Файл: Троицкий О.А. Радиация и прочность твердых тел.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 21.07.2024

Просмотров: 81

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

повиться разрушающими снарядами, во сто крат более-

эффективными, чем

возбудившие их

частицы.

 

М о ж н о представить себе

такую картину — на

твер­

дое тело обрушился

ливень

частиц,

который

вызвал

каскад внутренних смещении атомов, сбивших другиеатомы, подобно камнепаду на склонах гор. В результатетвердое тело потеряет устойчивость н прочность. Таким образом, чрезвычайно интенсивное облучение энергич­ ными частицами в принципе может разрушить твердоесостояние вещества так же, как это делает температура, только другим способом — не подтачивая его изнутри' путем раскачивания элементов структуры, а вызывая

лавинообразное

смещение

атомов

за

счет

динамиче­

ской атаки со стороны.

 

 

 

 

Конечно, из

дальнейшего

станет

ясно,

что

не всё так

просто, как только что было представлено, хотя бы по­

тому, что никому до сих пор не удавалось

наблюдать,

чистого радиационного

плавления материала .

Напро ­

тив, с действием радиации обычно связывают

повыше­

ние твердости материалов. Всё

определяется

величиной

и интенсивностью

облучения, т. е. условиями

опыта.

Не будем отстаивать гипотезу камнепада ради част ­

ного, еще не наблюдавшегося факта, и возьмём

за

пра­

вило не множить

без

большой

надобности

числа

гипо­

тез сверх того, что необходимо для объяснения досто­

верно известных

истин.

Правда,

при

этом придётся

себя

заранее обречь

на

роль

толкователя

фактов, примирясь,

с судьбой

экспериментатора.

 

 

 

 

§ 2. Обратимые и необратимые

деформации

 

Под действием

внешних

сил

и.частично под своим

собственным

весом

твердое

тело

может

растягиваться

одновременно в

разных

направлениях, сжиматься,

и з ­

гибаться, скручиваться

и т.

д.

Изменение

размеров и:

формы тела

называют

общим

термином

деформация .

Б ы в а ю т соответственно

деформации

растяжения,

сжа ­

тия, изгиба,-кручения и

т. д.

 

 

 

 

Различают обратимые и необратимые деформации .

Обратимые деформации

возникают, когда

приложенные-

усилия достаточно малы, а внутренние связи в твердом теле достаточно прочны. После снятия нагрузки дефор­ мация исчезает ы твердое тело приходит в исходное с о -

стояние, принимая прежнюю форму. Такое поведение материала под нагрузкой называется упругим. Иными

словами,

упругость

относится

к обратимым

свойствам

твердых тел

(при

малом

времени приложения

нагруз­

ки упругостью обладают т а к ж е

жидкие тела и газы) .

Необратимые

деформации

возникают в Твердом те­

л е при больших приложенных

усилиях

(или

 

напряже ­

ниях, если сила относится к единице площади

о б р а з ц а ) ,

когда, в частности, оказывается превзойденным

предел

упругости

тела — граница,

до

которой'

деформации

ос­

таются ещё

упругими и обратимыми. В

этом

случае

по­

с л е снятия

нагрузки

твердое

тело лишь частично

воз­

вращается в исходное состояние и остаточными явле­

ниями

будет

изменение линейных

размеров

и формы

тела. Причиной такого

рода

необратимости

 

деформа­

ции является пластическое течение материала.

Отметим здесь, что, если вовремя не снять

нагрузку,

то пластическое течение

материала

может

привести к

разрушению

образца — ещё более

необратимому явле­

нию,

чем течение.

 

 

 

 

 

Но

вернёмся к обратимой

деформации,

к

упругим

яли пружинным свойствам твердого тела. Они описы­ ваются известным законом Гука. Согласно этому зако­ ну деформация в твердом теле до тех пор пропорцио­

нальна

вызвавшему её

напряжению, пока

напряжение

не превосходит

предела

упругости данного

тела.

В границах применимости закона Гука твердое тело

можно

д а ж е

использовать как своего рода

аккумуля­

тор механической работы. Действительно, из обратимо­ сти деформации вытекает, что механическая работа, совершенная над телом при напряжениях, не превыша­

ющих предела

текучести, после

снятия напряжений

мо­

ж е т быть возвращена

телом

в

виде

механической

на­

грузки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следует

здесь т а к ж е

отметить, что

поведение твер­

д ы х тел

под

нагрузкой

целиком

отвечает принципу

Ле -

Шателье . Согласно этому принципу

вещество

должно

сопротивляться

изменениям,

вносимым в него

внешней

силой,

путём

противодействия

этим изменениям.

При

лагружении твердого тела внешней силой оно частично

нагревается и это, в соответствии с

принципом Л е - Ш а -

телье, помогает

ему сопротивляться

изменениям формы.

Действительно,

повышение температуры способствует

увеличению объема

тела, чем помогает ему противо­

стоять внешней силе. Аналогичное явление

происходит

при

сжатии

газа. К а ж д ы й

автомобилист знает, что т у ю

накаченный

баллон

имеет

более высокую температуру,

чем

окружающий воздух.

 

 

При растяжении происходит обратное явление. Рас ­

тягиваемый

образец

охлаждается (в обратимой гуков-

ской

области), т. к.

понижение температуры

уменьшает

его линейные размеры и помогает тем самым противо­ стоять внешней силе. Таким образом, деформация твер­ дого тела сопровождается тепловыми эффектами .

Как уже указывалось, движение атомов нельзя счи­ тать независимым. Колебательный характер движения атомов позволяет нарисовать наглядную механическую модель твердого тела, которая в последующем будет по­

лезна для понимания механизма взаимодействия

излу­

чения

с

веществом.

 

 

 

 

 

§ 3. Механическая модель твердого тела

 

 

Вокруг нас много примеров колебательного

движе­

ния. Самый

наглядный — колебание

маятника

вокруг

положения равновесия. Двигаясь взад и вперед,

маят­

ник ежесекундно проходит

фиксированное положение

равновесия, совпадающее с наинизшим положением

его

центра

 

тяжести.

 

 

 

 

Шарик, закрепленный с обеих сторон пружинами,

можно т а к ж е заставить двигаться около положения

рав ­

новесия,

с ж и м а я

и р а з ж и м а я

пружины.

 

 

 

Атом

внутри

твердого тела можно

представить

себе

в виде гармонического осциллятора, состоящего

из

то­

чечной массы, закрепленной на конце невесомой

пру­

жины

(рис.

1).

Если за счет

действия

соседей или

под

влиянием внешних сил атом выходит из положения рав­

новесия, со

стороны

пружины возникает сила,

которая

стремится

вернуть

атом в прежнее положение.

Сила

обращается

в нуль,

в положении равновесия и

затем

меняет знак на обратный при смещении атома по инер­

ции

в

противоположную

сторону. В о з в р а щ а ю щ а я с я

си­

ла

и

продолжительность

колебаний тем больше,

чем

больше от положения равновесия был смещен атом при первом акте возбуждения.

| п г т т г ^ ^ о т і п п г ^ | *.

Р и с . 1. Простейшая модель гармонического осциллятора:

а, в — отклонение от положения равновесия; б, г — положение равновесия.

Приведенная модель привлекательна тем, что в ней зало­ жена прямая пропорциональность между возвращающей си­ лой и смещением атома из положения равновесия. Матема­

тически

это выражается

следующим

образом

F=—кх,

где

F—сила,

действующая

со

стороны пружины;

к—постоянная

пружины

(жесткость)

и х—смещение

атома.

 

 

В действительности атомы в твердом теле имеют ангармоннчные колебания, но указанная модель гармо­ нического осциллятора все ж е полезна и пригодна для первого приближения.

Осциллятор можно заставить колебаться, сообщая ему энергию. Б частности, возбуждение можег быть по­

лучено

от

быстрых

частиц,

бомбардирующих твердое

тело и пронизывающих его насквозь.

Энергия

осциллятора

не

полностью кинетическая.

Только

в моменты,

когда

он

проскакивает положение

равновесия

(рис. 1 б) и г),

его

энергия

является

цели­

ком кинетической. В крайних

ж е

точках

(рис. 1 а)

и в)

он обладает

потенциальной

энергией,

а кинетическая

энергия практически равна нулю. Полная энергия ос­ циллятора меняется мало, но в процессе колебания она преобразуется из одной формы в другую. Это положение очень важмо. В частности, с помощью его можно по-

Смотрите также файлы