Физика

Кинетика и термодинамика быстрых частиц в твёрдых телах — Кашлев Ю. А.

Кинетика и термодинамика быстрых частиц в твёрдых телах
Научное издание

год издания — 2010, кол-во страниц — 326, ISBN — 978-5-02-036963-4, язык — русский, тип обложки — мягк., масса книги — 360 гр., издательство — Наука

цена: 499.00 руб

Р е ц е н з е н т ы:
акад. РАН И. И. Новиков
член-корр. РАН Н. Н. Боголюбов мл.

Утверждено к печати Учёным советом Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Формат 60x90 1/16. Печать офсетная

На основе локального кинетического уравнения Больцмана и аналитических методов теории марковских процессов (локального уравнения Фоккера-Планка) исследовано движение быстрых частиц в твёрдых телах с учётом их взаимодействия с валентными электронами и тепловыми колебаниями решётки. Построены основные кинетические функции, а именно функция энергетических потерь, обусловленных динамическим трением, и диффузионная функция. Показано, что особенности этих функций связаны с различием вкладов в кинетику от быстрых частиц, движущихся в трёх разных режимах: каналирования, квазиканалирования и хаотического движения. С использованием методов неравновесной статистической термодинамики исследованы квазиравновесные и кинетические характеристики каналированных частиц, атомов позитрония, движущихся в кристаллах, и каскадных частиц, которые рассматриваются как отдельные термодинамические подсистемы. Для каналированных частиц, в частности, получены основной термодинамический параметр (поперечная квазитемпература) и коэффициент скорости деканалирования, которые выражены через фундаментальные параметры микроскопической теории.

Для научных работников и специалистов, интересующихся проблемами быстрых частиц.

В настоящей монографии исследуется кинетика и неравновесная статистическая термодинамика быстрых заряженных частиц, движущихся в кристаллах в разных режимах. Это направление исследований во многом отличается от традиционного пути построения теории радиационных эффектов, в которой даётся чисто механистическая трактовка движения частиц. Действительно, механистическая теория ограничивается учётом различных механизмов столкновений, тогда как теория, представленная в монографии, помимо столкновений учитывает термодинамические силы, обусловленные отрывом термодинамических параметров подсистемы частиц («горячих» атомов) от параметров термостата (электронов и решётки).

Описание быстрых заряженных частиц дано на основе метода статистических ансамблей Гиббса для неравновесных систем. Этот подход не имеет аналога в научной литературе. Получены обобщённые уравнения переноса и нелинейные уравнения релаксационной кинетики, применяемые в широком интервале термодинамических условий. Обобщённые уравнения являются отправной точкой для последующего исследования неравновесных процессов в кристаллах при наличии излучения. Вот некоторые конкретные задачи:

— Построение локального кинетического уравнения типа Больцмана для быстрых частиц, взаимодействующих с электронами проводимости и тепловыми колебаниями решётки, на основе принципов кинетической теории Боголюбова. На базе локального уравнения вычислены кинетические коэффициенты подсистемы каналированных частиц, а также рассмотрены возможные режимы движения быстрых частиц в кристаллах: каналирование, квазиканалирование и хаотическое движение.

— Вычисление равновесных энергетических и угловых распределений быстрых частиц на глубине порядка длины когерентности, изучение эволюции распределения частиц с ростом глубины проникновения пучка.

— Вычисление поперечной квазитемпературы каналированных частиц с учётом разогрева пучка в процессе диффузии частиц в пространстве поперечных энергий, а также охлаждения его за счёт диссипативного процесса. Измерение поперечной квазитемпературы по высоте максимума углового распределения, полученного в условиях эксперимента «на прострел».

— Исследование в рамках неравновесной термодинамики релаксационной кинетики хаотических частиц, в том числе термодинамики атомов позитрония, движущихся в диэлектриках в условиях лазерного облучения. Изучение квазитемпературы атомов позитрония.

— Анализ кинетики горячих носителей заряда в полупроводниках и термализации горячих носителей, а также вычисление статистического распределения выбитых атомов, образовавшихся в процессе каскада смещений. Исследование термализации каскадных частиц в металлах и термодинамической устойчивости подсистемы выбитых атомов.

В книге представлены результаты последних лет работы автора с минимальным привлечением сведений, имеющихся в других монографических изданиях. В ней сформулировано новое направление теории радиационных эффектов в твёрдых телах — неравновесная статистическая термодинамика быстрых частиц. Автор стремился сконцентрировать внимание читателей на указанном направлении и по возможности обозначить тенденцию его развития.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предисловие	5

Глава 1. Исходные теоретические и модельные представления	7

1.1. Две теоретические дисциплины: неравновесная статистическая
механика и неравновесная статистическая термодинамика	7
1.2. Сокращённое описание неравновесной системы. Стадии процессов	14
1.3. Эффект каналирования заряженных частиц	19
1.3.1. Краткий обзор	19
1.3.2. Некоторые положения классической теории каналирования	23

Глава 2. Каналирование заряженных высокоэнергетических частиц как стохастический процесс	27

2.1. Марковский процесс с нормальным (гауссовским) распределением	27
2.2. Кинетические коэффициенты каналированных частиц в условиях
электронного рассеяния (нелокальная теория)	29
2.2.1. Уравнение Фоккера-Планка с учётом флуктуации.
Диффузионная функция и коэффициент трения	29
2.2.2. Стохастическая теория на термодинамическом уровне
описания	33
2.3. Кинетические функции каналированных частиц при наличии
рассеяния на тепловых колебаниях решётки (локальная теория)	38
2.3.1. Локальная матрица случайных воздействий	38
2.3.2. Диагональный элемент локальной матрицы. Коррелированность
случайных воздействий	40
2.3.3. Система стохастических уравнений и уравнение
Фоккера-Планка. Кинетические функции в локальной теории	44
2.4. Деканалирование	47
2.4.1. Среднее время жизни динамической системы в условиях
случайных воздействий	47
2.4.2. Собственные значения кинетического уравнения
Фоккера-Планка и основные функции теории деканалирования	50
2.5. Три режима движения быстрых частиц	54
2.5.1. Угловое распределение обратно рассеянных частиц, падающих
на тонкие кристаллы в направлении цепочек или плоскостей.
Упругие столкновения с атомами «замороженной» цепочки	54
2.5.2. Распределение по энергиям обратно рассеянных частиц.
Упругое электронное рассеяние	59
2.5.3. Особенности функции энергетических потерь в локальной
теории	61

Глава 3. Локальное кинетическое уравнение Больцмана в приложении к задачам плоскостного и осевого каналирования	64

3.1. Функция распределения для комплекса из одной быстрой частицы
и r атомов кристалла	64
3.2. Цепочка уравнений ББГКИ в теории каналирования	68
3.3. Локальное линеаризованное уравнение Больцмана	71
3.3.1. Плоскостное каналирование	71
3.3.2. Осевое каналирование. Предельный случай пространственно
однородной среды	75
3.4. Уравнение локального баланса числа частиц в задаче
каналирования	78
3.5. Диагональный элемент матрицы воздействия в случае электронного
рассеяния	83
3.6. Особенности кинетических функций как следствие локальности
теории	88
3.7. Переход к кинетическому уравнению Больцмана в теории
разреженных газов	92

Глава 4. Два класса необратимых процессов в статистической теории каналирования	97

4.1. Фазовое перемешивание и диссипативные процессы.
Вклады S и V типа	97
4.2. Фазовое перемешивание на малых глубинах проникновения
(S-вклады)	102
4.2.1. Фазовые сдвиги траекторий. Роль ангармонизма колебаний
частиц в процессе приближения к квазиравновесию	102
4.2.2. Эволюция с глубиной распределения каналированных частиц
по поперечным координатам	104
4.2.3. Локальная и нелокальная теории плотности состояний
быстрых частиц	110
4.3. Линейная теория реакции	116
4.3.1. Реакция системы на механическое возмущение	116
4.3.2. Диссипативный процесс (V-вклады) при низких скоростях
каналированных частиц	118

Глава 5. Неравновесная статистическая термодинамика в приложении к задаче каналирования	123

5.1. Общий вид статистического оператора для неравновесных систем	123
5.2. Неравновесный статистический оператор в квантовой теории
каналирования	126
5.2.1. Модельные представления. Термодинамические параметры	126
5.2.2. Инвариантная часть квазиравновесного статистического
оператора. Поток числа частиц	131
5.3. Определения квантовой теории деканалирования	135
5.3.1. Выражение константы скорости через спектральные
интенсивности	135
5.3.2. Полный гамильтониан системы, включающей электроны и
быстрые частицы	138
5.4. Конечно-разностное уравнение Фоккера-Планка-Колмогорова	143
5.5. Статистический коэффициент скорости деканалирования	146
5.5.1. Кинетический коэффициент в квантовой теории	146
5.5.2. Квазиклассическое приближение	149
5.6. Скорость выхода частиц из режима каналирования с учётом
пространственного разделения направленного пучка	156
5.6.1. Резонансный переход частиц в квазиканалированную фракцию.
Частота релаксации	156
5.6.2. Деканалирование за счёт резонансных переходов	160

Глава 6. Неравновесная статистическая термодинамика направленных пучков частиц. Концепция поперечной квазитемпературы	165

6.1. Формулировка теории, основанная на разложении неравновесного
статистического оператора	165
6.2. Уравнение баланса энергии-импульса в сопровождающей системе
координат	168
6.3. Линеаризация уравнения баланса. Вклад диссипации энергии
(V-члены)	170
6.4. Решение уравнения баланса. Поперечная квазитемпература
каналированных частиц (плоскостной канал)	174
6.5. Зависимость равновесных распределений от поперечной
квазитемпературы (осевой канал)	181
6.5.1. Угловое распределение каналированных частиц после
прохождения через тонкий кристалл	181
6.5.2. Распределение частиц по углам выхода в условиях обратного
рассеяния	186
6.5.3. Определение поперечной квазитемпературы на основе
экспериментальных данных	190
6.6. Квазитемпература сильно неравновесных систем	191
6.6.1. Зависимость от квазитемпературы коэффициента скорости
деканалирования и диссоциация молекул в плазме	191
6.6.2. Квазитемпература как модуль квазиравновесного
распределения	193
6.7. Сравнительный анализ: каналированные частицы и спиновый газ	195
6.7.1. Спиновая температура в сильном магнитном поле	195
6.7.2. Статистические характеристики каналированных частиц и
спинового газа	203

Глава 7. Неравновесная термодинамика хаотических частиц	207

7.1. Релаксационная кинетика и квазитемпература атомов позитрония	207
7.1.1. Модель Оре. Уравнение баланса энергии	207
7.1.2. Фононное и электронное рассеяние на атомах позитрония	213
7.1.3. Собственное значение матрицы релаксации и
квазитемпература позитрония	217
7.1.4. Термализация атомов позитрония	222
7.2. Термодинамика горячих носителей заряда в полупроводниках	228
7.2.1. Разделение подсистем на фракции, термодинамические
параметры фракций	228
7.2.2. Кинетические уравнения для квазитемпературы носителей и
квазитемпературы оптических фононов	231
7.2.3. Эволюция квазитемпературы носителей в процессе
термализации	234
7.3. Каскад смещений и термодинамика выбитых атомов	239
7.3.1. Каскадная функция. Геометрические параметры каскада	239
7.3.2. Переход на уровень термодинамического описания	245
7.3.3. Уравнение баланса энергии выбитых атомов	249
7.3.4. Квазитемпература подсистемы выбитых атомов.
Термодинамическая устойчивость состояний	251
7.3.5. Обсуждение концепции квазитемпературы выбитых атомов	258
7.3.6. Кинетика термического распыления	260

Глава 8. Статистическая термодинамика лёгких атомов, движущихся с тепловыми скоростями	264

8.1. Коэффициент (константа) скорости истечения частиц из
потенциального минимума. Надбарьерные скачки атомов водорода в
ГЦК-металлах	264
8.2. Туннельные переходы атомов водорода, обусловленные распадом
локальной деформации в ОЦК-решётке	271
8.3. Термически активированные туннельные переходы в ОЦК-металлах	277
8.4. Заключительные замечания, касающиеся миграции атомов водорода	284
8.4.1. Температурный излом энергии активации вблизи температуры
Дебая θ_D	284
8.4.2. Классический и аномальный изотопические эффекты	286
8.4.3. Отход от концепции скачкообразной проводимости поляронов
малого радиуса	288

Заключение	290

Литература	305

Книги на ту же тему

Введение в теорию многократного рассеяния частиц, Нелипа Н. Ф., 1960
Модифицирование полупроводников пучками протонов, Козловский В. В., 2003
Электрическая проводимость жидких диэлектриков, Адамчевский И., 1972
Фотографический метод в ядерной физике, Богомолов К. С., ред., 1952
Диэлектрики и радиация: Кн. 7: Влияние трансмутантов на свойства керамических диэлектриков, Костюков Н. С., Астапова Е. С., Еремин И. Е., Демчук В. А., Щербакова Е. В., 2007
Диэлектрики и радиация: Кн. 1: Радиационная электропроводность, Костюков Н. С., Муминов М. И., Атраш С. М., Мухамеджанов М. А., Васильев Н. В., 2001
Диэлектрические материалы: Радиационные процессы и радиационная стойкость, Шварц К. К., Экманис Ю. А., 1989
Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твёрдого тела, Экштайн В., 1995
Радиобиологические эффекты корпускулярных излучений: радиационная безопасность космических полётов, Федоренко Б. С., 2006
Излучение каналированных частиц в кристаллах, Кумахов М. А., 1986
Квантовая теория явлений электронного переноса в кристаллических полупроводниках, Зырянов П. С., Клингер М. И., 1976
Итоги науки и техники: Физика плазмы. Том 3, Шафранов В. Д., ред., 1982
Квантовые сильнокоррелированные системы: современные численные методы: Учебное пособие, Кашурников В. А., Красавин А. В., 2007
Вычислительные методы в квантовой физике: Учебное пособие, Кашурников В. А., Красавин А. В., 2005
Теория ангармонических эффектов в кристаллах, Лейбфрид Г., Людвиг В., 1963
Поляроны, Фирсов Ю. А., ред., 1975
Распад электронных возбуждений с образованием дефектов в твёрдых телах, Лущик Ч. Б., Лущик А. Ч., 1989
Физика фононов, Рейсленд Д., 1975
Калибровочная теория дислокаций и дисклинаций, Кадич А., Эделен Д., 1987
Электроны и фононы в ограниченных полупроводниках, Басс Ф. Г., Бочков В. С, Гуревич Ю. Г., 1984
Лекции по физике твёрдого тела: Принципы строения, реальная структура, фазовые превращения, Жданов Г. С., Хунджуа А. Г., 1988
Квантовая теория твёрдых тел, Пайерлс Р., 1956
Электроны и фононы в металлах: Учебное пособие. — 2-е изд., перераб. и доп., Брандт Н. Б., Чудинов С. М., 1990
Термодинамика, Кубо Р., 1970
Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур, Пригожин И., Кондепуди Д., 2002
Термодинамика фазовых переходов в сегнетоактивных твёрдых растворах, Ролов Б. Н., Юркевич В. Э., 1978
Термодинамика необратимых процессов, 1962
Методы физико-химической кинетики, Туницкий Н. Н., Каминский В. А., Тимашев С. Ф., 1972
Теория многих частиц, Власов А. А., 1950
Неравновесные явления: Уравнение Больцмана, Ланфорд III О. Э., Гринберг У., Полевчак Я., Цвайфель П. Ф., Эрнст М. X., Черчиньяни К., Кэфлиш Р. Э., Шпон Г., 1986
Неравновесная термодинамика и физическая кинетика, Базаров И. П., Геворкян Э. В., Николаев П. Н., 1989
Уравнение Аррениуса и неравновесная кинетика, Штиллер В., 2000
Статистическая теория неравновесных процессов в плазме, Климонтович Ю. Л., 1964
Фазовые переходы на границах зёрен, Страумал Б. Б., 2003
Статистическая теория фазовых превращений, Гейликман Б. Т., 1954
Спиновые флуктуации в магнетиках с коллективизированными электронами, Мория Т., 1988
Марковские процессы и потенциалы, Хант А. Д., 1962

http://knigoprovod.ru

/Наука и Техника/Физика

ОГЛАВЛЕНИЕ

Книги на ту же тему