химический каталог




Этюды о симметрии

Автор Е.Вигнер

урановыми стержнями в реакторе под действием разрушительных сил интенсивного нейтронного излучения, при делении ядер и т. д.? Еще более серьезным был вопрос: что произойдет с графитовым замедлителем? Графит входит в ответственные детали реактора. В отличие от урана его нельзя время от времени вынимать и заменять, и мы знали, что радиация вызывает в нем повреждения.

1) Статья написана совместно с Ф. Зейтцеад. Опубликована в журнале; Sci. Amer., 195, № 2 (1956),

Группа, занимавшаяся вопросами «здоровья» нашего буду-» щего атомного «дитяти», была настолько не уверена в способности реактора переносить радиацию и другие «болезни», что расценивала его шансы «выжить» довольно пессимистично и в своем докладе сообщала: «Было бы антинаучным оценивать полезную продолжительность жизни реактора свыше 100 дней». В настоящее время этот период превзойден уже более чем в 50 раз и почти все реакторы первого поколения живы и благополучно работают. Что нам было совсем неизвестно в то время — это способность графита (да и металла) восстанавливать свои радиационные повреждения, так сказать «залечивать раны». Тем не менее действие радиации на твердые тела и поныне остается важной задачей, отнимающей много сил и времени. Это главная проблема, которая возникает при создании реакторов. Помимо чисто практического значения, радиационные эффекты стали ценным средством исследования важных свойств твердых тел. Исследование радиационных повреждений проводится в настоящее время не только в национальных лабораториях Комиссии по

атомной энергии США, но и в ряде университетов и промышленных лабораторий. Недавно эта комиссия объявила о подписании восьми контрактов на проведение таких исследований на общую сумму более 250 000 долларов в год. Программа изучения радиационных эффектов непрерывно возрастает как по масштабам, так и по широте охватываемых проблем.

Попробуем рассказать кое-что из того, что мы узнали о радиационных повреждениях в твердых телах. Металлы и неметаллы на действие облучения реагируют по-разному. Рассмотрим сначала радиационные эффекты в неметалле — графите (кристаллическом углероде), обычно применяемом в реакторах в качестве замедлителя (фиг. 1). Нейтроны, высвобождающиеся при делении урана в реакторе, обладают кинетической энергией около 106 эв. Когда быстрый нейтрон сталкивается с ядром атома углерода в замедлителе, он передает значительную долю своей кинетической энергии этому атому, и последний от удара испытывает отдачу. Поскольку энергия отдачи атома углерода во много раз превосходит энергию связи, удерживающую его в кристаллической решетке (последняя меньше 10 эв), атом оказывается выбитым из своего обычного положения. В результате в решетке возникают сразу два дефекта: смещенный атом располагается где-то между узлами решетки (как участник парада, отставший от своей шеренги или опередивший ее), а в одном из узлов образуется вакансия.

То, о чем мы сейчас рассказали, — прямые последствия столкновений между быстрыми нейтронами и атомами в решетке. Сами по себе такие столкновения обусловливают лишь незначительную часть вызванных в графите разрушений. Быстрый нейтрон, прежде чем скорость его замедлится до безопасной величины, успевает столкнуться самое большее с 60 атомами углерода. Именно эти атомы, смещающиеся со своих «насиженных» мест при отдаче, и вызывают основные разрушения в решетке. Они не только обладают скоростью, но и занимают довольно большой объем. Энергия отдачи первого атома углерода, с которым сталкивается нейтрон с энергией около 106 эв, составляет около 150 000 эв. Такой атом действует, подобно сильному, рослому человеку, который внезапно решил выбраться из переполненного вагона метро: он разбрасывает другие атомы направо и налево до тех пор, пока не достигнет конца своего пробега, т. е. пока его энергия не будет исчерпана.

Описываемая нами цепь событий, происходящих в мире атомов, таит в себе одну неожиданность. Она в корне противоречит всему, что можно было бы ожидать, если исходить из аналогии со столкновениями обычных шарикоб: проталкивающийся сквозь толпу других атомов атом углерода в конце своего пути производит больше разрушений, чем в начале! Парадокс раз-

Фиг. 1. Дефекты решетки, образующиеся при столкновении нейтрона с кристаллическим графитом.

Гексагональная структура кристалла схематически изображена на плоскости, а —нейтрон (чёрная точка) при соударении сместил один атом; б, в — дальнейшее развитие процесса, когда и нейтрон и выбитые им атсмы продолжают выбивать новые атомы решетки (траектория нейтрона показана сплошной линией, траектории атомов — пунктир-ньши); Q — конечный результат; решетка с вакансиями-и атомами «внедрений»,

решается просто: мы имеем здесь дело с межатомными силами, а не с привычным столкновением шаров. Когда быстро движущийся атом начинает свой стремительный бег сквозь толпу окружающих его атомов, он сталкивается с каждым из них лишь мимолетно и не успевает передать им значительный импульс, поэтому выбить какой-нибудь атом с занимаемой им в решетке позиции наш атом может лишь случайно. Если же путешествующий атом снижает свою скорость, то межатомные силы получают

Ф и г. 2.

Картина радиационных повреждений решетки урана, помимо дефектов, уже известных нам из рассмотрения решетки графита, усложнена появлением еще одного дополнительного фактора. Иногда ядра урана захватывают нейтрон, что приводит к делению ядер урана. Продукты деления могут вызвать гораздо более сильные повреждения решетки,

чем первичные нейтроны.

все больше и больше времени для действия, и наш атом сдвигает со своих мест все больше и больше атомов решетки. Наконец, когда его скорость падает ниже определенного предела, он передает оставшуюся энергию той группе атомов, которая в этот момент встречается на его пути. В результате крохотный участок решетки внезапно разогревается до высокой температуры (иногда до 10000°С). Это явление, называемое «тепловым пиком» или «пиком смещения», длится всего лишь около 1/100 000 000 сек, но тем не менее может привести к повреждениям или деформации кристалла.

Эффекты, сопровождающие тепловой пик, чрезвычайно сложны и пока еще до конца не поняты. По-видимому, в крохотной «пиковой» области происходит плавление. Данные, свидетельствующие о плавлении, были получены в экспериментах по облучению тщательно приготовленного сплава меди и цинка. Атомы сцлава были расположены в узлах правильной решетки,

9. Действие излучения на твердые тела

135

в которой каждый атом меди окружен восемью атомами цинка и наоборот. Бомбардировка сплава нейтронами производилась при низких температурах (вблизи температуры жидкого гелия) для того, чтобы «заморозить» любые изменения в решетке. Последующие анализы показали, что расположение атомов стало хаотичным, причем большинство нарушений порядка пришлось на области тепловых пиков.

Помимо плавления нагретые области расширяются. Такое раздувание их приводит к деформациям кристалла; некоторые из деформаций, по-видимому, сохраняются и после остывания горячих областей. Таким образом, материал вокруг тепловых пиков оказывается деформированным.

Повреждения, которые наносят облученному кристаллу такие ники, очень трудно отличить от повреждений, вызванных простым смещением атомов. В металлах пики как источник повреждений играют, по-видимому, более важную роль, чем в графите, потому что у более тяжелых элементов атомы отдачи обладают большей энергией, когда образуют пики, и, следовательно, на повреждения кристаллической решетки могут затрачивать большую долю своих энергетических ресурсов. В случае же графита движущиеся атомы углерода успевают израсходовать на смещение встречных атомов почти всю свою энергию, прежде чем их скорость упадет настолько, что станет возможным образование пиков. Наши вычисления показывают, что наиболее «разрушительная» часть пробега атомов отдачи в графите приходится на скорости, соответствующие энергиям 100 000— 10 000 эв.

Итак, ясно, что радиация может приводить к образованию разнообразных дефектов в кристаллической решетке, в силу чего и повреждения в облученном материале могут быть самыми разнообразными.

Описывая разрушения, производимые радиацией в твердых телах, мы обращали основное внимание на графит, но многое -из того, что было сказано, в равной мере относится и к металлическому топливу в реакторе (фиг. 2), Носитель разрушений остается тем же самым — быстро движущиеся частицы. Основное различие состоит в том, что в уране среди бомбардирующих частиц главную роль играют не нейтроны, а продукты деления. Тяжелые осколки ядер урана сталкиваются с атомами кристаллической решетки намного сильнее, чем нейтроны, и передают атомам в среднем в 1000 раз больше энергии,: поэтому и повреждения в уране намного больше, чем в графите. Кроме того, превращение части урана при делении в другие элементы также уменьшает прочность металла. К счастью, металлы обладают вязкостью и могут выдерживать большие нагрузки, в особенности если противостоять нагрузкам требуется не слишком долго.

Рассмотрим теперь способность материалов восстанавливать радиационные повреждения. Обычно смещенные атомы пытаются вернуться в положение, более или менее напоминающее то, которое они занимали в решетке до облучения, и таким образом восстановить свои первоначальные свойства. Процессы восстановления лучше всего изучать при низких температурах. Если поврежденный материал выдерживать при такой температуре, при которой интенсивность движения атомов будет крайне мала, атомы внедрения и вакансии начнут рекомбинировать и повреждения решетки будут «исцеляться». В результате и свойства всего кристалла начнут возвращаться к нормальным. Наглядным примером протекания всех этих процессов может служить восстановление свойств меди после облучения при температуре жидкого гелия. Измерялась электропроводность меди. Если медь — почти идеальный металл — облучать при комнатной температуре, то радиационные повреждения будут восстанавливаться очень быстро. Чтобы «заморозить» все повреждения и предотвратить процессы восстановления непосредственно в момент облучения, медь необходимо держать при температуре, ненамного превышающей абсолютный нуль. При возрастании температуры облученных образцов примерно до 35° К их электропроводность сильно возрастает. Пока мы еще не знаем, с чем связано столь резкое и необратимое изменение электропроводности, свойственное не только меди, но и другим металлам: с рекомбинацией расположенных близко друг к другу вакансий и атомов внедрения или с «рассасыванием» некоторых деформаций, вызванных тепловыми пиками. Это один из важных вопросов, исследуемых в настоящее время в ряде лабораторий.

Интересно отметить, что каждое повышение температуры сопровождается «залечиванием» какого-нибудь «неисцеленного» повреждения. Это указывает на существование широкого спектра различных типов дефектов, из которых одни поддаются исправлению легче, другие — тяжелее. Известно, что даже небольшие следы примесных атомов могут оказывать существенное влияние на скорость восстановления. Некоторые из образовавшихся дефектов оказываются настолько устойчивыми, что для снятия их металлы приходится нагревать до температур, составляющих примерно половину температуры плавления.

В целом чистые металлы лучше, чем все остальные материалы, сопротивляются радиационным повреждениям и легче восстанавливают первоначальные свойства. Может быть, это связано с тем, что атомы в металлах наиболее подвижны. Правда, некоторые особенности в поведении, свойственные металлам, обнаружены при облучении и у таких валентных соединений, как алмаз, кремний и германий, и у простых солей и окислов, например у хлористого натрия и окисла бериллия. С другой

О 0,00/ 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 Доля рйсщепившиагся атомов

Фиг. 3. Изменение свойств сплавов урана и алюминия, вызванное распадом некоторых атомов урана (по данным Биллингтона из Ок-Риджской национальной лаборатории).

а — зависимость теплового сопротивления от доли расщепившихся атомов; б —зависимость электрического сопротивления от доли расщепившихся атомов. Квадраты, кружки и треугольники соответствуют наблюдениям над сплавами, содержащими 5,7, 15 и 17,2 Е-ес. % урана. По оси ординат отложено отношение конечного значения измеряемой величины к начальному. Так, видно, что при распаде 0,002 атомов урана тепловое сопротивление {а) возрастает в 1,2 раза по сравнению с нормальным значением.

стороны, органические материалы, в особенности полимеры, например пластические массы, крайне чувствительны к радиации, действие которой приводит к образованию в них постоянных и не поддающихся восстановлению повреждений. В этих случаях считают, что облучение приводит к разрыву химических связей, которые трудно восстановить в первоначальном виде. Большинство полимеров даже при умеренной продолжительности

0,5

I

2,0

2,5

го

-7

10

Бомбардировка меди {штриховая кривая), серебра (сплошная кривая) и золота (пунктирная кривая) дейтронами увеличивает электрическое сопротивление этих металлов. По оси абсцисс отложено число частиц, проходящих через Ю~15с.«г поперечного сечения пучка, по оси ординат — сопротивление куба с ребром I см, выраженное в единицах

ом. Измерения проводились при температуре 10" К.

облучения утрачивает свою пластичность. Короче говоря, свойства полимеров почти противоположны свойствам металлов.

Какие типы радиационных повреждений существуют и чем они могут быть нам полезны? Как мы уже знаем, на микроскопическом уровне облучение приводит к образованию дефектов решетки. Какие изменения в макроскопических свойствах материала вызывают эти дефекты? Предсказуемые изменения можно разделить на четыре основных типа.

Во-первых, известно, что такие свойства, как электропроводность и теплопроводность, зависят от того, правильна ли решетка и нет ли у нее дефектов. Неудивительно поэтому, что при возрастании интенсивности радиации электро- и теплопроводность материала резко падают (фиг. 3 и 4). Экспериментально было измерено 30-кратное уменьшение. К счастью, теплопроводность замедлителя не так уже сильно влияет на работу реактора, а теплопроводность металлов в существенно меньшей степени подвержена действию радиации, поэтому тем, кто призван обеспечить нормальное функционирование реактора, уменьшение теплопроводности особых хлопот не доставляет. Следует сразу же добавить, что радиационные повреждения вызывают изменения в материале приборов, введенных в реактор, и это следует учитывать при решении проблем, связанных с его приборным оснащением.

Во-вторых, можно говорить о потере пластичности. Дефекты решетки приводят к тому, что плоскости скольжения в кристаллах оказываются блокированными, материал становится жестким и хрупким. Этот тип радиационных повреждений требует особой осторожности при обращении с урановыми тепловыделяющими элементами, и с ним приходится считаться в первую очередь. Изменения пластических свойств материала можно продемонстрировать наглядно. Этот эффект могли наблюдать посетители выставки «Атомная энергия в США», показанной в Женеве. Каждые несколько секунд легкий шарик попеременно бросали то в один, то в другой медный цилиндр. Оба цилиндра внешне выглядели одинаково, но отличались тем, что один из них был подвергнут облучению нейтронами в Ок-Риджском реакторе. Нормальный цилиндр при ударе о него шарика не издавал звука, в то время как облученный «пел», как камертон. Никакая холодная обработка меди не могла бы придать ей такой жесткости, какая была у облученного образца.

Оба названных нами типа эффектов — падение теплопроводности и потеря пластичности — наиболее поразительны, но отнюдь не наиболее опасны. Для нормальной работы реактора большую опасность представляют два других типа радиационных повреждений.

Примером одного из них служит разбухание материала. Смещение атомов из узлов решетки приводит к расширению кристалла. Следовательно, по мере увеличения дозы радиации объем блока из материала также увеличивается. Когда в лабораториях Комиссии по атомной энергии в Айдахо был введен в действие реактор для испытания материалов с новым замедлителем из окиси бериллия, объем замедлителя в первый день увеличился на 1 %. К счастью, расширение замедлителя не росло линейно со временем: через 10 дней объем возрос менее чем на 10% по сравнению с первоначальным. Тем не менее использование в качестве элементов решетки материалов, способных изменять свои размеры после окончания монтажа, может доставить много хлопот.

Другой, не менее неприятный радиационный эффект — энергетическая неустойчивость облученного материала. Атомы внедрения обладают большими запасами энергии* При их отходе назад (в вакансии решетки) эта энергия освобождается. Таким образом, над облученным материалом висит своеобразный энергетический дамоклов меч. Количество энергии, запасенной в атомах внедрения, может доходить до сотен калорий на 1 моль (молекулярный вес вещества, выраженный в граммах). Ясно, что внезапное освобождение этого запаса может приводить к неприятным последствиям. С другой стороны, это явление открывает и новые конструктивные возможности материала: некоторые ученые предлагают использовать облученный графит как своеобразную аккумуляторную батарею.

Мы называем перечисленные выше эффекты «повреждениями» потому, что они изменяют важные свойства материалов, помещенных в реактор для выполнения определенных функций, основанных именно на этих свойствах. Изменение свойств считается вредным не потому, что новые свойства ни при каких обстоятельствах не смогут найти себе полезных применений, а лишь потому, что эти изменения влияют на те функции материала, для выполнения которых он был предназначен. Чтобы свести до минимума влияние нежелательных изменений на работу реактора, было предложено подвергать материалы, используемые в его конструкции, предварительному облучению. Такая «хитрость» позволяет наделять материалы требуемыми свойствами и делать их устойчивыми к дальнейшему облучению.

Можно надеяться, что предварительно облученные материалы будут находить все более и более широкое примение, по мере того как будет расти наше понимание их свойств и возможностей. Графитовые аккумуляторные батареи и сверхтвердая медь — лишь первые строки обширного списка этих неожиданных свойств. То, что известно сегодня о свойствах материалов, подвергшихся действию радиации,— лишь первые, едва заметные царапины на поверхности глубокого знания их свойств.

Нас, авторов этой статьи, радиационные эффекты заинтересовали в связи с созданием первых больших реакторов, и мы считаем особой удачей, что явление, первоначально казавшееся лишь досадной помехой, ныне обещает снабдить нас ценной информацией о свойствах твердого тела в целом и о свойствах многих материалов, используемых в нашей повседневной практике.

III. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

10

ПРОБЛЕМА ИЗМЕРЕНИЯ1)

ВВЕДЕНИЕ

!) Опубликовано в .журнале: Amer, Journ. Phys., 31, 6 (1963).

2) См. также статьи Теллера, Борна, Ландё, Боппа и- Людвига в сбор-

нике [25].

3) См. статью Фока в сборнике [26] (стр. 177 и особенно раздел II).

4) См. также статью Гейзенберга в сборнике [28], статьи Бора [29, 30] и

в особенности книгу Бора [31].

Б) См. также работу Иордана [33].

В течение последних нескольких лет заметно усилился интерес к логическим основам квантовой механики [1—24]2). Стимулом послужили попытки изменить вероятностную интерпретацию квантовой механики. Даже после того, когда выяснилось, что предпринятые попытки оказались менее плодотворными, чем надеялись их адепты3), интерес к логическим основаниям теории сохранился. После более чем 20-летнего забвения мы вновь слышим дискуссии об основных принципах квантовой механики и совместимых с ними теоретико-познавательных (эпистемологических) взглядах. Как это нередко бывает в подобных обстоятельствах, некоторые из ранее высказанных идей оказались забытыми; почти все наследие прошлых лет было открыто заново в современной литературе. Разумеется, кое-что в языке изменилось, но главное уже было сделано: новые идеи брошены, новые попытки предприняты. Обсудив проблему измерения со многими моими друзьями, я понял, что изложить ту стандартную теорию, которая была развита лет двадцать тому назад, было бы весьма полезно. В этом и будет состоять первая задача данной статьи. Стандартная теория измерения берет свое начало в статье Гейзенберга [27]4), в которой впервые было сформулировано соотношение неопределенности. Первым, кто полностью оценил далеко идущие следствия идей Гейзенберга, был, как мне кажется, фон Нейман [32]5), но к аналогичным выводам независимо от него пришли и многие другие физики. Наиболее полно теория измерения, которую я буду называть ортодоксальной, изложена в превосходной книге Лондона и Бауэра^]1).

Ортодоксальная теория измерения весьма специфична по своим эпистемологическим следствиям. Именно поэтому мы считаем особенно желательным тщательнейший анализ ортодоксальных взглядов и поиск лазеек, позволяющих избежать тех выводов, к которым приводит ортодоксальная теория. Большая группа физиков находит, что принять эти выводы трудно, и, хотя автор настоящей статьи придерживается иного мнения, далеко идущий характер эпистемологических выводов из ортодоксальной теории не может не вызывать у него беспокойства. Опасения автора, разделяемые также и многими другими физиками, придерживающимися ортодоксальных взглядов на проблему измерения, основаны на подозрении, что к правильным эпистемологическим выводам нельзя прийти без подробного анализа процесса приобретения знаний. Задачи этой статьи более ограничены: в ней будет проанализирован лишь тот тип информации, который мы, согласно квантовомеханической теории, можем получить и которым располагаем о внешнем неодушевленном мире.

Здесь перед нами встает извечный вопрос: не выходим ли мы, физики, в поисках философской истины за пределы нашей компетенции? Я думаю, что, вероятно, выходим2). Тем не менее отдельные следствия квантовомеханической формулировки законов физики представляют интерес, даже если допустить, что они могут и не приводить к абсолютной истине.

ОРТОДОКСАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЯ

Согласно квантовомеханической теории, возможные состояния любой системы допускают описание с помощью векторов состояния. Эти векторы состояния (я почти дословно цитирую фон Неймана) могут изменяться двумя способами. С течением времени они изменяются непрерывно согласно временному уравнению Шредингера (это уравнение мы будем называть квантовомеханическим уравнением движения). Кроме того, если над системой производить измерения, вектор состояния будет меняться дискретно, по вероятностным законам. Второй способ изменения часто называют редукцией (reduction), или стягиванием, волновой функции. Именно эта редукция вектора состояния и неприемлема для многих наших коллег.

*) См. также работы Шредингера [35, 36].

2) Это мнение особенно хорошо выразил Маргенау в первых двух разделах своей статьи [37].

Допущение о двух способах изменения вектора состояния означает введение своеобразного дуализма. Следует подчеркнуть, что этот дуализм имеет мало общего с часто обсуждаемым дуализмом волна — частица. Последний является лишь частью более общего «плюрализма» или даже «инфинитезилиз-ма», связанного с существованием бесконечно многих некомму-тирующих измеримых величин: измерять можно либо положение частиц, либо их скорость, либо бесконечно много других наблюдаемых. Рассматриваемый нами дуализм — истинный, он обусловлен существованием двух способов изменения вектора состояния. Необходимо также заметить, хотя бы вскользь, что вероятностный аспект квантовой теории почти диаметрально противоположен тому, что заставляет ожидать обычный опыт. Особенно важную роль вероятностные законы должны играть в эволюции системы во времени. Взаимодействие частиц, их столкновения — все это события, которые принято считать подчиняющимися статистическим законам. В интересующем же нас случае все обстоит совершенно иначе: неопределенность в поведении системы не возрастает со временем, если система предоставлена самой себе, т. е, если над ней не производятся измерения. Свойства такой системы, описываемые ее вектором состояния, изменяются причинно независимо от того, в течение какого периода времени она предоставлена самой себе. На

страница 14
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Скачать книгу "Этюды о симметрии" (2.82Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
детский дома нуждающиеся в помощи
купить ноутбук asus игровой
кровать ассоль ас 10
микроавтобус такси

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(23.08.2017)