Способ определения энергетических характеристик твердых тел

 

Изобретение относится к физике твердых тел (ТТ), в частности к способам оценки энергетических параметров. Цель - снижение трудоемкости и повышение информативности способа. Способ заключается в анализе минерального и химического составов ТТ, определении количества атомов в единице объема, суммы атомных масс химических элементов в каждом минерале, удельных энергий ионных взаимодействий отдельных химических элементов в минералах и полной удельной энергии полных взаимодействий ТТ. 4 табл.

й

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗО6РЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4622764/03 (22) 16.12.88 (46) 07.03.92. Бюл. М 9 (71) Кузбасский политехнический институт (72) А.С.Денисов и Е.А.Земскова (53) 622.24.026.3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР.

N 1186797, кл. Е 21 С 39/00, 1984.

Фано У, и Фана Л.. Физика атомов и молекул. — М.: Наука, 1980, с,596-598. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Изобретение относится к физике твердых тел, в частности к способам оценки энергетических параметров твердых тел.

Цель изобретения - повышение информативности способа.

Известный способ позволяет оценивать энергию связи атомов только простых симметричных кристаллов, имеющих одинаковые связи;

Предложенный способ позволяет опре делять энергетические параметры любых твердых тел, например горных пород. обладающих гетерогенной структурой и имеющих сложный химический состав.

Способ осуществляется следующим образом, Проводят анализ минерального и химического состава исследуемого твердого тела. Определяют количество атомов:в единице его объема. Определяют сумму. атомных масс химических элементов минералов твердого тела. Определяют процент. 5U 1717817 А1 (57) Изобретение относится к физике твердых тел (ТТ), в частности к способам оценки энергетических параметров. Цель — снижение трудоемкости и повышение информативности способа. Способ заключается в анализе минерального и химического составов ТТ, определении количества атомов в единице объема, суммы атомных масс химических элементов в каждом минерале, удельных энергий ионных взаимодействий отдельных химических элементов в минералах и полной удельной энергии полных взаимодействий ТТ. 4 табл. ное содержание динамических элементов в каждом минерале. Определяют удельные энергии ионных взаимодействий отдельных химических элементов в минералах, находят полную удельную энергию ионных взаимодействий твердого тела из выражения

Eus = Fus1 + Fus2 + ." + Fusn (1)

3 з где Eusn = —. Z tl аэ гпе с Ns P — Удельнаи

2 энергия ионного взаимодействия, приходящаяся на отдельный и-й химический элемент;

Z — атомный номер химического элемента: и — вале нтность; а — постоянная тонкой структуры;

me = 9,10908 10 — масса электрона, кг; с = 2,997925 10 — скорость света в ва8 кууме. м/с;

Ns — количество атомов. приходящихся на единицу площади. 1 /м; р — количество химического элемента в частях, 1717817 а остальные энергетические параметры твердого тела. определяют из выражения

e+ =В" и " Znme c Ns (2) где физические величины имеют значения при определении удельной энергии связи: 5 внутренних электронов — я* = е;з; * =

1, —, a = Q; m* =- me (еез = Gus/3 й); ближних к ядру электронов — я+= ebs, 3* =

=1;а" =а; m = me, (Еез=2ецз/Заз); 10

llpOTOHOB — E" = Cps, ci+..- 1; G *= Q N

2754:.Р

Пример. Определяют энергетические параметры- горных - пород- Твштагольского месторождения: магнетитовой руды, эпидот-гранатового скирна, сленита, сланцевоr0 туфа и диоритового, порфирита. Число атомов в единице обьема определяется следующим образом. Ион может поглотить фотон с максимальной. энергией при удалении валентного электрона из стационарного состояния с минимальной энергией в бесконечность. Атом с минимальным энергетическим уровнем валентного электрона имеет радиус равный 0,529 ° 10 м.

-1О

Учитывая, что диаметр атома в два раза больше его радиуса и что промежуток между атомами примерно равен их среднему диаметру, находят количество атомов, приходящихся на погонный метр, на единицу площади, содержащихся в единице объема.

Эти значения соответственно равны: Ni = 5 х х 10; N 2.5 10 и Кч=1,25 10

Определяют процентное содержание 35 минерального состава горной породы, например магнетитовой руды, результаты анализа приведены в табл.1 и 2. Находят химический состав, валентность химических элементов, их атомную массу и заряд 40 (атомный номер).

Находят сумму атомных масс А химических элементов, входящих в состав данных минералов: Asioа = Asi+ АО, АА,О, — AA „+ 45

АО,..., ATio;; Mno; Pgog;ZnO = AT i + А О +

+ Амп+ Ao +. АР, + Aos + Azn + Ao.

Определяют единицу атомной массы B каждого минерала в.процентах:

14,5 А 4,4 о/о - Вро,, = Вао,, ..., 50

Аз о AAIgoy

6 5о/

B Ti+;MnO; P> О,Zno.

Ат О,;Мпс;Р,О 2пО

Определяет процентное содержание

С химических элементов в каждом минерале: Вьо, Ар = Csi BsiogAog. = С02,"., BTIOg .MnO;pqOyZnO АТ! = CTI, ВтщМпо;РхО;; Zn0 Х

XAOs= СО„-,...,ВТ!С ;Мпо;Р.,О.:,2по А2п = CZn, BTIOg

:MnO Р,О ; Zno Ao = СО.

Выражают в частяхр процентное содержание химических элементов:

Csi . Co;

100% 100%, Са Czn

100% " 100%

Определяют удельные энергии ионной связи е<з отдельных химических элементов, составляющих магнетитовую руду, из выражения (1): eus;Ä= Кpsi nsi Zsi, Pusq,= Кисло -Оз 1 ° Bus = КPZn П2п" ZZn. где постоянная часть равна

3 д. 2 3 1

2 " 2571353 х.10,. ° 2,5 ° 10 9,11 .10. =. 1,1955.Дж/м .

В табл.3 даны средние значения удельной энергии ионной связи химических элементов, Находят полную удельную энергию ионной связи магнетитовой руды:

Fus :р = бiз„ + Еиз,.„- + блц . + "+ Gush + Eussy

Определяют остальные энергетические параметры dies, сей u cps из выражения (2), причем при определении параметров объемной плотности энергии еич, меч,

В такой же последовательности определяют энергетические параметры остальных пород, В табл.4 дана энергетическая характеристика горных пород.

Пример определения удельной энергии ионных связей железа в магнетитовой руде, Определяют процентное содержание закиси и окиси железа: ГегОз = 44,30%;

FeO = 18,27%, Определяют сумму атомных масс >келеза и кислорода в закиси и окиси железа:

АРе,о. = AFe„+ Ao;= 56 2 + 16 3 = 160;

AFeO = AFe + АО = 56 + 16 = 72.

Определяют единицу атомной массы железа в его закиси и окиси в процентах;

AFeJ3 .% 44,30 / сер 18.27

Видео= А О 72

Определяют процентное содержание железа в его закиси и окиси:

44,30 112

CFe,= BFe„O, AFe =

= 31,009%:

Сре = Видео Аре — 14,210%.

18,27 56

Процентное содержание железа выражают в частях,и и определяют удельные энергии ионных связей в его закиси и окиси:

fus „= СЕе; К >FegFe .= 0,31009 1,1955 х х 26 3 = 28,,91558 Дж/м;

1717817

Fuse= CFe К OFe ZFp 0,14210 1,1955 26х х 2 ° 1 = 8,83379 Дж/м .

Находят полную удельную энергию ионной связи железа в магнетитовой руде:

Fusg = fuse, + Bus = 37.74937 Дж/м . 5

Аналогично вычисляется удельная энергия ионных связей, приходящаяся на долю других элементов. Способ может использоваться как при решении прикладных задач в промышленности, так и научных фунда- 10 ментальных проблем.

В способе учитывается, что твердое,тело состоит из Nатомов,,обладающих 3N степенями свободы, ионы взаимодействуют между собой валентными электронами и, 15 которые взаимодействуют с 2 протонами ядра своегоатома, релятивистские свойства частиц учитываются ступенями постоянной а(эквивалентность массы и энергии и принцип квантования- энергии). 20

Формула изобретения

Способ определения энергетических характеристик твердых тел, включающий анализ их минерального и химического состава, определение количества атомов в 25 единице объема. отл и ч а ю щи и ся тем, что, с целью снижения трудоемкости и повышения информативности способа, определяют сумму масс химических элементов минералов твердого тела, определяют про- 30 центное содержание химических элементов в каждом минерале, определяют удельные энергии ионных взаимодействий отдельных химических элементов в минералах, а пол35 ную энергию ионных взаимодействий твердОГО тЕЛа 8 з ОПрЕдЕЛяат ИЗ ВЫражЕНИя без = Еиз1 + Гиз2 + ° " + Fusn где eusn = — Z n и вас Ns è — удельная

2 энергия ионного взаимодействия, приходящаяся на отдельный и-й химический элемент;

2-атомный номер химического элемента; и — валентность; а = 1/137 — постоянная тонкой структуphd;

m 9, t0108 10 — масса электрона, кг;

-З1 с = 2,997925 10 — скорость света в ва8 кууме, м/с;

Кз — количество атомов, приходящихся на единицу площади породы, 1/м; р — количество химического элемента в частях, а остальные энергетические характеристики твердого тела определяют из выражения е+ = Э* а+ Z A m* с Nз,, где физические величины имеют значения при определении удельной энергии связи;

+ . без, ВНУТРЕННИХ ЭЛЕКТРОНО — 8+ = ees = —, За

Э* = 1/2; а+ = CP; а* = me; ближних K ядру электронов — E*= Fes =

; д+ = 1; сГ» = я п1* = псе, 3Р

f1pOTOHOB — 8 » = Fрз — ", Э* = 1;

2754 сР

10,1 717817

Таблица 3

Удельная энергия ионной связи, Дж/мз

Диоритовый порфирит

Химические элементы

Сиенит Сланцевый туф

Иагнетито- Скарны вая руда са

Средние . предельные значения 50 - 70 40 - 48

38 - 41 35 — 40

39 - 45

Табли ца 4

Удельная энергия ионных связей ° „е, >1жlм2

Объемная плотность энергии ионных связей, Г., IlM/"

Порода

Плотность энергии связей ближних к ядру элекя g тронов >Я»>ж/M

Плотность энергии связей внут" ренних электронов, Яе„, Дж/мз

Магнетитовая руда

3,26745 10

2,38707 10

1 78151-10

3,49937"10"

2,60075 10

55,99102

41,62091

2,44056 10

Эпидотгранатовый

Сиенит микросиенит

1,67133- 10

1,60725 10

2,28968 10

2,20193 10

2,19841 10

2,43981 10п

2,34635 .10

2,50244 10

39,03851

37,53808

40,04070

Сланцевый туф

1,71417 ° 10

Диоритовый порфирит

Составитель А.Денисов

Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцова

Редактор А.Мотыль

Заказ 862 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

F>- . 37>73911 9,29825

Si 4,04079 10,56204 . о 6,56121 7,62710

Mg 1,08624 3,03529

0,34430 0 34430

Na 3,06048 7,30689

К 0,03813 0,36426

0,11335 1,06637

И 0,87864 0,56556

P 0,93593 0,60245

Zn 0,81126 0,52219

Итого 55>99102 41,62091

6,15279

13,05986

8,33750

3,82601

1,06734

3 41434

0,17086

0,32959

0,97461 1,05415

1,62084

40,04070

3,07920

8 03311

9,02020 .4,46068

0,13712

0,53941

0,41435

1,25752

0,53021

0,56480

0,48776

39,03851

3,42026

17,17630

9,10257

4,34532

0,41849.

0,44742

0,41434

1,24647

0,47719

0,50830

0,43898

37,89236