Анотація до роботи:

Константинов В.А. Перенесення тепла у простих молекулярних кристалах та їх розчинах при температурах порядку та вище дебаєвської. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фіз.- мат. наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, 2003, Харків, Україна.

Дисертація присвячена вивченню загальних закономірностей переносу тепла у простих молекулярних кристалах і їхніх розчинах при температурах порядку і вище дебаєвських, і, зокрема, установленню кореляції між характером обертального руху молекул і поведінкою ізохорної теплопровідності. Створено унікальну установку, що дозволяє проводити дослідження теплопровідності молекулярних кристалів при постійній густині в області температур 30 - 300 K і тисків до 800 MПa. Досліджено залежність теплопровідності від температури і молярного об'єму в орієнтаційно упорядкованих фазах молекулярних кристалів: (CHCl₃, CH₂Cl₂, CHF₂Cl і CF₂Cl₂), в орієнтаційно неупорядкованих фазах: (CH₄ і CCl₄), у деяких випадках, коли переорієнтаційний рух молекул розвивається без наступного фазового переходу: (C₆H₆ і SF₆), а також у твердих розчинах

(CH₄)_1-xKr_x і Kr_1-xXe_x. Виявлено сильні відхилення ізохорної теплопровідності від залежності L1/Т в орієнтаційно упорядкованих фазах, що зв'язані з наближенням її до своєї нижньої межі при передплавильних температурах. Показано, що посилення переорієнтаційного руху молекул супроводжується збільшенням ізохорної теплопровідності. Цей ефект зв'язується зі зменшенням фонон - обертальної компоненти повного теплового опору, і пояснюється ослабленням розсіювання фононів на колективних обертальних збудженнях у міру загасання кореляцій в обертанні сусідніх молекул. Показано, що в розчинах кріокристалів має місце поступовий перехід від чисто фононної теплопровідності до переносу тепла «дифузними» модами при збільшенні температури й концентрації домішки.

У дисертації узагальнені результати експериментальних і теоретичних досліджень теплопровідності молекулярних кристалів і їхніх розчинів при температурах порядку і вище дебаєвських. У цілому можна говорити про значне просування вперед в розумінні кореляції між характером обертального руху молекул у вузлах кристалічної ґратки й теплопровідністю. Стало очевидним, що поведінка «високотемпературної» теплопровідності молекулярних кристалів багато в чому визначається тією обставиною, що вона наближається до своєї нижньої межі L_min при перед плавильних температурах.

Вірогідність отриманих результатів визначається продуманою конструкцією установки, що забезпечує гарний тепловий контакт зразка з вимірювальною коміркою й мінімізацію теплових втрат, ретельною обробкою експериментальних даних, коректним обліком виправлень і погрішностей вимірів, гарною згодою з даними, отриманими іншими авторами. Аналіз експериментальних результатів проводився в рамках сучасних концепцій фізики твердого тіла.

Узагальнення всієї сукупності отриманих результатів дозволяє говорити про розвиток нового напрямку досліджень - ізохорної теплопровідності молекулярних кристалів.

Сформулюємо основні положення, що випливають з узагальнення проміжних висновків і мають принципове значення:

1. Уперше досліджена ізобарна та ізохорна теплопровідність твердих фреонів метанового ряду CHCl₃, CH₂Cl₂, CHF₂Cl і CF₂Cl₂ при ТQ_D. За допомогою модифікованого методу приведених координат показано, що лібраційний рух молекул у цих кристалах приводить до додаткового розсіювання фононів, що по величині може навіть перевищувати фонон-фононне розсіювання. Виявлено сильні відхилення ізохорної теплопровідності від залежності L1/Т, що збільшуються з ростом температури. Показано, що така поведінка характерна для орієнтаційно упорядкованих фаз молекулярних кристалів, і вона пов'язана з наближенням теплопровідності до своєї нижньої межі.

2. Уперше досліджена ізохорна теплопровідність молекулярних кристалів, що зазнають перехід в орієнтаційно неупорядковану фазу (CH₄ і CCl₄), а також у деяких особливих випадках, коли переорієнтаційний рух молекул розвивається без наступного фазового переходу (C₆H₆ і SF₆). Виявлено, що збільшення частоти переорієнтацій з ростом температури супроводжується зростанням ізохорної теплопровідності.

3. Проведено розділення фонон-фононного й фонон-обертального внесків у тепловий опір кристалів за допомогою модифікованого методу приведених координат. Показано, що зростання теплопровідності пов'язане з різким зменшенням розсіювання фононів на колективних обертальних збудженнях у міру ослаблення кореляцій обертання сусідніх молекул.

4. На прикладі орієнтаційно неупорядкованої фази метану показано, що у випадку, коли обертання молекул у вузлах кристалічної ґратки наближається до вільного, фонон-обертальна компонента повного теплового опору прагне до нуля. У цьому випадку ізохорна теплопровідність проходить через характерний максимум.

5. Показано, що залежність L1/Т відносно добре виконується в ізобарних дослідженнях теплопровідності молекулярних кристалів унаслідок часткової компенсації двох процесів: більш слабкого зменшення теплопровідності через наближення її до своєї нижньої межі і більш швидкого зменшення теплопровідності, через «пом'якшення» коливальних мод при розширенні кристалів.

6. Уперше на прикладі твердих розчинів (CH₄)_1-x Kr_x і Kr_1-x Xe_x досліджено вплив домішок на перенесення тепла в умовах, коли теплопровідність наближається до своєї нижньої межі у динамічному режимі за рахунок процесів перекиду. Запропоновано модель, у якій тепло переноситься низькочастотними фононами, а вище порога рухливості – «дифузійними» модами. У рамках даної моделі описані також відхилення ізохорної теплопровідності важких отверділих інертних газів Ar, Kr і Xe від залежності L1/T при T Q_D.

7. Уперше показано, що залежність теплопровідності простих молекулярних кристалів і їхніх розчинів від величини молярного об'єму визначається, головним чином, конкуренцією двох механізмів переносу тепла: низькочастотними фононами, і «дифузними» високочастотними модами. У міру того як зростає частка тепла, що переноситься «дифузними» модами, коефіцієнт Бриджмена зменшується від значення g » 910, характерного для чистих кристалів, до g » 34, більш типового для стекол і аморфних тіл.

8. Уперше проведені дослідження термічного тиску ряду простих молекулярних кристалів: CHCl₃, CH₂Cl₂, CHF₂Cl і CF₂Cl₂, CCl₄, C₆H₆ і SF₆.

9. Показано, що перенесення тепла вакансіями та інфрачервоним випромінюванням у досліджених молекулярних кристалах зневажливо мале аж до відповідних температур плавлення.