БЛИЖНИЙ СТРУКТУРНЫЙ ПОРЯДОК В ЖИДКОМ ГАЛЛИИ
|
Введение 4
Глава 1. Структурные характеристики жидкости 7
§1.1 Некоторые особенности жидкого состояния вещества 7
§1.2 Теории жидкого состояния вещества
§1.2.1 Квазигазовые и квазикристаллические теории жидкостей 8
§1.2.2 Простая жидкость 11
§1.3 Функция радиального распределения атомов 12
§1.3.1 Введение понятия функции радиального распределения 12
§1.3.2 Функция радиального распределения простой жидкости 18
§1.4 Дифракция излучений в металлических жидкостях 20
§1.5 Статический структурный фактор 24
Глава 2. Жидкий галлий. Структура 27
§2.1 Общие сведения о галлии 27
§2.2 Теории о структурном порядке жидкого галлия 28
§2.2.1 Двухструктурная модель жидкого металла 29
§2.2.2 Димеры в жидком галлии 31
§2.2.3 Особенности локального ориентационного упорядочения в жидком галлии 35
Глава 3. Локальные структурные особенности и ближний порядок в жидком галлии 37
§3.1 Радиальное распределение атомов 37
§3.2 Интерпретация функции радиального распределения атомов 43
§3.3 Температурные зависимости характеристик локальной структуры 48
Благодарности 58
Список литературы 59
Приложение 63
Глава 1. Структурные характеристики жидкости 7
§1.1 Некоторые особенности жидкого состояния вещества 7
§1.2 Теории жидкого состояния вещества
§1.2.1 Квазигазовые и квазикристаллические теории жидкостей 8
§1.2.2 Простая жидкость 11
§1.3 Функция радиального распределения атомов 12
§1.3.1 Введение понятия функции радиального распределения 12
§1.3.2 Функция радиального распределения простой жидкости 18
§1.4 Дифракция излучений в металлических жидкостях 20
§1.5 Статический структурный фактор 24
Глава 2. Жидкий галлий. Структура 27
§2.1 Общие сведения о галлии 27
§2.2 Теории о структурном порядке жидкого галлия 28
§2.2.1 Двухструктурная модель жидкого металла 29
§2.2.2 Димеры в жидком галлии 31
§2.2.3 Особенности локального ориентационного упорядочения в жидком галлии 35
Глава 3. Локальные структурные особенности и ближний порядок в жидком галлии 37
§3.1 Радиальное распределение атомов 37
§3.2 Интерпретация функции радиального распределения атомов 43
§3.3 Температурные зависимости характеристик локальной структуры 48
Благодарности 58
Список литературы 59
Приложение 63
Функция радиального распределения атомов жидкого галлия характеризуется формой, нетипичной для обычных простых жидкостей: главный максимум функции имеет несимметричный вид из-за наличия хорошо выраженных «плеч» [1]. Несмотря на наличие различных гипотез об особенностях локального структурного порядка в жидком галлии [2-5], общепринятое объяснение по данному вопросу до сих пор отсутствует. Также подобное поведение функции радиального распределения атомов имеет целый ряд других металлических одноатомных жидкостей, таких как висмут, олово, германий, кремний и другие [1,5]. Предполагается, что все эти особенности локального структурного порядка имеют единую природу возникновения. Поэтому объяснение причин наличия асимметрии первого пика в жидком галлии вполне обоснованно распространить и на остальные жидкости этого ряда, что, в свою очередь, поможет систематизировать их структуру и свойства.
Интерес к жидким металлам в производственных и научных отраслях очень быстро возрастает [6] одновременно с изучением структуры и свойств металлов и сплавов в кристаллическом состоянии. Обусловлено это тем, что, во-первых, выплавка в процессе изготовления металлического изделия является необходимым звеном. На свойства и внутреннюю структуру будущих металлических изделий при этом оказывают сильное влияние многие параметры исходного расплава (структурная наследственность [7,8]). Например, к таким параметрам относится температура, до которой нагревается данная жидкость, время выдержки при этой температуре, скорость охлаждения после отливки изделия (закалка) и многое другое.
Во-вторых, в настоящее время активно развивается сфера применения
аморфных сплавов или металлических стёкол [9-13]. Металлические стёкла
— это металлические твёрдые тела с аморфной структурой. Они
характеризуются отсутствием дальнего порядка и наличием ближнего порядка в расположении атомов. Получают их из жидкого состояния путём сверхбыстрого охлаждения, что позволяет создать твёрдый материал без кристаллизации. Структура полученного материала остаётся практически подобной той, что была в жидком состоянии. Именно поэтому свойства полученных таким образом тел отличаются от свойств кристаллических тел того же состава. Некоторые из металлических стёкол, в частности, обладают высокой прочностью, вязкостью, коррозийной стойкостью, высокой магнитной проницаемостью и являются очень твёрдыми. Благодаря этим их преимуществам, они начали широко использоваться в оборонной промышленности, при производстве магнитных экранов, трансформаторов и так далее.
В-третьих, жидкие металлы, а именно легкоплавкие расплавы на основе галлия, начали использоваться в ядерных энергетических установках в качестве теплоносителей [14].
И, наконец, дальнейшее развитие теории жидкого состояния вещества не представляется возможным без информации о взаимном расположении частиц в любой жидкости и объяснения причин такого расположения. Исследование динамики и структуры жидкостей относится к фундаментальным задачам современной физики конденсированного состояния. Всё это указывает на то, что настоящая работа является актуальной и представляет научный интерес.
На данный момент существует несколько различных теорий об особенностях структурного порядка в жидком галлии и причинах их возникновения. В частности, в работах [А.В. Мокшин и др., ЖЭТФ 148, 947 (2015)] и [C. Lin-Yuan et al., J. Chem. Phys. 145 (2016)] были предложены новейшие гипотезы c разъяснениями данного вопроса.
Цель настоящей работы заключается в изучении и интерпретации локальных структурных особенностей жидкого галлия, наблюдаемых в современных экспериментах по дифракции нейтронов и рентгеновских лучей. Данная цель раскрывается в следующих задачах, которые решались в ходе выполнения работы:
1. Анализ известных на настоящее время данных по структуре
галлия для диапазона ТЕ [300 1300 К];
2. Развитие теоретической модели для интерпретаций функции радиального распределения атомов однокомпонентной жидкости;
3. Описание экспериментальных данных и результатов
молекулярной динамики для функции радиального распределения атомов жидкого галлия в температурной области Т 6 [300 /Т; 1300 К];
4. Интерпретация температурных зависимостей параметров,
характеризующих локальную структуру в жидком галлии (характерные корреляционные длины, координационные числа и т.д.).
Интерес к жидким металлам в производственных и научных отраслях очень быстро возрастает [6] одновременно с изучением структуры и свойств металлов и сплавов в кристаллическом состоянии. Обусловлено это тем, что, во-первых, выплавка в процессе изготовления металлического изделия является необходимым звеном. На свойства и внутреннюю структуру будущих металлических изделий при этом оказывают сильное влияние многие параметры исходного расплава (структурная наследственность [7,8]). Например, к таким параметрам относится температура, до которой нагревается данная жидкость, время выдержки при этой температуре, скорость охлаждения после отливки изделия (закалка) и многое другое.
Во-вторых, в настоящее время активно развивается сфера применения
аморфных сплавов или металлических стёкол [9-13]. Металлические стёкла
— это металлические твёрдые тела с аморфной структурой. Они
характеризуются отсутствием дальнего порядка и наличием ближнего порядка в расположении атомов. Получают их из жидкого состояния путём сверхбыстрого охлаждения, что позволяет создать твёрдый материал без кристаллизации. Структура полученного материала остаётся практически подобной той, что была в жидком состоянии. Именно поэтому свойства полученных таким образом тел отличаются от свойств кристаллических тел того же состава. Некоторые из металлических стёкол, в частности, обладают высокой прочностью, вязкостью, коррозийной стойкостью, высокой магнитной проницаемостью и являются очень твёрдыми. Благодаря этим их преимуществам, они начали широко использоваться в оборонной промышленности, при производстве магнитных экранов, трансформаторов и так далее.
В-третьих, жидкие металлы, а именно легкоплавкие расплавы на основе галлия, начали использоваться в ядерных энергетических установках в качестве теплоносителей [14].
И, наконец, дальнейшее развитие теории жидкого состояния вещества не представляется возможным без информации о взаимном расположении частиц в любой жидкости и объяснения причин такого расположения. Исследование динамики и структуры жидкостей относится к фундаментальным задачам современной физики конденсированного состояния. Всё это указывает на то, что настоящая работа является актуальной и представляет научный интерес.
На данный момент существует несколько различных теорий об особенностях структурного порядка в жидком галлии и причинах их возникновения. В частности, в работах [А.В. Мокшин и др., ЖЭТФ 148, 947 (2015)] и [C. Lin-Yuan et al., J. Chem. Phys. 145 (2016)] были предложены новейшие гипотезы c разъяснениями данного вопроса.
Цель настоящей работы заключается в изучении и интерпретации локальных структурных особенностей жидкого галлия, наблюдаемых в современных экспериментах по дифракции нейтронов и рентгеновских лучей. Данная цель раскрывается в следующих задачах, которые решались в ходе выполнения работы:
1. Анализ известных на настоящее время данных по структуре
галлия для диапазона ТЕ [300 1300 К];
2. Развитие теоретической модели для интерпретаций функции радиального распределения атомов однокомпонентной жидкости;
3. Описание экспериментальных данных и результатов
молекулярной динамики для функции радиального распределения атомов жидкого галлия в температурной области Т 6 [300 /Т; 1300 К];
4. Интерпретация температурных зависимостей параметров,
характеризующих локальную структуру в жидком галлии (характерные корреляционные длины, координационные числа и т.д.).
В настоящей работе для температурной области Т 6 [300 К; 1300 К] был проведён детальный анализ данных по дифракции нейтронов и рентгеновских лучей, а также результатов моделирования молекулярной динамики для жидкого галлия. В результате
1) было получено аналитическое представление радиальных функций распределения атомов по элементарным вкладам;
2) на основе выполненных представлений были получены параметры, характеризующие локальную структуру в жидком галлии (характерные корреляционные длины, координационные числа и т.д.);
3) было установлено, что первая координационная сфера произвольного атома жидкого галлия характеризуется диапазоном значений корреляционной длины, а не единственным значением, как это имеет место быть в случае простых жидкостей;
4) найдены температурные зависимости некоторых характеристик локальной структуры;
5) полученные результаты указывают на возможность наличия парных молекул с короткой связью, которые, как известно, присутствуют в кристаллической фазе GaII;
6) установлена область значений некоторой критической
температуры, при которой наблюдается переход от твердотельно-подобной, преимущественно колебательной атомистической динамики, к диффузионной;
7) результаты настоящей работы планируется применить для создания принципиально нового семейства потенциалов межатомного взаимодействия жидких металлов.
1) было получено аналитическое представление радиальных функций распределения атомов по элементарным вкладам;
2) на основе выполненных представлений были получены параметры, характеризующие локальную структуру в жидком галлии (характерные корреляционные длины, координационные числа и т.д.);
3) было установлено, что первая координационная сфера произвольного атома жидкого галлия характеризуется диапазоном значений корреляционной длины, а не единственным значением, как это имеет место быть в случае простых жидкостей;
4) найдены температурные зависимости некоторых характеристик локальной структуры;
5) полученные результаты указывают на возможность наличия парных молекул с короткой связью, которые, как известно, присутствуют в кристаллической фазе GaII;
6) установлена область значений некоторой критической
температуры, при которой наблюдается переход от твердотельно-подобной, преимущественно колебательной атомистической динамики, к диффузионной;
7) результаты настоящей работы планируется применить для создания принципиально нового семейства потенциалов межатомного взаимодействия жидких металлов.
Подобные работы
- БЛИЖНИЙ СТРУКТУРНЫЙ ПОРЯДОК В ЖИДКОМ ГАЛЛИИ
Дипломные работы, ВКР, физика. Язык работы: Русский. Цена: 6300 р. Год сдачи: 2018