Исследование под давлением упругих свойств веществ с различным типом межчастичного взаимодействия на примере галлия, спиртов (CH3OH, C2H5OH) и фуллерита

• Автор: Ягафаров, Оскар Фаитович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Упругие свойства веществ под давлением и методы их исследования
1.1 Упругие свойства вещества в конденсированном состоянии
1.2 Методы изучения упругих свойств под давлением
1.3 Постановка задачи исследования и выбор объектов исследования
2. Методика эксперимента
2.1 Вариация и измерение давления и температуры
2.2 Приготовление образцов
2.3 Ультразвуковые измерения на установке «Акустомер-1»
2.4 Ультразвуковые измерения на установке «U-Sonic»
3. Изучение упругих свойств фаз галлия с металлическим и ковалентнометаллическим типами взаимодействия
3.1 Литературные данные о поведении галлия под давлением
3.2 Результаты исследования упругих свойств галлия
4. Изучение веществ с водородной и молекулярной связью
4.1 Литературные данные о поведении этанола и метанола под давлением
4.2 Исследование упругих свойств метилового и этилового спиртов
4.3 Литературные данные о поведении фуллерита Сбо под давлением
4.4 Исследование упругих свойств поликристаллического фуллерита Сбо
Заключение и выводы
Библиография

Введение
Состояние вещества описывается набором как микроскопических, так и макроскопических параметров. Из двух основных термодинамических характеристик (давление р и температура Т) именно температура первоначально играла более заметную роль в исследовании вещества в конденсированном состоянии. Тем не менее, еще в 1660 году Роббер Бойль высказал предположение, что «возможно, давление воздуха может быть причиной многих явлений, о которых люди еще и не задумывались» [1].
Вероятно, первыми экспериментами при высоких давлениях были попытки в XVIII веке ученых Флорентийской Accademia del Cimento определить сжимаемость воды1. Дальнейшие систематические исследования в широком диапазоне давлений привели к значительно более глубокому пониманию свойств вещества. Современная экспериментальная техника позволяет с помощью давления изменять плотность конденсированных веществ более чем на порядок величины. Изменения могут происходить как квазистатично (камеры высокого давления: цилиндр-поршень, алмазные наковальни и т.д.), так и динамично (ударные методы). В обоих случаях, подвергая вещество всестороннему сжатию, мы можем уменьшать расстояние между атомами и тем самым изменять силу их взаимодействия и тип связи.
Сочетание высокого давления с рентгеноструктурными, спектроскопическими, нейтронными и другими методами исследования позволяет расширить наши представления о влиянии давления на свойства веществ и о характере сил межатомного взаимодействия.
Одним из высокоэффективных методов исследования вещества является изучение упругих свойств вещества с помощью ультразвука
1 В опыте вода помещалась внутри свинцового шара, который затем сдавливался между зажимами пресса до тех пор, пока вода не начинала просачиваться трещины в стенках.
упругим характеристикам изотропного твердого тела можно отнести скорости распространения упругих продольных и поперечных волн, модуль объемного сжатия, модуль сдвига и коэффициент Пуассона.
Упругие свойства кристалла в общем случае описываются набором из 21 упругой постоянной, которые образуют тензор четвертого ранга суы. Число независимых упругих постоянных зависит от симметрии кристалла. Для описания упругих свойств изотропных тел - поликристаллов и стекол — используют только две независимые константы: модуль сжатия В и модуль сдвига П. Упругие свойства жидкости могут быть описаны одной константой - модулем продольной упругости Ь, совпадающим с модулем сжатия В.
Упругие характеристики вещества и их изменение с давлением и температурой отражают важную информацию о микроскопических межатомных взаимодействиях. Упругие постоянные с точки зрения термодинамики имеют физический смысл вторых производных плотности свободной энергии (под давлением свободной энергии Гиббса) по соответствующим компонентам тензора деформации, а их экспериментальные значения могут служить для проверки теоретических моделей межатомных (межмолекулярных) взаимодействий в веществе. Для поликристаллического состояния вещества из упругих постоянных можно получить предельные значения объемного модуля и модуля сдвига, используя соответственные приближения.
Важно отметить, что упругие характеристика существенно связаны не только со структурой вещества, но и типом связи, т.е. фактически с характером пространственного распределения плотности валентных электронов. Величины модулей В и Є и их соотношение характеризуют силу межчастичного взаимодействия. Например, модуль объемного сжатия В алмаза с ковалентной связью принимает рекордные значения, тогда как для веществ с молекулярной связью его значения сравнительно невелики, а для металлов и полупроводников различается величина соотношения Є/В.
Работы Бриджмена по определению объемных эффектов давления представляют большой вклад в физику высоких давлений. Однако, его измерения, выполненные классическими методами содержат большое колчество поправок на деформацию камер, поршней, сжимаемость, гистерезис и т.д. В некоторых случаях часть этих поправок оценивалась приближенными расчетами. Все это существенно снижает точность конечного результата, особенно в области высоких давлений выше 3 ГПа. Естественно, что вычисленные из этих данных двукратным дифференцированием изменения сжимаемости с давлением содержат значительные ошибки. Следует также отметить, что как линейная сжимаемость веществ, пересчитанная далее на объемную, так и объемная сжимаемость, определенная непосредственно, могут быть использованы для определения изменения межатомных расстояний в веществе с давлением с некоторыми оговорками.
Действительно, в значения сжимаемости, полученные описанными выше статическими методами, входит также сжимаемость межкрис галлитной прослойки и микропустот, которая не может быть учтена. Свободны от подобных недостатков структурные дифракционные методы определения сжимаемости по изменению параметров кристаллической решетки вещества, например, рентгеноструктурный метод (основан на явлении дифракции -рентгеновских лучей на трехмерной кристаллической решетке) и метод нейтронографии (основан на дифракции нейтронов при их рассеянии на ядрах атомов).
Тем не менее, применение этих методов с техникой высокого давления также имеет свои недостатки. Структурные дифракционные исследования обычно достаточно длительные и дают ограниченное количество экспериментальных точек. При этом если используется камера высоко давления типа «алмазные наковальни», то это подразумевает малый размер образца (менее 0.001 мм3) и, следовательно, увеличивает время