Идеальная жидкость

Вид материала

Документы

Содержание Изомеры оптические Б. К. Вайнштейн. Изотермический процесс Изотопическая инвариант­ность Y была названа гиперзаря­дом и до открытия в 70-х гг. новых адронов считалась равной: Y=B+S Изотопический мультиплет Изотопический эффект Изотопная хронология ИЗОТОПНЫЕ ИНДИКАТОРЫ (мече­ные атомы) Изотопов разделение Газовая диффузия через пористые перегородки. Рис. 1. Схема устройства для разделения изотопов методом газовой диффузии. Диффузия в потоке пара (масс-диф­фузия). Рис. 2. Схема устройства для разделения изотопов методом противопоточной масс-диффузий. Рис. 3. Схема термодиф­фузионной разделит. ко­лонки. Изотопный обмен.

Подобный материал:

• Профессор Валерий Кирилович Кедринский Динамика одиночной полости в жидкости (математические, 40.82kb.
• Исследование адсорбции пав на границах раздела жидкость-газ и жидкость-твердое тело, 40.56kb.
• Идеальная пара для стимуляции и синхронизации охоты у коров, 170.7kb.
• Мама, папа, я – идеальная семья, 31.08kb.
• Список принятых докладов, 185.98kb.
• Идеальная модель экономического устройства общества предполагает использование механизма, 26.68kb.
• Назначение фильтров и их место в измерительной системе, 159.98kb.
• Краткий справочник по проектированию и бурению скважин на воду, 2392.28kb.
• Алексушин И. Н, 128.72kb.
• В. В. Радаев Рынок как идеальная модель и форма хозяйства, 285.76kb.

ИЗОМЕРЫ ОПТИЧЕСКИЕ, см. Оптически активные вещества.

ИЗОМОРФИЗМ (от греч. isos — рав­ный, одинаковый и morphe — форма, вид), полное подобие атомно-крист. строения и внеш. огранки кристаллов у в-в с одинаковой (по соотношению компонент) хим. ф-лой и одинаковым типом хим. связи. Открыт в 1819 нем. химиком Э. Мичерлихом на примере кристаллов КН₂РO₄, KH₂AsO₄ и NH₄H₂PO₄. И. наз. также связанное с существованием изоморфных кри­сталлов св-во разл. атомов, ионов и их сочетаний замещать друг друга в крист. решётке с образованием кри­сталлов перем. состава (твёрдых растворов замещения). Пример совершенного И.— кристаллы квасцов КАl(SO₄)•12Н₂O, в к-рых одновалентные ионы К могут в любом кол-ве замещаться однова­лентными ионами Rb, NH₄ и др., имею­щими прибл. одинаковый с ионами К кристаллохим. радиус, а трёхвалент­ные ионы Аl — трёхвалентными иона­ми Fe, Cr и др. с радиусами, близ­кими к радиусу Аl. Различие в кри­сталлохим. радиусах атомов в изо­морфных кристаллах не превышает 10—15%.

Кроме совершенного (полного) И. с образованием тв. р-ров при любых соотношениях компонент, возможен ограниченный (по возмож­ным концентрациям) И.; примером такого рода могут служить соединения BaSO₄ и КМnО₄. Различают изовалентный И., когда замещающие друг друга атомы или группировки имеют одинаковую валентность (напр., Na⁺ , К⁺ , NH₄⁺), и гетеровалентный, когда валентность их различна (напр., Са²⁺ и Y³⁺ ). В последнем случае важна близость размеров замещаю­щих друг друга атомов, а разли­чие зарядов компенсируется вакан­сиями.

И. наблюдается у мн. минералов и кристаллов, используется при синте­зе кристаллов, когда введением ма­лых добавок существенно меняют или создают новые св-ва. Так, введение малых изоморфных добавок, напр. Сг³⁺ в корунд Al₂O₃, Nd³⁺ в гранат Y₃Al₅O₁₂, превращает их в активную среду для квант. генераторов; введе­ние изоморфных примесей в ПП кри­сталлы изменяет тип проводимости.

211


Изоморфные примеси используют, напр., для изменения окраски юве­лирных кристаллов.

• См. лит. при ст. Кристаллохимия.

Б. К. Вайнштейн.

ИЗОСПИН, то же, что изотопический спин.

ИЗОТЕРМА (от греч. isos — равный, одинаковый и therme — тепло), линия на термодинамич. диаграмме состоя­ния, изображающая изотермический процесс. Ур-ние И. идеального газа: pV=const, где р — давление, V — объём газа. Т. о., в координатах р, V И. представляет собой гиперболу. Для реального газа ур-ние И. имеет более сложный хар-р и переходит в ур-ние И. идеального газа только при малых давлениях или высоких темп-pax. В координатах р, V у И. ход всегда менее крут, чем у адиабаты. См. Ван-дер-Ваальса уравнение.

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, процесс, происходящий в физ. системе при пост. темп-ре; на термодинамич. диаграммах состояния изображается изотермой. Для осуществления И. п. систему обычно помещают в термо­стат, теплопроводность к-рого ве­лика, так что темп-pa системы прак­тически не отличается от темп-ры термостата. Можно осуществить И. п. иначе: с применением источников или стоков теплоты, контролируя посто­янство темп-ры с помощью термомет­ров. К И. п. относятся, напр., кипе­ние жидкости или плавление тв. тела при пост. давлении. В идеальном газе при И. п. произведение давления на объём постоянно (см. Бойля — Мариотта закон). При И. п. системе, во­обще говоря, сообщается определ. кол-во теплоты (или она отдаёт теп­лоту) и совершается внеш. работа. Для идеального газа эта работа равна NkTln(V₂/V₁), где N — число ч-ц газа, Т — абс. темп-pa, V₁ и V₂— объём газа в начале и конце процесса. В тв. теле и большинстве жидкостей И. п. очень мало изменяет объём тела, если только не происходит фазовый переход.

ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТ­НОСТЬ, особая симметрия, присущая сильному взаимодействию элем. ч-ц. Существующие в природе ч-цы, обла­дающие сильным вз-ствием (адроны), можно разбить на группы «похожих» ч-ц, в каждую из к-рых входят ч-цы с примерно равными массами и оди­наковыми внутр. хар-ками (спином, внутр. чётностью, барионным заря­дом В, странностью S, «очарованием» С, «красотой» B, за исключением электрич. заряда). Такие группы наз. изотопическими мульти­плетами. Сильное вз-ствие для всех ч-ц, входящих в один изотопич. мультиплет, одинаково, т. е. не зависит от электрич. заряда; в этом и состоит одно из проявлений симметрии силь­ного вз-ствия, наз. И. и.

Простейший пример ч-ц, к-рые мо­гут быть объединены в один изото­пич. мультиплет: протон (р) и ней­трон (n). Опыт показывает, что силь­ное вз-ствие протона с протоном, ней­трона с нейтроном и протона с ней­троном одинаково (если они находятся соответственно в одинаковых состоя­ниях); это послужило исходным пунк­том для установления И. и. Протон и нейтрон рассматриваются как два разных зарядовых состояния одной ч-цы — нуклона; они образуют изо­топич. дублет. Другие примеры изо­топич. мультиплетов: пи-мезоны (⁺, °, ^-)и -гипероны (⁺ ,°, ^-), образующие изотопич. триплеты, К-мезоны (К⁺, К°) и анти-К-мезоны (К^-, К°), образующие два изотопич. дублета.

Электрич. заряд Q ч-цы, входящей в изотопич. мультиплет, выражается ф-лой Гелл-Мана — Нишиджимы:

Q = I₃+¹/₂Y;

величина Y была названа гиперзаря­дом и до открытия в 70-х гг. новых адронов считалась равной: Y=B+S (обобщение ф-лы для Y см. в ст. Элементарные частицы). В этой ф-ле величина I₃ пробегает с интервалом в единицу все значения от нек-рого максимального значения 7 (целого или полуцелого) до минимального, равного -I. Общее число значений, к-рые может принимать I₃ (и Q) для данного изотопич. мультиплета, а следовательно, и число ч-ц в изо­топич. мультиплете, равно 2 7+1. Ве­личина I, определяющая это число, наз. изотопическим спи­ном, а I₃— третьей «проекцией» (или просто проекцией) изотопич. спина (названия связаны с формальной матем. аналогией с обычным спином ч-ц J и его проекцией J_z). Т. к. нук­лоны существуют в двух зарядовых состояниях, то для них (и для всех др. ч-ц, входящих в изотопич. дубле­ты) 2I+1=2, т. е. I=¹/₂, а I₃, может принимать два значения: +¹/₂ для протона (что соответствует Q=+1) и -¹/₂ для нейтрона (Q=0). Изото­пич. триплету пионов соответствует I=1, а I₃ равно +1 для ⁺ , 0 для ° и -1 для ^-. Ч-цы с I=0 не имеют изотопич. «партнёров» и явл. изотоппч. синглетами; к таким ч-цам относятся, напр., гипероны ° и ^-. Переход от одной ч-цы к другой из того же изотопич. мультиплета, не меняя величины изотопич. спина, ме­няет его проекцию; поэтому такой пе­реход формально можно представить как поворот в условном «изотопиче­ском („зарядовом") пр-ве». Тот факт, что сильное вз-ствие ч-ц, входящих в определ. изотопич. мультиплет, оди­наково: не зависит от Q, т. е. от «про­екции» изотопич. спина I₃, можно ин­терпретировать как независимость (ин­вариантность) сильного вз-ствия от вращений в «изотопич. пр-ве» [или как существование группы симметрии

SU (2)]. Это утверждение явл. наиб. общей формулировкой И. и., и из него следует закон сохранения изо­топич. спина в сильном вз-ствии (аналогично тому, как из независимо­сти законов механики относительно вращений в обычном пр-ве следует закон сохранения момента кол-ва дви­жения). На основе И. и. удаётся предсказать существование, массу и заряды новых ч-ц, если известны их изотопические «партнёры». Так бы­ло предсказано существование °, °, ° по известным ⁺, ^-; ⁺ ^-;^-.

И. и. имеет место и для составных систем адронов, в частности для ат. ядер. Изотопич. спин сложной сис­темы складывается из пзотопич. спннов входящих в систему ч-ц, при этом сложение производится по тем же правилам, что и для обычного спина. Так, система из двух ч-ц с изотоппч. спинами ¹/₂ (напр., нуклон) и 1 (напр., -мезон) может иметь изото­пич. спин I=1+¹/₂=³/₂ или I=1-¹/₂=¹/₂. В ядрах И. и. проявля­ется в существовании уровней энер­гии с одинаковыми квант. числами для разл. изобар. Примером служат ядра ¹⁴₆С, ¹⁴₇N, ¹⁴₈O: осн. состояния ядер ¹⁴С, ¹⁴O и первое возбуждённое состояние ¹⁴N образуют изотопич. триплет (7=1; рис.). Все квант. числа



J=1, I=0

этих уровней одинаковы, а различие в их энергиях можно объяснить раз­ницей электростатич. энергий из-за различия в электрич. зарядах ядер. (Осн. уровень ¹⁴N имеет изотопич. спин 7=0, поэтому у него нет ана­логов в ядрах ¹⁴С и ¹⁴О.)

Из И. и. следует закон сохранения полного изотопич. спина I в процессах, обусловленных сильным вз-ствием. Этот закон приводит к определ. соот­ношениям между вероятностями про­цессов для ч-ц, входящих в один изо­топич. мультиплет, а также к запрету нек-рых реакций в процессах сильно­го вз-ствия. Комбинация И. и. и зарядового сопряжения приводит к со­храняющейся в сильном вз-ствии ве­личине (для ч-ц с B=S=C=b=0)— G-чётностн.

И. и. заведомо нарушается эл.-магн. вз-ствием, зависящим от электрич. зарядов ч-ц (т. е. от I₃), «сила» к-рых по порядку величины составляет прибл. 1% от сильного вз-ствия. Другой источник нарушения И. и.— различие в массах u- и d-кварков, входящих в состав адронов. Указан­ные причины приводят к небольшому

212


различию в массах ч-ц одного изотопич. мультиплета.

И. и. представляет собой часть бо­лее широкой приближённой симметрии сильного вз-ствия — унитарной сим­метрии SU (3). См. Элементарные частицы.

С. С. Герштейн.

ИЗОТОПИЧЕСКИЙ МУЛЬТИПЛЕТ,

см. в ст. Изотопическая инвариант­ность.

ИЗОТОПИЧЕСКИЙ СПИН (изоспин, I), одна из внутр. хар-к (квант. чи­сел) адронов, определяющая число за­рядовых состояний адрона (или число ч-ц n в изотопич. мультиплете): n=2I+1. См. Изотопическая инвари­антность.

ИЗОТОПИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ, зави­симость критич. темп-ры Т_к сверхпроводящего металла от его изотоп­ного состава; Т_к возрастает при умень­шении ср. ат. массы М в-ва. Для ряда металлов при этом выполняется соот­ношение Т_к •M^1/2=const. Впервые И. э. наблюдался в 1950; было уста­новлено, что у изотопа ¹⁹⁸Hg T_к=-4,156 К, а у чистой ртути, имеющей естеств. изотопный состав со ср. ат. массой 200,6, T_к=4,177 К. Иссле­дования показали также, что одно­временно с Т_к изменяется критиче­ское магнитное поле H_к,0 (при Т0 К), по отношение Н_к,0/Т_к для разных изотопов данного сверхпроводящего металла остаётся постоянным. И. э. свидетельствует, что сверхпроводи­мость связана с массой образующих решётку ч-ц и обусловлена вз-ствием эл-нов с фононами (колебаниями ре­шётки).

ИЗОТОПНАЯ ХРОНОЛОГИЯ, опре­деление абс. возраста горных пород, минералов, следов древних человече­ских культур и в целом Земли по на­коплению в них продуктов распада радионуклидов (см. Радиоактивность). Идея И. х. принадлежит франц. физи­ку П. Кюри и англ. физику Э. Резер­форду. При И. х. учитывают, что радио-акт. распад каждого радионуклида происходит с пост. скоростью и при­водит к накоплению конечных ста­бильных нуклидов, содержание к-рых D связано с возрастом t исследуемого объекта соотношением: D = P(e^t-1), где Р — число атомов радионуклида, К — постоянная распада. Отсюда воз­раст t равен

t =¹/_lln(1+D/P).

В И. х. наиб. распространены свин­цовый, аргоновый, стронциевый и углеродный методы. В первом исполь­зуется накопление радиогенного свин­ца в результате распадов ²³⁸U²⁰⁶Pb;

²³⁵U²⁰⁷Pb и ²³²Th²⁰⁸Pb (см. радиоактивные ряды). Аргоновый ме­тод основан на радиогенном накопле­нии Ar в калиевых минералах (⁴⁰К^ЭЗ  ⁴⁰Ar, где эз — электронный захват). Стронциевый метод основан на бета-

распаде ⁸⁷Rb^- ⁸⁷Sr. Для оценки воз­раста объектов меньше чем 60 000 лет

используется радиоуглеродныи метод. В земной атмосфере под действием нейтронов косм. лучей идёт яд. ре­акция: ¹⁴N(n,p) ^l4C. В результате воздух, растения и животные содер­жат радионуклид ¹⁴С (T_1/2=5700 лет) в определённой и постоянной (в ра­счёте на 1 моль атомов С) концентра­ции. В мёртвых организмах обмен с атмосферой прекращается, и содер­жание ¹⁴С постепенно падает. По концентрации ¹⁴С можно установить возраст органич. остатков.

ИЗОТОПНЫЕ ИНДИКАТОРЫ (мече­ные атомы), вещества, имеющие отлич­ный от природного изотопный состав, используемые в кач-ве «метки» при исследовании разл. процессов (в т. ч. в живом организме). Метод И. и. был предложен венг. радиохимиком Д. Хевеши и нем. химиком Ф. Панетом (1913). В кач-ве изотопной «метки» чаще используются радиоакт. изотопы, к-рые могут быть легко об­наружены и измерены количественно. Реже используются стабильные изо­топы, техника обнаружения к-рых сложна (см. Mace-спектроскопия). В кач-ве радиоакт. «меток» применяют нуклиды: ³Н, ¹⁴С, ³²Р, ³⁵S, ⁴⁵Ca, ⁵⁹Fe, ⁶⁰Со, ⁸⁹Sr,⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb, ^110mAg, ¹³¹I и др. Выбор радионуклида определяется гл. обр. периодом его полураспада, ти­пом и энергией излучения. Для обна­ружения излучения используют обыч­но газоразрядные счётчики, сцинтилляционные счётчики, ядерные фото­графические эмульсии (см. Авторадио­графия) и др. детекторы ч-ц. С по­мощью И. и. изучают распределение в-в в системе и пути их перемещения. В этих случаях И. и. вводят в систему и через определ. промежутки времени устанавливают их наличие в разл. частях системы. Для количеств. ана­лиза пользуются, напр., методом изотопного разбавления, при к-ром к анализируемой пробе добав­ляют порцию меченого в-ва и по сте­пени его разбавления судят о содержа­нии анализируемого в-ва в пробе. Введение И. и. в определ. место моле­кулы делает различимыми атомы од­ного элемента и позволяет выяснить механизм хим. реакций и структуру молекул. Метод И. и. широко исполь­зуется в физике, химии, биологии (процессы синтеза и распада хим. сое­динений в живой клетке, обмена в-в и др.), в технике, медицине (изотоп­ная диагностика) и др.

• В а н г Ч., У и л л и с Д., Радиоиндика­торный метод в биологии, пер. с англ., М., 1969; Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода, 2 изд., М., 1975; Радиоактив­ные индикаторы в химии, М., 1977.

ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ, выделе­ние отд. изотопов из естественной их смеси или обогащение смеси отд. изо­топами. Первые попытки И. р. про­изводились гл. обр. для обнаружения изотопов у стабильных элементов, для точного измерения массы их атомов и относит. содержания (см. Масс-спектроскопия). В 30-х гг. фундам. ис­следования в области яд. физики потребовали получения изотопов, что тогда даже в кол-вах порядка неск. мг являлось сложной задачей. Выде­лялись лишь небольшие кол-ва обо­гащённых смесей изотопов лёгких эле­ментов. Только дейтерий начал про­изводиться в пром. масштабах. Даль­нейшее развитие техники И. р. было обусловлено появлением ядерных реак­торов, для к-рых требовался U, обо­гащённый ²³⁵U (см. Ядерное топливо). Существует множество методов И. р. Все они основаны на различиях в св-вах изотопов и их соединений, свя­занных с различием масс их атомов. Для большинства элементов относит. разность масс изотопов весьма мала, что определяет сложность задачи. Эф­фективность методов И. р. характе­ризуется коэфф. разделения . Для смеси двух изотопов он равен:



где с' и 1-с' — относит. содержания лёгкого и тяжёлого изотопов в обо­гащённой смеси, а с" и 1-с" — в ис­ходной смеси. Если а лишь немного больше единицы, то операцию И. р. приходится многократно повторять; только при эл.-магн. разделении >>1 (см. ниже).

Газовая диффузия через пористые перегородки. Газообразное соединение разделяемого элемента при достаточно низких давлениях (~10^-3 мм рт. ст.



Рис. 1. Схема устройства для разделения изотопов методом газовой диффузии.


или ~0,1 Па) прокачивается через пористую перегородку (рис. 1). Лёгкие молекулы диффундируют через пе­регородку быстрее тяжёлых. В ре­зультате газ обогащается лёгкой ком­понентой по одну сторону перегородки и тяжёлой — по другую. Если разница в массах мала, то необходимо повто­рять процесс неск. тыс. раз. Этот ме­тод используется на спец. газодиффуз. заводах для обогащения U (в виде газообразного UF₆) изотопом ²³⁵U (~1,0043). Для получения нужной концентрации ²³⁵U требуется ок. 4000 операций разделения.

Диффузия в потоке пара (масс-диф­фузия). И. р. происходит в цилиндрич. сосуде (колонне), перегороженном вдоль оси диафрагмой, содержащей ок. 103 отверстий на 1 см² (рис. 2). Га­зообразная изотопная смесь движется навстречу потоку вспомогат. пара. Вследствие перепада концентраций газа и пара в поперечном сечении ци-

213


линдра и большего коэфф. диффузии для более лёгких молекул происходит обогащение лёгким изотопом части газа, прошедшего сквозь поток пара в левую часть цилиндра. Обогащённая часть выводится из верхнего цилиндра вместе с осн. потоком пара, а остав­шаяся в правой половине часть газа



Рис. 2. Схема устройства для разделения изотопов методом противопоточной масс-диффузий.


движется вдоль диафрагмы и выводит­ся из аппарата. Пар конденсируется и отделяется от смеси изотопов. Про­цесс может осуществляться много­кратно. В лаб. условиях получают до 1 кг изотопов Ne, Ar, С, Kr, S. Термодиффузия. Разделит. колонка состоит из двух коаксиальных труб, поддерживаемых при разных темп-pax (рис. 3), между к-рыми на­ходится газообразное в-во. Разность темп-р T создаёт вертик. конвекц. поток газо­вой смеси и одновре­менно вызывает непре­рывно идущее попе­речное термодиффуз. разделение изотопов



Рис. 3. Схема термодиф­фузионной разделит. ко­лонки.

(см. Конвекция, Термодиффузия). Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверх­ности внутр. трубы и движутся вверх. Коэфф. разделения =1+Т/Т, где  — постоянная термодиффузии, зависящая от относит. разности масс изотопов, а Т=(Т₁+Т₂)/2. Этим ме­тодом были получены Не с содержа­нием 0,2% ³Не (в природной смеси — 1,5*10^-5%), изотопы ¹⁸О, ¹⁵N, ¹³C,

²⁰Ne, ²²Ne, ³⁵Cl, ⁸⁴Kr, ⁸⁶Kr с концен­трацией >99,5%.

Дистилляция. Изотопы обычно име­ют разл. давления насыщ. пара (p₁ и р₂) и точки кипения, поэтому возможно И. р. путём фракц. перегонки. При кипении жидкой смеси изотопов в образующемся паре преобладает изо­топ с наименьшей темп-рой кипения. Используются фракционирующие ко­лонны с большим числом ступеней разделения; а зависит от отношения p₁/p₂ и уменьшается с ростом мол. массы и темп-ры (процесс наиб. эф­фективен при низких темп-pax). Ди­стилляция использовалась при полу­чении изотопов лёгких элементов ¹⁰В, ¹¹B, ¹⁸O, ¹⁵N, ¹³С и для получения тяжёлой воды (сотен т в год).

Изотопный обмен. Для И. р. ис­пользуются хим. реакции, при к-рых происходит перераспределение изо­топов к.-л. элемента между реагиру­ющими в-вами. Так, напр., если при­вести в соприкосновение HCl с HBr, в к-рых первонач. содержание дей­терия D в водороде было одинако­вым, то в результате обменной ре­акции в HCl содержание D будет неск. выше, чем в HBr. Применение неск. каскадов позволяет получать дейте­рий и обогащённые отд. изотопами смеси для др. лёгких элементов (N, S, О, С, Li).

Центрифугирование. В центрифуге, вращающейся с большой скоростью, более тяжёлые молекулы под дей­ствием центробежных сил концентри­руются у периферии, а лёгкие моле­кулы — у ротора. Поток пара во внеш. части с тяжёлым изотопом на­правлен вниз, а во внутренней, с лёг­ким изотопом, вверх. Соединение неск. центрифуг в каскад обеспечивает не­обходимое обогащение. Центрифуги­рование пригодно для разделения изотопов как лёгких, так и тяжёлых элементов.