем за столетие, представляют особую ценность как в планетных, так и в других астрофизических исследованиях. Но и фотография обладала не только преимуществами, в частности, в документальности, но и некоторыми недостатками, прежде всего - сложностью самого фотографического процесса и нелинейностью в передаче яркости на изображении.

Поэтому исключительно важным для астрофизических наблюдений оказалось появление в последние 20 лет ПЗС-матриц, обладающих строгой линейностью светопередачи, гораздо более широким динамическим диапазоном – более 104 (у фотопластинки он, строго говоря, не достигает и 100) и большей общей и спектральной чувствительностью.

Современные ПЗС-снимки планет, получаемые даже на телескопах умеренных размеров, отличаются высоким качеством, которое можно еще и улучшить благодаря тому, что в этом случае мы имеем дело с цифровым изображением, легко подвергаемым дополнительной компьютерной обработке. При этом электронное изображение содержит гораздо больше информации, чем фотографическое в силу линейности и широкого динамического диапазона причем. Речь может идти не только о снимках планет, но и о ПЗС спектрограммах, обладающих теми же преимуществами перед фотографическими спектрами.

Все планеты солнечной системы, обладающие атмосферами, обнаруживают достаточно хорошо выраженные признаки высокой атмосферной активности и нестабильности.

Рис.1 - Изменение диаметра южной полярной шапки Марса в период ее таяния с мая по. ноябрь 2003 г.

Так, на Марсе наблюдаются регулярные сезонные процессы, выражающиеся в изменении размеров светлых полярных шапок (рис.1) и окраски темных областей планеты, а также в нерегулярном появлении слабых облачных образований, различимых только в синих и фиолетовых лучах. Кроме того, изредка на планете происходят довольно мощные пылевые бури, во время которых поверхность планеты или отдельные ее областей становится неразличимой даже в красных лучах. Это наиболее характерные проявления марсианской метеорологии. Крайне редко в атмосфере Марса возникают также циклоны, сходные с земными, подобно тому, что наблюдался с Hubble Space Telescope и нами на обсерватории АФИФ в апреле 1999 г [1].

Сложность наблюдений Марса состоит в том, что противостояния планеты, когда Марс приближается к Земле, повторяются лишь раз в два года, причем из-за довольно большого по сравнению с земным эксцентриситета орбиты Марса даже в противостоянии его угловой диаметр может различаться почти вдвое – от 25 угловых секунд до 15 и менее. В остальное время, вне периодов оппозиции, угловые размеры планеты слишком малы, чтобы можно было наземными средствами наблюдения детально исследовать происходящие на Марсе изменения. Поэтому для регулярного мониторинга происходящих на Марсе метеорологических процессов, сезонных и климатических изменений основная роль должна принадлежать специализированным космическим аппаратам – спутникам, обращающимся вокруг планеты в течение многих лет. Околоземные космические телескопы в этом отношении не слишком превосходят наземные, обеспечивая, конечно, более высокое разрешение. Но они так же зависят от времени видимости Марса.

Значительно более удобны для осуществления регулярного мониторинга планеты гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Во-первых, эти планеты обладают мощными водородными атмосферами и облачным покровом с более или менее отчетливо различимыми деталями, которые можно использовать для изучения динамических процессов на этих планетах. Во-вторых, сезоны непрерывной видимости этих планет с Земли более протяженны, так как собственное перемещение их при орбитальном движении гораздо меньше, чем у внутренних планет и Марса. Однако планеты-гиганты имеют особую энергетику благодаря наличию внутренних источников тепла, о чем свидетельствует заметное превышение их эффективных температур над радиационными равновесными температурами, определяемыми только поглощением солнечной энергии. Поэтому динамика атмосфер этих планет, обладающих к тому же и быстрым осевым вращением, носит сложный характер: скорости зональной атмосферной циркуляции на разных широтах различаются очень сильно.

Крупнейшая в солнечной системе планета Юпитер наиболее доступна для регулярных наземных наблюдений благодаря достаточно большим угловым размерам (до 45 угловых секунд в противостоянии) и ежегодным достаточно продолжительным периодам видимости.

Зональная структура облачного покрова Юпитера, обусловленная быстрым вращением планеты, хорошо выражена благодаря значительным различиям в альбедо и цвете отдельных облачных поясов [ 2-3 ] и ее изменения легко прослеживаются даже в течение нескольких недель. В некоторые годы эти изменения принимают, можно сказать, драматический характер. Так, иногда один из двух характерных для Юпитера широких и темных близэкваториальных поясов исчезает, как это было в 1989 г.когда на планете был виден только темный северный пояс, а южный отсутствовал [ 4 ]. В 1962 г. экваториальный пояс Юпитера, обычно светлый, был занят широкой темной полосой, а в 2007 г. наблюдалось потемнение почти всего северного полушария Юпитера (рис.2).

Рис.2 - Драматические изменения вида облачного покрова Юпитера от «классического» со светлым экваториальным поясом в 2006 г. к значительному потемнению всего северного полушария Для планет-гигантов, особенно для Юпитера и Сатурна, характерны большие различия в скоростях отдельных зональных течений. У Юпитера наибольшее различие составляет около 150 м/с, у Сатурна оно достигает 500 м/с, причем на Юпитере широтный ход зональных скоростей далеко не монотонен - на некоторых широтах наблюдаются локальные струйные течения с повышенными или пониженными скоростями. Любопытный факт, хотя и нуждающийся как раз в подтверждении регулярными измерениями, это то, что при значительных изменениях альбедо и расположения облачных поясов, наблюдаемых в видимом и инфракрасном диапазоне картина широтных вариаций скоростей остается почти неизменной. Юпитер менее всего подвержен сезонным изменениям распределения инсоляции, поскольку наклон его экватора составляет всего 3 градуса. Однако из-за эксцентриситета орбиты приток солнечной энергии к Юпитеру меняется примерно на 20 процентов. Судя по некоторым исследованиям, отношение альбедо северной и южной тропических облачных зон коррелирует с орбитальным положением Юпитера. Что здесь играет основную роль - небольшие вариации наклона экватора или расстояние от Солнца - это требует дальнейших наблюдений и их анализа. В сильных полосах поглощения метана вид Юпитера заметно отличается от того, каким он наблюдается в общих лучах, поскольку выделяются лишь наиболее высокие облачные образования. Это тоже один из путей для изучения кратковременных и долгопериодических изменений, происходящих в атмосфере планеты Рис.3 – Изменение угла наклона плоскости экватора и кольца Сатурна с 1975 по 2010 гг.

Отмечены периоды исследований Сатурна с космических зондов «Вояджер 1 и 2» и «Кассини», а также период наблюдений с Космического телескопа им.Хаббла.(HST) Сатурн представляет также весьма интересный объект для изучения как кратковременных явлений в его атмосфере, так и сезонных долгопериодических изменений При хорошо выраженной зональной циркуляции на Сатурне временами наблюдаются довольно мощные локальные бури в экваториальном поясе планеты.Режим облучения Сатурна меняется от года к году, так как его экватор наклонен к плоскости орбиты на градусов, так что в определенные периоды почти целое полушарие получает значительно меньше солнечной энергии из-за наклона и экранировки кольцами (рис.3). Однако даже при одинаковом режиме облучения в периоды ориентации кольца ребром по отношению к Солнцу атмосфера Сатурна в северном и южном полушариях ведет себя неодинаково - ряд параметров атмосферы, в том числе альбедо, коэффициенты потемнения к краю диска, интенсивность полос поглощения метана, обнаруживают четко выраженную асимметрию по полушариям [5]. Сезонные изменения на Сатурне проявляются, в частности, в обнаруженных нами изменениях поглощения метана со временем в южном полушарии за период с 1995 по 2007 гг.(рис.4) Особый случай - планета Уран, ось вращения которой лежит почти в плоскости орбиты, так что планета бывает обращена к Солнцу или одним из полюсов или экваториальным поясом. Правда, изменение ориентации по отношению к Солнцу у Урана происходит очень медленно - период его обращения равен 84 годам. В этом году, например, ось вращения Урана перпендикулярна лучу зрения, так что мы видим экватор и кольца Урана «с ребра», а оба полушария находятся в одинаковых условиях инсоляции (рис.5).

Рис.4 – Изменение величины центральной глубины полосы поглощения метана 725 нм в умеренном поясе южного полушария Сатурна с 1995 по гг.по наблюдениям в Астрофизическом институте им.В.Г.Фесенкова Кратковременные явления в атмосфере этой планеты легче могут быть обнаружены на фоне тренда сезонных изменений, чем у планет с более коротким периодом обращения.

Активные процессы на Уране выявляются по наличию ярких локализованных облаков, наблюдаемых в полосах поглощения метана и состоящих, по-видимому, из сконденсированного метана.

Несмотря на большую удаленность Нептуна от Солнца, активные процессы наблюдаются и в его атмосфере, что при наземных наблюдениях обнаруживается по появлению нестабильных облачных образований, видимых в полосах поглощения метана. На изображениях планеты, полученных с близкого расстояния при пролете Voyager 2 мимо Нептуна, хорошо видны вихревые образования в атмосфере Рис.5.- Изображение Урана, полученное с HST в 2007 г, когда планета была ориентирована экватором к направлению на Солнце, что происходит лишь раз в 42 года.

В 50-60-е годы еще полагали, что атмосферы таких холодных планет как Уран и Нептун, находятся в совершенно стабильном состоянии и что блеск этих планет может служить индикатором изменения солнечной постоянной. Теперь очевидно, что это не так.

Солнечное излучение, хотя лишь в небольшом количестве доходящее до Урана и Нептуна, играет определенную роль в фотохимических процессах в верхней атмосфере обеих планет, так что можно ожидать заметной реакции этих планет на воздействие космических факторов и исключать их из числа объектов планетного мониторинга ни в коем случае нельзя.

Необходимость регулярных наблюдений за происходящими на планетах изменениями была признана давно. Еще в 60-е годы прошлого века такие наблюдения со стандартным оборудованием были организованы на нескольких обсерваториях во Франции и США под общим наименованием «Планетный патруль». Специальные фотометрические исследования атмосферной активности Юпитера примерно в то же время и позднее выполнялись в Греции [6] и у нас в Астрофизическом институте [7].

В 1985 г. по инициативе автора, бывшего в то время президентом комиссии по изучению планет и спутников Международного Астрономического Союза (МАС) Генеральная Ассамблея МАС приняла резолюцию о необходимости развертывания Службы планет с целью поиска закономерностей в процессах на планетах и связи их с солнечной активностью. Тогда же Отделение Общей физики и астрономии АН СССР приняло специальную программу изучения долговременных процессов на планетах на 1985-2010 гг, в которой приняли участие многие обсерватории Союза. Ведущими учреждениями по этой программе были Главная Астрономическая обсерватория АН УССР и Астрофизический институт АН КазССР [8].

Развитие космических исследований планет открыло возможность более детального изучения структуры и активности планетных атмосфер с помощью наблюдательных средств, вынесенных за пределы земной атмосферы или находящихся в непосредственной близости к планете. При этом не теряют своего значения и систематические наземные наблюдения, в том числе - выполняемые в порядке сопровождения космических миссий.

Актуальность проблемы изменения земного климата определяет и современную направленность этих исследований – поиск и изучение тех глобальных процессов на планетах, синхронность которых может служить свидетельством общего воздействия космических факторов на все планеты, включая Землю. Поэтому такие исследования включены и в разработанные современные документы по стратегии изучения солнечной системы [9-11]. Учитывая многолетний опыт наблюдений планет, накопленный в Астрофизическом институте им.В.Г.Фесенкова [12-14], признано целесообразным организовать в рамках казахстанской космической программы Информационно аналитический центр планетного мониторинга (ИАЦПМ).

Основными направлениями деятельности ИАЦПМ планируются следующие:

1. Проведение наземных наблюдений планет, в том числе по программам астрофизического сопровождения космических миссий к планетам.

2. Астрофизическое изучение метеорологических процессов и климатических изменений на планетах и поиск солнечно-планетных связей.

3. Поддержка программ международной кооперации в исследованиях нестабильности планет и других тел солнечной системы и регулярные контакты с их координаторами..

4. Координация наблюдений и других работ по планетному мониторингу с поддержкой оперативной связи с обсерваториями других стран Евразии, Америки и Австралии. при сотрудничестве с Комиссией 16 по физике планет и спутников Международного Астрономического Союза.

5. Сбор, систематизация, хранение, обработка и анализ получаемых в рамках международных программ наблюдательных данных о климатических и метеорологических характеристиках планет по космическим и наземным исследованиям.

6. Подготовка, печать и электронная рассылка специального Бюллетеня со срочными сообщениями и обменом информацией в области планетных исследований.

7, Разработка программ исследований планет для будущих космических телескопов.

8. Специализированное обучение студентов и магистрантов в области земной и планетной метеорологии и климатологии, в том числе и с использованием международного обмена 9. Разработка и реализация образовательных программ и программ дистанционного обучения в области физики солнечной системы для школ и лицеев с физико-математическим и космическим уклоном.

В отдаленной пока перспективе основные наблюдательные задачи планетного мониторинга должны будут выполняться с помощью космических телескопов, либо орбитальных околоземных, либо установленных на Луне и обладающих рядом преимуществ перед орбитальными.

Литература 1. Тейфель В.Г. Циклон на Марсе - наблюдения в 1999 г. // Астрон.вестник РАН, 2001, т.35, N3, с.214-217.

2. Фесенков В.Г. О природе Юпитера. Харьков, 1917, 120 с.

3. Фесенков В.Г. Явления, наблюдаемые на Юпитере. Происхождение темных полос.// Изв.Астрофиз.инст.АН КазССР, 1955, №1-2, с.239-251.

4. Tejfel V.G., Aksenov A.N., Vdovichenko V.D., Sinyaeva N.V., Gaisina V.N., Kharitonova G.A. Spectrophotometry of zonal cloud structure variations on Jupiter in 1988-1993. // J.Geophys.Research -Planets, 1994, v.99, N E4, p. 8411- 8423.

5. Tejfel V.G. The space-time asymmetry of atmospheric properties on Saturn // 32-nd Lunar and Planetary Science Conference, Houston, March 12-16, 2001, Abstr.N 1315.

6. Xantakis J., Petropoulos B., Banos C., Sarris E. Seasonal variation in the atmospheric activity of Jupiter. // Earth, Moon,and Planets, 1991, v. 52, p.145-159.

7. Аксенов А.Н., Григорьева З.Н., Прибоева Н.В., Романенко С.Г., Тейфель В.Г.

Фотометрическое изучение атмосферной активности Юпитера в 1964-1965 гг//.

Астрон.вестник АН СССР, 1967, т.1, №3, с.173-179.

8. Тейфель В.Г. Служба планет.// Земля и Вселенная, 1990, N5, с.31-37.

9. Solar System Exploration – Roadmap. NASA, 2003, 76 p.

10. New Frontiers in the Solar System – An Integrated Exploration Strategy.

National.Acad.Press, Washington,DC, 2003, 248 p.

11. PPARC Solar System Science Strategy 2002-2012,.UCL, London, 2002, 11 p.

12. Tejfel V.G. Planetary research has long history in Kazakhstan. //EOS - Transactions of American Geophysical Union, 1998, v.79, N20, pp.237,240- 13. Tejfel V.G. Planetary research in Kazakhstan. //Planetary and Space Science, 2001, v.49, p.1347- 14. Тейфель В.Г., Вдовиченко В.Д., Кириенко Г.А., Харитонова Г.А., Синяева Н.В., Глушкова Е.А., Каримов А.М. Планетные исследования в Астрофизическом институте им.В.Г.Фесенкова. // Материалы Международной научно-практической конференции «Современные исследования в астрофизике и физико-математических науках»

Петропавловск, 2004,с.53-66.

ПЛАНЕТАЛЫ МОНИТОРИНГ – КЛИМАТТЫ ЗГЕРУІН СЕБЕБТЕРІН АНЫТАУ ЖОЛЫ В.Г. Тейфель Планеталы мониторингті мселелері мен масаттары – регулярлы байаулар жне планеталарды атмосферасында тетін процестерді зерттеулері ысаша келтірілген. Бларды е маызды масаты Жерді де, баса планетарлардыда, глобальды климатты згерістерінде арышты факторлерді ролін баалауда.

PLANETARY MONITORING - THE WAY TO FINDING-OUT OF THE REASONS OF CHANGE OF THE CLIMATE V.G. Teifel The problems and tasks of the planetary monitoring consisted of regular observations and studies of the processes in the atmospheres of the planets are considered briefly. The main goal of them is to estimate the cosmic factors role in the global climatic changes on the Earth and other planets.

ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ EFFECT OF THERMAL AND LIGHT IRRADIATIONS ON OPTICAL PROPERTIES AND SHORT- AND MEDIUM-RANGE ORDER IN ATOMIC STRUCTURE OF AMORPHOUS CHALCOGENIDE FILMS PREPARED BY DIFFERENT METHODS Sh.Sh. Sarsembinov, O.Yu. Prikhodko, A.P. Ryaguzov, S.Ya. Maksimova and V.Zh. Ushanov Department of Physics, Al-Farabi Kazakh National University, Almaty 050012, Kazakhstan The changes in optical properties and atomic structure of as-prepared amorphous As2Se3 and As2S films upon annealing and light irradiation have been studied. The films were prepared by the methods of thermal evaporation in a vacuum and radio frequency ion plasma sputtering. It was found that after the thermal and light irradiations the optical transmission edge of the films is shifted and there are some changes in atomic film structure. The most essential changes in atomic structure and optical properties as well as a correlation between the changes in the medium-range order of the atomic structure and the optical band gap have been revealed in the TE films7.

1. Introduction The effect of short- and medium-range order of atomic structure in the non-crystalline materials on their electrical properties is one of the main problems in non-crystalline solid physics [1-3]. It is more actual for the chalcogenide glassy semiconductors (ChGSs) with structural lability due to low coordination of their atoms [1-6]. One can change, to some extent, ChGS films structure using external influences (such as light irradiation and annealing [2-6]) and different methods of preparation [2, 7, 8]. Changes in films atomic structure lead to modification of their thermodynamic, electrical and optical properties [3-6]. In particular, some changes in the position of absorption band edge, which is determined by its energy gap, are observed. Most of investigations deal with TE films of As2Se3 and As2S3 stoichiometric composition, which are the model object for ChGSs properties investigation.


This study is devoted to the results of comparative investigations of the thermal and light irradiation effect on optical properties and short- and medium range order in atomic structure of amorphous As2Se3 and As2S3 films obtained by different methods. ChGS films were prepared by thermal evaporation in a vacuum (TE films) and RF ion plasma sputtering (RF films) – two techniques differ essentially in the conditions of substance vaporization and condensation of atoms and molecules on a substrate.

2. Experimental procedures The technique of amorphous As2Se3 and As2S3 preparation by TE and RF methods is described in [7, 8]. The films were deposited onto polished glass substrates, and their thickness was varied between 4 and 12 µm. As-prepared films were annealed for an hour. The annealing temperature was 150oC and 165oC for a-As2Se3 and a-As2S3, respectively. Light irradiation of the films was carried out by a lamp of 150 W with tungsten filament. The focusing lens, IR-cut and optical filters were used as well. The light filters were chosen so that it could transmit the light photons with the energy corresponding to the fundamental absorption band. The exposure time was 4 hours.

Spectral characteristics of the films optical transmission were measured in the wavelength range from 0.4 to 0.75 µm at T=300 K. The optical gap Eg was determined from spectral transmission characteristics at absorption coefficients corresponding to the fundamental absorption edge by extrapolating the dependence ( h )1/2 = f(h ) to the axis of energy. The measurement error was ± 0.01 eV.

The parameters of short- and medium-range order in the atomic structure of amorphous films were determined by x-ray diffraction analysis. The intensities of the reflected x-rays were recorded at the constant grazing angle of 4.52o. The wavelength of X-ray monochromatic radiation was 1.5418. The error in the coordination sphere radii was R 0.01, and in the number of nearest neighbors - Z 0.1.

3. Results and discussion Figures 1-4 show the effect of the thermal and light irradiation on optical transmission spectra for amorphous As2Se3 and As2S3 films. It is seen that annealing and irradiation shift the optical transmission edge of TE films towards long wavelength region of the spectrum. On the contrary, the optical transmission edge of RF films shifts towards shorter wavelengths during the annealing process. The following irradiation leads to the shift of the transmission spectrum to the longer wavelength region both for RF films and TE films. Table 1 shows thermal and light irradiations influence on the optical band gap of the films.

Fig. 1. Spectral transmission characteristics of Fig. 2. Spectral transmission characteristics of as-prepared (1), annealed (2) and as-prepared (1), annealed (2) and irradiated (3) TE а-As2Se3 films irradiated (3) RF а-As2Se3 films Fig. 3. Spectral transmission characteristics of Fig. 4. Spectral transmission characteristics of as-prepared (1), annealed (2) and as-prepared (1), annealed (2) and irradiated (3) TE а-As2S3 films irradiated (3) RF а-As2S3 films It should be noted that thermal and light irradiations have more influence on the optical properties of TE-films than those of RF-films.

Table 1. Optical band gap Eg of as-prepared, annealed and irradiated TE and RF a-As2Se3 and a As2S3 films Composition As2Se3 As2S Films TE RF TE RF as-prepared 1.81 1.75 2.43 2. Eg, эВ Annealed 1.78 1.76 2.38 2. irradiated 1.73 1.74 2.33 2. The effect of annealing and light irradiation on x-ray diffraction patterns I (2) for as-prepared TE- and RF a- As2Se3 and As2S3 films is presented in figures 5-8. Figure 5a shows that annealing of TE-films leads to essential decrease of the first sharp diffraction peak (FSDP) and slight decline of the second diffraction peak. The other part of diffraction spectrum is not changed. Light irradiation reduces the intensity and half-width of the peaks.

b) a) Fig. 5. X-ray diffraction intensity versus diffraction angle for TE- (a) and RF- (b) a-As2Sе3 films:

1- as-prepared, 2- annealed and 3-irradiated Figure 6. FSDP of as-prepared (1), annealed (2) and irradiated (3) TE a-As2Sе3 films The influence of annealing and light irradiation on the FSDP of the films in more detail is shown in Figure 6. After annealing the FSDP intensity for as-prepared TE films is 30 % less and the intensity maximum shifts to the greater diffraction angles. The further irradiation decreases the FSDP intensity by ~ 18 % and the maximum shifts practically to its original position. For as prepared, annealed and irradiated TE films the 2 angles of FSDP maxima are 16.1o, 16.4o and 16.2o, respectively.

The dependence I(2) for as-prepared, annealed and irradiated RF a-As2Se3 films is shown on figure 5b. It can be seen the slight influence of annealing and irradiation on curves I(2). Slight distinctions are observed in the region of FSDP at 2 scattering angles exceeding 100o.

a) b) Figure 7. X-ray diffraction intensity versus diffraction angle for TE- (a) and RF- (b) a-As2S3 films: - as-prepared, 2 - annealed и 3 - irradiated Figure 8. FSDP of as-prepared (1), annealed (2) and irradiated (3) TE a-As2S3 films The I(2) curves were used to calculate the atomic radial distribution functions (RDF) and the short-range order parameters for amorphous TE and RF As2Se3 films, namely, the radii of the first r1 and the second r2 coordination spheres, the number of the nearest neighbours of arsenic ZAs and selenium ZSe atoms in the first coordination sphere as well as the valence angles between the bonds and their change. Linear dimensions of the regions of local structural order, i. e. medium range order is characterized by parameter L=0.9/[(2)cos(maxFSDP)], where (2) is the FSDP half-width in radians and 2 max is the angle of the FSDP maximum, were estimated using FSDP curves by Scherrer’s formula.

Using an approximate relation d2 /S, where S=4.sin maxFSDP, the estimation of quasi period d of the structure was carried out.

It can be seen from the Table 2 that annealing and irradiation cause insignificant variations in short- and medium-range parameters for RF As2Se3 films in comparison with TE-films.

The results of thermal and light irradiations effect on I(2) for as-prepared TE and RF a-As2S are presented in figures 7,8. Figure 7a shows significant difference in the first diffraction peak for as-prepared TE-films due to annealing and irradiation. The FSDP is sharper in as-prepared films (Figure 8) rather than in annealed and irradiated films. Besides, the FSDP intensity is far higher for as-prepared films (by ~ 38 % and ~ 44 %) comparing with annealed and irradiated samples, respectively. The angle (2) of FSDP maximum for as-prepared films comes to 16.5o. Annealing and irradiation shift slightly (by ~0.5o) the FSDP maximum towards the greater angles.

The effect of annealing and irradiation on I(2) is insignificant for RF a-As2S3 films in contrast with TE films (Figure 7b). The obtained short and medium range order parameters for TE and RF As2S3 films are listed in Table 3. The data indicate that annealing and light irradiation have a pronounced effect on TE films atomic structure parameters and, mainly, on medium-range order parameter L of atomic structure.

Table 2. Parameters of short- and medium-range order of the atomic structure for as-prepared, annealed and irradiated TE and RF a-As2Se3 films Films TE RF External as- as annealing irradiation annealing irradiation influence prepared prepared ZAs 3.4 3.3 3.5 3.2 3.2 3. ZSe 2.3 2.2 2.4 2.1 2.1 2. R1, 2.35 2.40 2.45 2.40 2.39 2. R2, 3.71 3.70 3.67 3.65 3.67 3. 102o±27o 101o±25o 97o±22o 99o±26o 100o±25o 95o±23o ± L, 31 22 19 13 12 d, 5.5 5.5 5.4 5.4 5.2 5. Table 3. Parameters of short- and medium-range order of the atomic structure for as-prepared, annealed and irradiated TE and RF a-As2S3 films Films TE RF External as- as annealing irradiation annealing irradiation influence prepared prepared ZAs 3.8 3.6 3.9 4.0 3.9 3. ZS 2.5 2.4 2.6 2.7 2.6 2. R1, 2.30 2.29 2.36 2.34 2.35 2. R2, 3.58 3.52 3.59 3.54 3.54 3. 103o±28o 100o±26o 96o±23o 98o±23o 97o±24o 99o±27o ± L, 38 21 18 14 17 d, 5.4 5.2 5.2 5.2 5.3 5. It can be concluded that annealing and light irradiation mainly effect on the parameters of atomic structure of TE a-As2Se3 and a-As2S3 films, and the essential changes occur in medium range order parameter L.

Let us analyze the change of Eg and L parameters in TE films. These parameters decrease markedly during annealing of as-prepared TE a-As2Se3 and a-As2S3 films. The further irradiation leads to substantial decrease of Eg and L parameters as well. Thus, change in the medium-range order of the atomic structure is correlated with change in the optical gap of these films.

It should be noted that medium range order parameter L, which characterizes linear dimensions of the regions of local structural order, has much lower value for RF films in comparison with that of TE films. That is the evidence that the RF films structure at the medium range order level is more disordered than in TE films. Note that while investigating the local structures of the films by Raman spectroscopy we found that RF films have much complicated local structure, i.e. RF film matrix contain, along with the structural units common to TE films, other structural units with As-As bonds predominance.

4. Conclusion The results of annealing and irradiation effect on optical properties and atomic structure of a As2Se3 and a-As2S3 films show that the films prepared by radio frequency ion-plasma sputtering have more rigid structure compared with the films prepared by thermal evaporation in a vacuum.


Changes in medium-range order of the atomic structure in TE films are correlated with changes in the optical gap of these films under annealing and irradiation processes.

Differences in atomic structure of TE and RF films seem to be caused by essentially different conditions of substance vaporization and condensation of atoms and molecules on a substance in two techniques.

References:

1. S.R. Elliot, J. Phys. Cond. Mat., 38 (1992) 2. K.D. Tsendin, Electronic Phenomena in Chalcogenide Glassy Semiconductors, St Peterburg, 1996, 486 (in Russian) 3. J.P. De Neufville, S.C. Moss, S.R. Ovshinsky, J. Non-Cryst. Solids, 13 (1973/74) 4. K. Tanaka, Rev. Solid State Sci., 4 (1990) 5. G.Pfeiffer, M.A. Paesler, S.A. Agarwal, J. Non-Cryst. Solids, 130 (1991) 6. A.V. Kolobov, G.J. Adriaenssens, Phil. Mag., B 69 (1994) 7. Sh.Sh. Sarsembinov, O.Yu. Prikhodko, A.P. Ryaguzov, S.Ya. Maksimova and V.Zh.

Ushanov, Semicond. Sci. Technol., 17 (2002) 8. Sh.Sh. Sarsembinov, O.Yu. Prikhodko, A.P. Ryaguzov, S.Ya. Maksimova and V.Zh.

Ushanov, Semicond. Sci. Technol., 19 (2004) 787.

РТРЛІ ДІСТЕРІМЕН ДАЙЫНДАЛАН БОСЫЛ ХАЛЬКОГЕНИДТІ АБЫРШАТАРЫНЫ АТОМДЫ РЫЛЫМНЫ ЖАЫН ЖНЕ ОРТАША РЕТТЕРІНДЕГІ АСИЕТТЕРІНЕ ЖНЕ ПАРАМЕТРЛЕРІНЕ ЖЫЛУЛЫ ЖНЕ ЖАРЫ СУЛЕЛЕНДІРУДІ ТСІРЕТІН ЫПАЛЫ Ш.Ш. Срсембинов, О.Ю. Приходько, А.П. Рягузов, С.Я. Максимова, В.Ж.Ушанов Жарыпен сулелендіруді жне ыздыруды серінен жаадан дайындалан As2Se3 жне As2S босыл абыршатарды оптикалы асиеттеріні жне атомды рылымны згеруі зерттелген.

абыршатар вакуумдаы термиялы булану жне жоары жиілікті ионды-плазмалы шашырау дістерімен алынан. Жылулы жне жарыты сулелендіруді серінен абыршатарды оптикалы жтуды шеті ыысатыны жне абыршатарды атомды рылымында згерістер пайда болатыны аныталан. Атомды рылымында жне оптикалы асиеттеріндегі кптеген згерістер жне атомды рылымны орташа ретіндегі згерістерімен жне тыйым салынан зонаны оптикалы еніндегі арасындаы корреляция термиялы булану дісімен алынан абыршатарда пайда болатыны байалан.

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО И СВЕТОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ БЛИЖНЕГО И СРЕДНЕГО ПОРЯДКОВ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ АМОРФНЫХ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ ПЛЕНОК, ПРИГОТОВЛЕНННЫХ РАЗНЫМИ МЕТОДАМИ Ш.Ш. Сарсембинов, О.Ю. Приходько, А.П. Рягузов, С.Я. Максимова, В.Ж.Ушанов Исследованы изменения оптических свойств и атомной структуры свежеприготовленных аморфных пленок As2Se3 и As2S3 при отжиге и облучении светом. Пленки приготавливались методами термического испарения в вакууме и высокочастотного ионно-плазменного распыления.

Установлено, что после теплового и светового облучений край оптического поглощения пленок сдвигается, и имеют место изменения в атомной структуре пленок. Наибольшие изменения в атомной структуре и оптических свойствах, а также корреляция между изменениями в среднем порядке атомной структуры и оптической шириной запрещенной зоны были обнаружены у пленок, полученных методом термического испарения.

КИНЕТИКА РАДИАЦИОННО – ИНИЦИИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЕ ПО ДАННЫМ ЭПР Г.А. Исмайлова, Ш.Ш. Сарсембинов, А.И. Купчишин, Ф.Ф. Комаров* Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Алматы, *Белорусский государственный университет, Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко, Минск, Беларусь.

Экспериментально исследована кинетика изменения спектров ЭПР в облученных образцах эпоксидной смолы для доз 3 и 6 МГр. Сопоставление данных по кинетике гибели свободных радикалов из измерений ЭПР с кинетикой изменения параметров внутреннего трения (ВТ) показывает, что реакции деструкции и сшивания макромолекул активно протекают в течение первых двух суток.

Введение Для выявления дополнительных особенностей и взаимосвязи релаксации молекулярной и электронной подсистем полимерного композитного материала в процессе и после облучения в данной работе экспериментально исследована кинетика изменения спектров ЭПР в образцах эпоксидной смолы для доз 3 и 6 МГр.

Известно, что свободные радикалы, образующиеся в полимерах под действием ионизирующего излучения, рекомбинируют и участвуют в реакциях, приводящих к деструкции и сшиванию макромолекул в различных областях полимерного материала. При этом параметры ВТ являются мерой деструкции-сшивания в полимере, а сигнал ЭПР – мерой концентрации свободных радикалов.

В работе [1] экспериментально исследована кинетика изменения параметров внутреннего трения в образцах эпоксидной смолы облученных различными дозами (D=3 и 6МГр).

Показано, что реакции деструкции и сшивания макромолекул протекают в полимерном материале в течение первых суток после облучения. В дальнейшем рекомбинация свободных радикалов не сопровождается изменением количества подвижных сегментов макромолекул.

Объект исследования Объектом исследования служил такой полимерный композитный материал как эпоксидная смола, химическая формула которого выглядит следующим образом:

CH H2C – CH – CH2 O– –C– – OCH2 – CH – CH2 – O – – \/ O CH Выбор данного полимера неслучаен, так как эпоксидная смола широко применяется как эффективный диэлектрик в электротехнике. А также является связующим в большинстве классах композитных материалов.

Методика эксперимента Изменение свойств облученных материалов с течением времени после облучения исследовалось методом ЭПР. Известно, что применение метода ЭПР ограничивается системами, в которых присутствуют соединения с неспаренными электронами. При исследовании полимеров такими соединениями являются преимущественно свободные радикалы. Взаимодействия, происходящие между магнитным дипольным моментом спина неспаренного электрона и магнитным дипольным моментом ядерного спина молекулы или радикала, приводят к тому, что вместо единичного сигнала в спектре наблюдается многокомпонентная структура [2]. По характеру расщепления, по числу линий и их относительной интенсивности можно судить о строении парамагнитной системы и получать ценную информацию о ее микродинамике.

Для получения спектров ЭПР использовался спектрометр ERS-220 (Германия) в Х диапазоне (рабочая частота 9,45 ГГц) в резонаторе Н102 прямоугольной формы. Спектры регистрировались при комнатной температуре. ЭПР спектры записывались на развертках 2000 и 100 Гс. Амплитуда ВЧ-модуляции (100 кГц) составляла 0,5 Гс. Измерения концентрации парамагнитных частиц и определение g-фактора свободных радикалов в образцах исследуемых материалов проводилось с использованием аттестованного стандарта Mn+2 в решетке ZnS, помещенного в боковой канал резонатора на спектрах с разверткой Гс. Интенсивные сигналы ослаблялись в 2-4 раза. Положение полос поглощения определялось по максимумам на второй производной спектра. Двойное интегрирование сигналов при измерении концентрации парамагнитных частиц осуществлялось с помощью программы Scan1V, обеспечивающей работу спектрометра и его связь с компьютером.

Экспериментальное исследование спектров ЭПР в образцах эпоксидной смолы На рис. 1, 2 представлены ЭПР - спектры, измеренные через различные промежутки времени с момента окончания облучения электронами, для следующих значений поглощенных доз: D=3МГр и D=6МГр.

2800 g=2, 2300 g=2, I, Отн.ед.

1300 800 Рис. 1. ЭПР-спектры образцов эпоксидной смолы после облучения 300 электронами D=3МГр, зарегистрированные при комнатной - температуре через 2 (1), 5 (2), 8 (3), 3310 3330 3350 3370 3390 3410 (4), 48 (5), 72 (6) и 96 (7) часов. (8) H, Гс необлученный образец.

Наблюдаемые после облучения электронами образцов эпоксидной смолы ЭПР-спектры представляют собой суперпозицию ряда радикальных частиц, природа которых может быть определена двумя усредненными изотропными g-факторами, близкими к 2,0062 и 2,0027.

Исходя из этих значений, можно утверждать, что в облученных образцах эпоксидной смолы стабилизируются радикалы, неспаренный электрон которых локализован соответственно на O- и C-атомах. Как видно из рис.1 радикалы обоих типов по мере хранения образцов, гибнут одновременно, и вид спектров приближается к спектру исходного образца. Основной процесс значительной гибели свободных радикалов происходит в течение первых двух – трех суток после облучения. Этот факт согласуется с данными по измерению кинетики внутреннего трения.

Интенсивность сигналов ЭПР образцов эпоксидной смолы облученных дозой 6 МГр увеличилась, хотя присутствие свободных радикалов двух видов менее выражено.

Для обеих доз облучения характерно сглаживание линий ЭПР, что говорит о гибели свободных радикалов, дающих вклад в результирующий спектр ЭПР.

g=2, g=2, I, Отн.ед.

Рис. 2. ЭПР-спектры образцов эпоксидной смолы после облучения электронами D=6МГр, зарегистрированные при комнатной температуре - 3310 3330 3350 3370 3390 3410 H, Гс через 2 (1), 5 (2), 8 (3), 24 (4), 48 (5), 72 (6) и 96 (7) часов. (8)-необлученный образец.

Результаты Таким образом, сопоставление данных по кинетике гибели свободных радикалов из измерений ЭПР с кинетикой изменения параметров внутреннего трения (ВТ) показывает, что реакции деструкции и сшивания макромолекул активно протекают в течение первых двух суток. В дальнейшем рекомбинация свободных радикалов не сопровождается изменением количества подвижных сегментов макромолекул. Таким образом, время релаксации электронной системы данного полимерного материала значительно превышает характерное время молекулярной структурной перестройки после облучения. По-видимому, полученный результат связан с медленным протеканием стерически затрудненных реакций диспропорционирования, стабилизирующих концевые группы разорванной при облучении макроцепи.

Литература 1. Zaykin Yu. A, Ismailova G. A. and Al – Sheikhly M, Effect of pulse electron beam characteristics on internal friction and structural alterations in epoxy, Radiat. Phys. Chem., 2007, volume 76, issues 8-9, 1404-1408 p.

2. Рот Г. -К., Келлер Ф., Шнайдер Х. Радиосректроскопия полимеров. – М.: Мир, 1987 г.

ЭПР НТИЖЕЛЕРІ БОЙЫНША ЭПОКСИДТІК СМОЛАДАЫ РАДИАЦИЯЛЫ ИНИЦИАЦИЯЛАНАН ПРОЦЕСТЕРДІ КИНЕТИКАСЫ Г.А. Исмайлова, Ш.Ш. Срсембинов, А.И. Купчишин, Ф.Ф. Комаров 3 жне 6 МГр дозалары шін эпоксидтік смоланы сулелендірілген лгілеріндегі ЭПР спектріні згеруіні кинетикасы эксперименттік трде зерттелген. Ішкі йкеліс параметрі жне ЭПР-тан алынан нтижелер бойынша еркін радикалдарды жойылуыны кинетикасы арылы бірінші екі тулікте макромолекулаларды деструкция жне тігілу реакциясы арынды тетіні аныталан.

KINETICS OF RADIATION-INITIATED PROCESSES IN EPOXY ACCORDING TO EPR G.A. Ismailova, Sh.Sh. Sarsembinov, A.I. Kupchishin, F.F. Komarov Kinetics of change of EPR spectrum are experimentally studied in epoxy irradiated to the doses of MGy and 6 MGy. Time dependences of internal friction characteristics associated with radiation-induced processes of epoxy scission and cross-linking to comparison with kinetics of change of EPR spectrum.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В УГЛЕРОДОНАПОЛНЕННОМ КОМПОЗИТНОМ МАТЕРИАЛЕ, ОБЛУЧЕННОМ ЭЛЕКТРОНАМИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МОЩНОСТЯХ ДОЗЫ Д.Б. Аймуратов, А.И. Купчишин Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Алматы Радиационно-инициированные структурные изменения, наблюдаемые в углеродонаполненных полимерных композитах, приводят к нестандартным дозовым и температурным зависимостям электрического сопротивления.

Экспериментально измерены температурные зависимости электрического сопротивления в диапазоне температур 20-3000с в образцах композитов, облученных до дозы 6 МГр при различных мощностях дозы р. Мощности дозы варьировались в пределах 2 6 кГр/с. Исследуемые композиты представляли собой слоистый прессованный материал, изготовленный из углеродных волокон, пропитанных эпоксидной смолой. Использовались углеродные волокна цилиндрической формы диаметром от 5 до 50 мкм. Структура образцов этого типа, изученная с помощью просвечивающей электронной микроскопии, показана на рис. 1-3.

а) б) Рис. 1. Укладка углеродных волокон в композите с эпоксидным связующим а) продольное сечение образца;

б) поперечное сечение образца Рис.2. Углеродное волокно Рис.3. Структура промежуточной области между слоями композита 1 – вольтметр;

2 – мультиметр;

3 – контакты;

4 – образец;

5 – устройство для нагревания образца, 6 – термопара Рис. 4. Принципиальная схема измерения электрического сопротивления образцов углеродонаполненного композита На температурной зависимости электрического сопротивления ( от t) в необлученном образце наблюдается два пика: низкотемпературный - в области температур 75-85оС и высокотемпературный - в области 200-220оС. Эти пики коррелируют со спектром механической релаксации и идентифицированы как пики, обусловленные структурными переходами в полимерной матрице и приграничной области связующее-наполнитель (углеродное волокно – эпоксидная смола). На спектре механической релаксации в композитах с эпоксидной смолой при температурах около 100оС наблюдается структурный переход, обусловленной процессом -релаксации в образце. Этот процесс связан с переходом полимерного связующего композита из стеклообразного в высокоэластическое состояние, при котором происходит размораживание сегментальной подвижности в полимере [1]. Появление пика на температурной зависимости электрического сопротивления при температуре 85-100оС обусловлено рассеянием носителей заряда на колебаниях сегментов полимерной макромолекулы.

Второй пик, наблюдаемый в области 200-250оС в необлученном образце, по аналогии со спектром внутреннего трения, связан с переходом полимерной составляющей композита в вязкотекучее состояние. Этот переход обуславливает сильное рассеяние носителей заряда и приводит к значительному увеличению значений электрического сопротивления в этой области температур [2].

На рисунке 5 приведена зависимость от t и видно, что увеличение мощности дозы приводит к снижению значений электрического сопротивления в исследуемых образцах.

Как видно из рисунка 5 в облученных образцах первый пик, обусловленный процессом -релаксации исчезает. Это свидетельствует о том, что происходящие под действием ионизирующего излучения процессы деструкции и структурирования материала приводят к изменению числа сегментов, способных совершать колебания.

Значения электрического сопротивления в облученных образцах ниже по сравнению с необлученным образцом. Известно, что при поглощенных дозах облучения порядка 6 МГр в таких композитах преобладает радиационная деструкция материала, которая должна приводить к увеличению значений электросопротивления в облученных образцах. Однако наблюдаемое снижение значений электросопротивления вероятно, обусловлено термической и радиационной диффузией атомов углерода в различные структурные составляющие композитного материала. Кроме того, в облученных образцах диффузия атомов углерода в полимерную матрицу протекает более интенсивно по сравнению с переходной областью композита.

R, Ом 120 t, oC 0 100 200 Рис.5. Зависимость электросопротивления от температуры для 1-p=0 кГр/с, 2-p=2,8 кГр/с, 3-p=3,8 кГр/с, 4-p=5,8 кГр/с и D=6 МГр.

На рисунке 6 видно, что второй пик, обусловленный переходом полимера в вязкотекучее состояние в образце, облученном до дозы 6 МГр, становится ниже по сравнению с необлученным образцом. При дальнейшем увеличении дозы облучения до МГр этот пик исчезает. По аналогии со спектром внутреннего трения можно полагать, что при облучении до дозы 10 МГр в полимерной составляющей композита превалирует процесс радиационного сшивания, сопровождающийся диффузией атомов углерода в полимерную матрицу композита. Эти процессы приводят к заметному снижению значений электрического сопротивления материала.

R, Ом 120 0 t, oC 0 100 200 Рис.6. Зависимость электросопротивления от температуры для 1 – D=0 МГр, 2 – D=6 МГр, 3 – D=12 МГр.

Увеличение мощности дозы электронного излучения так же, как и увеличение дозы, приводит к усилению диффузии углерода, дополнительному сшиванию полимерной матрицы и, как следствие, к подавлению пиков на температурной зависимости внутреннего трения и электросопротивления [2].

Таким образом, радиационно-инициированные структурные изменения, наблюдаемые в углеродонаполненных полимерных композитах, приводят к нестандартным дозовым и температурным зависимостям электрического сопротивления, которые могут найти интересные технические применения.

Литература 1. Zaykin Yu.A., Koztaeva U.P. Radiation Resistance and Structural Transitions in Polymer Based Composites Irradiated by Electrons //Radiat. Phys. Chem., 2002, v.63/2, pp. 547-550.

2. Yu.A. Zaikin, D.B. Aimuratov, M. Al-Sheikhly. Dose rate effect on internal friction and structural transformations in electron irradiated carbon-armored composites. 11-th Tihany symposium on radiation chemistry, 2007, v. 76, issues 8-9, pp. 1399-1403.

РТРЛІ ДОЗА УАТЫНДА ЭЛЕКТРОНДАРМЕН СУЛЕЛЕНДІРІЛГЕН КМІРТЕГІМЕН ТОЛТЫРЫЛАН КОМПОЗИТТІК МАТЕРИАЛДАРДАЫ ЭЛЕКТРЛІК КЕДЕРГІСІНІ ТЕМПЕРАТУРАА ТУЕЛДІЛІГІ Д.Б. Аймратов, А.И. Купчишин Кміртегімен толтырылан композиттік материалдардаы радиациялы-инициацияланан рылымды згерулер стандартты емес дозалы жне электрлік кедергісіні температураа туелділіктерін алып келеді.

TEMPERATURE DEPENDENCES OF ELECTRIC RESISTANCE IN CARBON COMPOSITE MATERIALS IRRADIATED BY ELECTRONS AT DIFFERENT DOSE RATE D.B. Aimuratov, А.I. Kupchishin The radition-initiated structural changes observable in carbon polymer composites to lead to non standard dose and temperature dependences of electric resistance.

РАДИАЦИОННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ В УГЛЕРОДОНАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ ОБЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОНАМИ Д.Б. Аймуратов, А.И. Купчишин, Жи Чен Казахский Национальный Университет им. аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан Шанхайский Государственный Университет, г. Шанхай, Китай Воздействие ионизирующего облучения на углеродонаполненные композитные материалы при определенных дозах и мощностях дозы приводит к увеличению их прочностных характеристик за счет дополнительной сшивки и появления в полимере поперечных связей.

Импульсное облучение производилось электронами с энергией 2 МэВ и экспериментально измерены механические прочности образцов на установке DXL-20000 в Шанхайском Университете.

Радиационную стойкость оценивали по изменению упругопрочностных свойств образцов после их облучения при фиксированной дозе 12 МГр и при мощностях дозы от 0 до 14 кГр/с. Использовали образцы размером 0,8*5*50 мм, которые испытывались на изгиб и на растяжение. В результате исследований было установлено, что при облучении углеродонаполненные композитные материалы упрочняются дополнительной сшивкой и появлением в полимере поперечных связей.

При рассмотрении графика механической прочности на изгибание рис. 12 и на растяжение рис.13. композитных материалов облученных дозой 12 МГр при различных мощностях дозы отчетливо выделяется пик в интервале мощности доз 8-10 кГр/с. Длина образца при рассмотрение механической прочности на изгиб составляла 4 см, а при растяжении 5 см. Относительный прирост приложенного давления при механической прочности на изгиб составляет на 35%, а при растяжении на 40%. В облученных материалах при мощности дозы выше 10 кГр/с наблюдается процесс деструкций, и это согласуется с количественными данными, полученными методом наименьшего квадрата с помощью математического пакета MathCAD.

Изменение различных свойств углеродонаполненных композитных материалов при воздействии излучений определяется, прежде всего, содержанием в них смол, отвердителей, пластификаторов, наполнителей и т.д., а также чистотой компонентов, технологией отверждения и условиями облучения. Наиболее заметно под действием радиации, начиная с поглощенной дозы излучения 6 МГр-12 МГр, изменяется прочность при статическом изгибе.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.