Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ. Возрастающий интерес к изучению теплофизических свойств ультрадисперсных систем в последние годы, помимо чисто научных целей, обусловлен важными техническими приложениями. Кластерное состояние материи в последние годы открыло путь к получению принципиально новых сплавов металла и керамики, с совершенно необычными механическими свойствами. Особенности металлических частиц проявляются через размерную и температурную зависимости поверхностного натяжения, что и определяет возможность получений новых; сплавов в ультрадисперсном виде. Благодаря тому,/чтол;мёлк«ё частицы могут иметь совершенно иную злектронпу'го- структуру, чем массивные образцы того же вещества, получеййё"катализаторов.в высокодисперсном виде приводит к повышение-до. .аНоліальііо: высоких значений каталитической активности, самого материала, В некоторых технологических процессах малые частицьі 'могут играть; роль электродов,и плотность тока зависит от их характерных-размеров. Температурная зависимость работы выхода может менять эмиссионные токи на порядки величин.
Специфика ультрадисперсных сред особенно отражается в их кинетических характеристиках. В нанометровых структурах, пример тому - туннельный ток между проводящими электродами, разделенными сверхтонкой диэлектрической или. полупроводниковой пленкой, содержащей металлические частички. При низких температурах и разности потенциалов наличие малых частиц разных размеров определяет детальный вид вольт-амперной характеристики и зависимость электропроводности от частоты внешнего поля. В настоящее время имеется ряд проблем, для решения которых существенно знание свойств малых частиц, характера поглощения ими электромагнитного излучения: изучение образования аэрозолей и их разрушении под действием мощного облучения, влияние примесных частиц на пороги пробдя в газах, роль кластеров вакансий в твердых телах в процессе нагрева электронов и их влияние на механизмы разрушения веществ.
В ультрадисперсных системах, таких, как диспергированные или островковые пленки, при взаимодействии кластерных и электронных пучков, возможны процессы приводящие к разрушению (дроблению) металлических частиц. В процессе установления механическою или
термодинамического равновесия в таких средах, сіцо до окончания релаксационных процессов частицы находятся в напряженном состоянии, которое определяет их эмиссионные свойства. Когда механические напряжения в частице превышают ее предел прочности, ома начинает дробиться. Такое дробление может возникнуть и в процессах их взаимного заряжения, например, в пылевой плазме или тонких пленках. Одно из ярких явлений такого рода - "кулонопский изрыв" металлических кластеров.
В слабоиопизованной плотной плазме концентрация электронов не
велика и неидеальность обусловлена, в первую очередь, взаимодей
ствием зарядов с нейтральными частицами и взаимодействиями ме
жду нейтралами. Благодаря этим взаимодействиям в плазме появля
ется конденсированная дисперсная фаза (КДФ) в виде жидких ка
пелек. Появление новой фазы в значительной степени может
изменить свойства плазмы. Существенная разница в потенциалах ио
низации атома и кластеров приводит к сдвигу химического равновесия
в плазме в сторону больших значений плотностей электронов, чем н
обусловлена столь высокая проводимость плазмы. Характерный для
неидеальной плазмы высокий уровень электропроводности делает ее
перспективным рабочим телом МГД-генераторов.
В последние годы широкое распространение получили исследования свойств конденсированных веществ методами позитронной диагностики. Анализ временных спектров аннигиляции позитрона дает информацию о свойствах вещества. Время жизни позитрона зависит от концентрации электронов окружения, поэтому скорости его аннигиляции, например, в матрице неискаженного кристалла, в уединенной вакансии или кластерах вакансий, в поверхностных состояниях заметно отличаются друг от друга. Это позволяет с высокой точностью различать дефекты, определять пх концентрацию и энергию образования.,
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является изучение энергетических характеристик металлических, диэлектрических кластеров и вакансий в металлах; исследование влияния подсистемы кластеров на ионизационное равновесие в плазме паров металлов, а также вакансий на состояние позитронов в металлах.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Построение последовательной теории жидких металлических кластеров и рамках метода функционала плотности (МФП).
-
Изучение влияния механических напряжении в ограниченном кристалле на работу выхода электронов.
3. Исследование энергии связи квазисвободного и локализованного
в вакансии позитрона.
4. Изучение теплофизических характеристик кластеров жидких
щелочных металлов в широком интервале температур.
-
Развитие кластерной модели плазмы паров щелочных металлов.
-
Построение теории основного состояния легких заряженных ча-зтиц в диэлектрических кластерах.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА; В первой главе диссертации, посвященной исследованию металлических кластеров и вакансий твердых металлов:
-
Впервые с помощью уравнений Эйлера - Лагранжа в рамках метода функционала плотности получена иерархия правил сумм (те-)рем) для удельной, поверхностной энергии, работы выхода из плоской металлической поверхности и поправок к ним на кривизну. Построе-та теория классического размерного эффекта потенциала ионизации кластера и энергии прилипания. Впервые найдепа квантовая попран-са к этим величинам.
-
Экспериментально исследован тензоэмиссионный эффект в металлах и предложен механизм изменения работы выхода электронов і зависимости от деформации металла.
-
Рассчитана энергия связи позитрона в вакансии металла и рабо-:ы выхода позитрона и позитрония. Вычислена энергия образования іакансии. Обнаружено, что для металлов, обладающих отрицательными работами выхода квазисвободного позитрона, наличие вакансий і приповерхностной области приводит к изменению знака работ ны-:ода.
Во второй главе диссертации, посвященной жидкометаллическнм шопяатомным комплексам:
4. В рамках метода функционала плотности и двухкомнонентной
годели плазмы жидкого металла построена теория поверхностного
атяжения, работ выхода электронов и ионов из плоской поверхносш,
еплоты испарения и первых размерных поправок к ним. В широком
нтернале температур впервые рассчитан температурный ход поверх
постного натяжения и работ выхода электронов из жидких щелочных металлов. Впервые исследовано влияние спонтанного сжатия кластера на его энергетику. Определен температурно- зависящий вклад что го эффекта в потенциал ионизации.
5. На основе реакций конденсации (испарения) и ноннчлции по
лучены уравнения ионизационного равновесия в капельной модели
плазмы с конденсированной дисперсной фазой. Показано, что только
температурная зависимость работы выхода электрона в пар приводит
к существенному увеличению концентрации электронов. Рассчитана
электропроводность паров цезия вдоль линии насыщения.
В третьей главе диссертации, посвященной состоянию электронов и позитронов в неполярных жидкостях:
-
В рамках псевдопотенциальной теории рассеяния рассчитаны фазы рассеяния электронов и позитронов в широком диапазоне плот-постей жидкостей. Это позволило проследить эволюцию сечения рассеяния электрона по мере перехода из жидкости в газ. Еще в жидком состояпии монотонность зависимости сечения от энергии нарушается и появляется минимум, по происхождению аналогичный эффекту Рамзауэра в газах. '
-
Исследован энергетический спектр электронов и позитронов в жидкостях благородных газов. .Получено решение задачи о состоянии частицы, в. ячейке Вигнера - Зейтца в условиях отрицательной длины рассеяйия.- Это позволило с единых позиций провести расчеты энергий осйовнргоГсост'ояния и их эффективных масс в широком диапазоне плотностей треды. Для электронов обнаружена особенность в поведении эффективной массы: в твердых Аг и Хе приведенная масса электрона меньше единицы, но с уменьшением плотности она растет, превышает единицу ц имеет максимум, стремясь к единице в разреженном газе.
В заключительной Четвертой главе диссертации, посвященной исследованию основного состояния легких заряженных частиц в диэлектрических кластерах:
8. Впервые построена теория возмущения для энергии основного
состояния частицы в большом кластере и определены квантовые по
правки к классической энергии прилипания. Эти поправки оказались
значительными. Сделаны оценки критических размеров электронных
и нозитронных кластеров.
Совокупность перечисленных исследований и результатов является вкладом в развитие нового научного направления в теплофизике - теории многоатомных комплексов с поверхностью значительной кривизны и их влияния на свойства ультрадисперсных сред. НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ
Теория многоатомных комплексов развивает существующие представления о свойствах металлических и диэлектрических частиц, находящихся в твердом и жидком состоянии* а также их"противоположг ностей" - кластеров вакансий в плотных средах. Полученные правила сумм являются внутренними критериями степени самосогласованна вычислений характеристик поверхности различной кривизны и могут быть также использованы для прямых вычислений размерных поправок в асимптотическом приближении; Теория основного состояния электронов и позитронов в жидкостях благородных газов и их кластерах дает ключ к пониманию процессов рассеяния легких заряженных частиц в среде. Она также может быть использована при исследовании свойств плазмы с диэлектрической КДФ.
Деформационная зависимость работы выхода в ме галлах и металлических кластерах; размерный эффект потенциала ионизации и энергии прилипания, поверхностного натяжения, температурные зависимости работы выхода электронов могут быть использованы при изучении процессов конденсации, испарения, а также эмиссионных свойств металлов. Тензоэмиссиопный эффект уже положен в основу метода контроля прочности металлических изделий. Знание свойств локализованных состояний необходимо при использовании методов позитронной диагностики для исследования радиационных или равновесных дефектов различных сред.
Уравнения ионизационного равновесия для плазмы с металлической КДФ могут быть использованы при создании перспективных двигателей, установок обработки материалов и плазменного напыления при проектировании МВД-установок па неидеальной плазме. АВТОР ВЫНОСИТ НА ЗАЩИТУ:
-
Правила сумм для сферической металлической поверхности.
-
Теорию размерного эффекта потенциала ионизации и поверхностного натяжения твердых и жидких кластеров, испытывающих спонтанное сжатие.
-
Т-лпоэмнссионный эффект в металлах.
-
Результаты исследования температурных зависимостей работы выхода электронов из плоской поверхности, теплоты испарения, поверхностного натяжения и их первых поправок на кривизну.
-
Кластерную модель плазмы паров щелочных металлов. Результаты вычислений электропроводности насыщенных паров цезия.
-
Результаты вычислений работы выхода и энергии связи позитрона в вакансиях металлов. ,
-
Результаты исследования сечения рассеяния, энергий основного состояния; эффективной массы электронов и позитронов в неполярных жидкостях. '
-
Теорию возмущений для энергии прилипания электронов и позитронов к кластерам благородных газов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на: 2-ой и 3-ей Всесоюзной кон
ференциях по физике низкотемпературной плазмы с конденсирован
ной дисперсной фазой (Одесса,.1985,1988), научной сессии "Исследо
вания неидеальной плазмы" Научного совета АН СССР по проблеме
"Физика низкотемпературной плазмы" (Москва, 1985), 5-ом Всесоюз
ном совещании по уравнениям состояния вещества (Эльбрус, 1986), 14-
ой Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродис
персных систем" (Одесса, 1986), 7-ой Всесоюзной конференции по фи
зике низкотемпературной плазмы (Ташкент, 1988), Всесоюзной конфе
ренции "Проблемы физики металлов" (Киев, 1989), 10-th International
Conference on Positron Annihilation (China, Beijing, 1994), 17-th and
18-th International Seminar on Surface Physics (Poland; Kudov/a, 1994
and Polanica Zdroj, 1996), Всероссийской конференции no физике низ
котемпературной плазмы (Петрозаводск, 1995), Рабочей совещании
"Структура и электронные свойства кластеров" (Путино, 1995), 5-th
International Workshop on Positron and Positronium Chemistry (Hungary,
Lillaffured, 1996), 13-ESCAMPIG (Slovakia, Popard, 1996).
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 30 пе
чатных работ. ' *
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 293 наименований. Основной текст диссертации изложен на 244 страницах и содержит 56 рисунков и 22 таблицы.