Способ определения энергетических характеристик твердых тел Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 

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 определять 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 обьема. Определяют сумму атомных масс химических элементов минералов твердого тела. Определяют процентное 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 t us + Cus2 + ... + Јusn,(1)

332

где Eusn « Z n or me с Ns fi - удельная

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

Z - атомный номер химического элемента;

n - валентность;

а - постоянная тонкой структуры;

, -массаэлектрона, кг:

с 2,997925 108 - скорость света в вакууме, м/с;

NS - количество атомов, приходящихся на единицу площади. 1 /м2;

ft - количество химического элемента в частях,

СП

VI

00

VI

а остальные энергетические параметры твердого телд определяют из выражения

Ј V 2 Znmec Ns,(2)

где физические величины имеют значения при определении удельной энергии связи:

внутренних электронов - Е еёз, Э - -; с cz2; m me; (ees Јus/3 «):

ближних к ядру электронов - Ј Јes; 3 1; о а; т me; (&s 2 eus/3 о2);

протонов.- Б Јps; . Т; т

тр; (fps --о).

2754 О3

Пример. Определяют энергетические параметры горных пород-Таштагольского месторождения: магнетитовой руды, эпи- дот-гранатового скирна, сленита, сланцевого туфа и диоритового, порфирита. Число атомов в единице объема .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

.

. BsiOj., л

AsiOa.AAijOj

6.5%

BTiC ;MnO;P2O5;ZnO.

энергетическим уровнем валентного элект рона имеет радиус равный. 0,529 м. Учитывая, что диаметр атрма в два раза больш.е 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 109; Ns 2.5 l019HNv 1,251029. .

Определяют процентное содержание 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 (атомный номер). :

Находят сумму атомных масс А химических элементов, входящих в состав данных минералов: ASICU ASI + Аол AAiAot AAI +

АО,..... Ат|О$;МпО;ВхО5-: пО ATI + AOZ+ + Амп + АО + Арг + АО + АО.

Определяют единицу атомной массы В каждого минерала в процентах:

14.5% р 4,4%

.

ATiOtiMnO jOfZnO

Определяют процентное содержание С химических элементов в каждом минерале: BSiO Asi Csi, В5ЮяАрА: C°2

BTiO2:MnO;PiOf;ZnOATi CTI, BTiOr., ZnO X

xAo« Co-BTIQiiMnO-. , BjiO

:MnO PbO4; ZnO АО Co.

Выражают в частях/г процентное содержание химических элементов:

Si W:R)i W;:

,/л, - ,,, - CZn

/M1 - loo%- Zn Toov

Определяют удельные энергии ионной связи ЈUs отдельных химических элементов, составляющих магнетитовую руду, из выражения (1): ЈusA,. ..K(MSi nsi Zsi, Јuso. ,пог Zo,...,us; - K/IZn nzn-Zzp, .-; - : где постоянная часть равна

15

20

х..

25

30

35

40

45

50

55

.-m|C2.I4s1

9,00 x

2 2571353 2,5- ID1 9,11 , 1,1955-Дж/м2.

В табл.3 даны средние значения удельной энергии ионной связи химических элементов.

Находят полную удельную энергию ионной связи магнетитовой руды: -.

Јus(.y Јusv + Јиз,д+ ЈUSJH Ј+...+ Јuso

Определяют остальные энергетические параметры Јes, Јes и Јps из выражения (2), причем при определении параметров объемной плотности энергии Јuv; Јev; Јev и Јpv число атомов берется Nv.

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: Ре20з 44,30%; FeO 18,27%.. .

Определяют сумму атомных масс железа и кислорода в закиси и окиси железа:

Арер АО. 56- 2 + 16- 3 160;

АреО AFe + АО 56 + 16 72.

Определяют единицу атомной массы железа в его закиси и окиси в процентах: АреиР % 44.30%. АреЛр 160

и АреО% 18.27%

BFe° АреО . 72

Определяют процентное содержание железа в его закиси и окиси:

г -о. 44,30 112

СреЛ ВрерЛ-Аред 31,009%;

Сре ВреО Аре

BFeA0.,

160 18,27 56

72

14,210%.

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

Јus«v,r-CF.es.К nFejZFej. 0,31009-1,1955 х х26 3 28,,91558Дж/м2;

ЈUSft CFe KnFeZFe 0,14210 1.1955-26x x 2-1 8,83379 Дж/м2.

Находят полную удельную энергию ионной связи железа в магнетитовой руде:

Јusft:t + Јusft 37.74937 Дж/м2.

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

В способе учитывается, что твердое тело состоит из N атомов, обладающих 3N степенями свободы, ионы взаимодействуют между собой валентными электронами п, которые взаимодействуют с Z протонами ядра своего атома, релятивистские свойства частиц учитываются ступенями постоянной «(эквивалентность массы и энергии и принцип квантования-энергии).

Формула изобретения

Способ определения энергетических характеристик твердых тел, включающий анализ их минерального и химического состава, определение количества атомов в единице объема, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости и повышения информативности способа, определяют сумму масс химических элементов минералов твердого тела, определяют процентное содержание химических элементов в каждом минерале, определяют удельные энергии ионных взаимодействий отдельных химических элементов в минералах, а полную энергию ионных взаимодействий твердого тела Јus определяют из выражения Јus Јus1 + Јus2 + ... + Јusn.

3ч 7

где Јusn - Z n or mec Ns fi - удельная 2.

энергия ионного взаимодействия, приходящаяся на отдельный n-й химический элемент;4

Z-атомный номер химического элемен- та;

п - валентность;

сг 1/137 - постоянная тонкой структуры;

,1010810 -масса электрона, кг; с 2,997925 108 - скорость света в вакууме, м/с;

Ns - количество атомов, приходящихся на единицу площади породы, 1 /м2;

А - количество химического элемента в частях,

а остальные энергетические характеристики твердого тела определяют из выражения

Ј 3 a Z n т с2 NS, где физические величины имеют значения при определении удельной энергии связи;

. Јus

внутренних электронов-Ј Јes

Э 1 /2; о т те;

ближних к ядру электронов - Ј t e s

2%- 2 1:о «т те; За2

За1

ПРОТОНОВ - Ј Јps

а 1 : т тр.

Јus

2754 а3

; 1;

Таблица k

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.

Магнетитовая

руда55,99102

Эпидотгранатовый 41,62091

Сиенит микросиенит39,03851

Сланцевый

туф37,53808

Диоритовый

порфиритЬО,

3,937-10 2,60075-1 о

2,38707-10(33,267(51015

1,78151-10

(3

2,056-10

5

1, (3981-10 1,67133-10132,289б8-10 5

2,3 635-ю 1,60725 10 Э2,20193--Ю 5

2,

4

1,71 17-ю

,13

2,198 ПЧО

S

2,38707-10(33,267(51015

1,78151-10

(3

2,056-10

5

1,71 17-ю

,13

2,198 ПЧО

S