2.8. Экспериментальное изучение строения жидких металлов дифракционными методами

Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов является единственным экспериментальным методом изучения структуры металлических расплавов. При облучении поверхности расплава параллельным монохроматическим пучком рентгеновских лучей с длиной волны X происходит рассеяние частиц. Считают, что рассеяние частиц однократное. Каждый атом поверхности расплава рассеивает рентгеновские лучи когерентно и некогерентно. Когерентная составляющая интерферирует, что и позволяет определить расположение атомов относительно друг друга. Интенсивность излучения, рассеянного в направлении s в электронных единицах, выражается формулой

где J — интенсивность излучения; / — структурный множитель, определяемый амплитудой когерентного рассеяния; s и s0 — векторы, равные по величине 2л/Х и совпадающие по направлению с падающим и отраженным лучом соответственно; г,-, гк — радиус- вектор положения атома в декартовой системе координат.

Поскольку жидкий образец изотропен, то величина интенсивности J определяется абсолютной величиной вектора s-s0 и не зависит от ориентировки этого вектора относительно жидкого образца.

Если пренебречь влиянием границ облучаемой поверхности, то можно установить, что имеется FWrcr^pCrjdr пар атомов с расстоянием между ними (г + dr) и при переходе к макроразмерам поверхности расплава вводится функция р(г) радиальной плотности атомов:

где F(r) — функция перехода к макроразмерам, F(r) —> 1 при г—»0; к — угол рассеивания.

Формула, определяющая интенсивность углового рассеяния, приобретает вид

где р0 — средняя атомная плотность.

Интенсивность излучения определяется экспериментально по степени почернения определенных участков фотобумаги под действием потока рентгеновских лучей. Тогда решается обратная задача, где радиальная плотность атомов находится как функция интенсивности рассеяния:

Отсюда следует, что радиальная плотность атомов определяется интенсивностью когерентного рассеяния, фиксируемой степенью почернения участков фотобумаги (фотопленки).

На рис. 2.19 представлены обработанные результаты рентгенограмм для жидкого и твердого золота в виде функциональной зависимости W= р(г)/р0 — относительной радиальной плотности атомов от межатомного расстояния г. Вертикальные линии отвечают радиальной плотности твердого металла со строго фиксированным положением атомов в узлах кристаллической решетки ГЦК.

Сравнительные данные радиальной плотности атомов для твердого и жидкого золота

Рис. 2.19. Сравнительные данные радиальной плотности атомов для твердого и жидкого золота

Другими словами, вертикальные линии соответствуют кристаллическому строению золота. Высоты этих линий равны числу атомов в каждом координационном слое. Волнистая линия представляет радиальную плотность в жидком металле с максимумами и минимумами, соответствующими расположению атомов в твердом металле. Как видно из рис. 2.19, первый максимум р(г) находится на расстоянии г, почти равном расстоянию между атомами в решетке твердого золота, а последующие максимумы и минимумы лишь до некоторой степени соответствуют преимущественным расстояниям до более дальних соседей в решетке, и по мере удаления максимумы и минимумы становятся все более размытыми. Это обстоятельство свидетельствует об исчезновении дальнего порядка атомов в жидком металле, но о сохранении ближнего порядка.

Контрольные вопросы

  • 1. Чем определяется заряд атома элемента?
  • 2. Назовите особенности электронного строения металлов.
  • 3. Чем характеризуется кристаллическая решетка? Назовите типы кристаллических решеток и их особенности.
  • 4. Опишите связь тепловой энергии с теплоемкостью и флуктуацией.
  • 5. Перечислите дефекты кристаллического строения металлов и дайте их определение.
  • 6. Назовите основные типы двойных диаграмм состояния металлических сплавов.
  • 7. Объясните связь фазовых превращений с диаграммой состояния.
  • 8. Назовите особенности диаграмм состояния многокомпонентных сплавов.
  • 9. Что означает дальний и ближний порядок атомов, и для каких состояний металла они характерны?
  • 10. Объясните диаграмму состояния р =f(T).
  • 11. Объясните изменение потенциальной энергии атомов в твердом и жидком металлах.
  • 12. В чем суть моделей ячеек и кластеров жидкого состояния металлов?
  • 13. На чем основаны дифракционные методы изучения строения жидких металлов?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >