سلسلة تصادم

في فيزياء المادة المكثفة ، يُعرف التصادم المتتالي (أو ما يُسمى أيضًا بالتصادم المتتالي للإزاحة أو ارتفاع الإزاحة ) بأنه مجموعة من التصادمات المتجاورة ذات الطاقة العالية (أعلى بكثير من الطاقات الحرارية العادية ) بين الذرات، والتي تحدث نتيجة وجود جسيم عالي الطاقة في مادة صلبة أو سائلة . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

إذا تجاوزت طاقات الذرات أو الأيونات القصوى في سلسلة تصادمات طاقة الإزاحة الحدية للمادة (عشرات الإلكترون فولت أو أكثر)، فقد تؤدي هذه التصادمات إلى إزاحة الذرات بشكل دائم من مواقعها في الشبكة البلورية ، مما يُحدث عيوبًا . ويمكن أن تكون الذرة الأولية ذات الطاقة العالية، على سبيل المثال، أيونًا من مُسرِّع جسيمات ، أو ارتدادًا ذريًا ناتجًا عن مرور نيوترون أو إلكترون أو فوتون عالي الطاقة ، أو ناتجًا عن تحلل نواة مشعة تُكسب الذرة طاقة ارتداد.

يمكن أن تختلف خصائص سلسلة التصادم بشكل كبير اعتمادًا على طاقة وكتلة الارتداد أو الأيون الوارد، بالإضافة إلى كثافة المادة ( قوة الإيقاف ).

عندما تكون كتلة الارتداد/الأيون الأولية منخفضة، وتكون كثافة المادة التي يحدث فيها التفاعل المتسلسل منخفضة (أي أن قدرة إيقاف الارتداد مع المادة منخفضة )، فإن التصادمات بين الارتداد الأولي وذرات العينة نادرة الحدوث، ويمكن فهمها جيدًا على أنها سلسلة من التصادمات الثنائية المستقلة بين الذرات. يمكن معالجة هذا النوع من التفاعل المتسلسل نظريًا بشكل جيد باستخدام أسلوب محاكاة تقريب التصادم الثنائي (BCA). على سبيل المثال، من المتوقع أن تؤدي أيونات الهيدروجين والهيليوم ذات الطاقات الأقل من 10 كيلو إلكترون فولت إلى تفاعلات متسلسلة خطية بحتة في جميع المواد.

يُستخدم برنامج SRIM ^{[ 3 ]،} وهو أكثر برامج محاكاة التصادم الثنائي شيوعًا، لمحاكاة سلسلة التصادمات الخطية في المواد غير المنتظمة لجميع الأيونات في جميع المواد حتى طاقة أيونية تبلغ 1 جيجا إلكترون فولت . مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن SRIM لا يعالج تأثيرات مثل التلف الناتج عن ترسب الطاقة الإلكترونية أو التلف الناتج عن الإلكترونات المثارة. وتُعدّ قيم قدرة الإيقاف النووية والإلكترونية المستخدمة متوسطات مُطابقة للتجارب، وبالتالي فهي ليست دقيقة تمامًا. يمكن تضمين قدرة الإيقاف الإلكترونية بسهولة في تقريب التصادم الثنائي ^{[ 4 ]} أو محاكاة الديناميكا الجزيئية (MD). في محاكاة الديناميكا الجزيئية، يمكن تضمينها إما كقوة احتكاك ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} أو بطريقة أكثر تطورًا من خلال تتبع تسخين الأنظمة الإلكترونية وربط درجات الحرية الإلكترونية والذرية. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} ومع ذلك، لا تزال هناك شكوك بشأن حدود الطاقة المنخفضة المناسبة لقدرة الإيقاف الإلكترونية واقتران الإلكترون بالفونون. ^{[ 12 ] [ 16 ]}

في التتابعات الخطية، يمكن وصف مجموعة الارتدادات المتولدة في العينة بأنها سلسلة من أجيال الارتدادات اعتمادًا على عدد خطوات التصادم التي مرت منذ التصادم الأصلي: ذرات الاصطدام الأولية (PKA)، وذرات الاصطدام الثانوية (SKA)، وذرات الاصطدام الثالثية (TKA)، وما إلى ذلك. نظرًا لأنه من غير المرجح للغاية أن تنتقل كل الطاقة إلى ذرة اصطدام، فإن كل جيل من ذرات الارتداد يمتلك في المتوسط ​​طاقة أقل من الجيل السابق، وفي النهاية تنخفض طاقات ذرات الاصطدام إلى ما دون طاقة الإزاحة العتبية اللازمة لإنتاج الضرر، وعند هذه النقطة لا يمكن إنتاج المزيد من الضرر.

عندما يكون الأيون ثقيلاً وذا طاقة عالية بما يكفي، وتكون المادة كثيفة، قد تحدث تصادمات بين الأيونات متقاربة جدًا بحيث لا يمكن التعامل معها كأحداث مستقلة. في هذه الحالة، تصبح العملية عملية معقدة من التفاعلات متعددة الأجسام بين مئات وعشرات الآلاف من الذرات، والتي لا يمكن معالجتها باستخدام طريقة BCA، ولكن يمكن نمذجتها باستخدام أساليب الديناميكا الجزيئية . ^{[ 1 ] [ 17 ]}

عادةً، تتميز ذروة الحرارة بتكوين منطقة عابرة منخفضة الكثافة في مركز الشلال، ومنطقة عالية الكثافة حولها. ^{[ 1 ] [ 18 ]} بعد الشلال، تصبح المنطقة عالية الكثافة عيوبًا بينية ، وتصبح المنطقة منخفضة الكثافة عادةً منطقة فراغات .

إذا أُعيد حساب الطاقة الحركية للذرات في منطقة التصادمات الكثيفة وتحويلها إلى درجة حرارة (باستخدام المعادلة الأساسية E = 3/2·N·kBT ₎ ، نجد أن الطاقة الحركية بوحدات درجة الحرارة تكون مبدئيًا في حدود 10000 كلفن. ولهذا السبب، يمكن اعتبار المنطقة شديدة الحرارة، ولذا تُسمى ذروة حرارية ( ويُعتبر المصطلحان عادةً مترادفين). تبرد الذروة الحرارية إلى درجة حرارة المحيط خلال 1-100 بيكو ثانية، لذا فإن "درجة الحرارة" هنا لا تُطابق درجة حرارة التوازن الديناميكي الحراري . مع ذلك، فقد ثبت أنه بعد حوالي 3 اهتزازات شبكية، يصبح توزيع الطاقة الحركية للذرات في الذروة الحرارية مُطابقًا لتوزيع ماكسويل-بولتزمان ، ^{[ 19 ]} مما يُبرر استخدام مفهوم درجة الحرارة إلى حد ما. علاوة على ذلك، أظهرت التجارب أن ارتفاع درجة الحرارة يمكن أن يؤدي إلى تحول طوري من المعروف أنه يتطلب درجة حرارة عالية جدًا، ^{[ 20 ]} مما يدل على أن مفهوم درجة الحرارة (غير المتوازنة) مفيد بالفعل في وصف سلسلة التصادمات.

في كثير من الحالات، يكون ظرف التشعيع نفسه مزيجًا من التتابعات الخطية والارتفاعات الحرارية المفاجئة. على سبيل المثال، تتحرك أيونات النحاس ذات طاقة 10 ميغا إلكترون فولت التي تقصف ذرة النحاس في البداية ضمن الشبكة البلورية في نظام التتابع الخطي، نظرًا لانخفاض قدرة الإيقاف النووي . ولكن بمجرد أن تتباطأ أيونات النحاس بدرجة كافية، تزداد قدرة الإيقاف النووي، مما يؤدي إلى ارتفاع حراري مفاجئ. علاوة على ذلك، من المرجح أن تمتلك العديد من ارتدادات الأيونات الواردة الأولية والثانوية طاقات في نطاق الكيلو إلكترون فولت، وبالتالي تُنتج ارتفاعًا حراريًا مفاجئًا.

على سبيل المثال، عند تشعيع النحاس بالنحاس، فإن طاقات الارتداد التي تتراوح بين 5 و20 كيلو إلكترون فولت تكاد تضمن حدوث ارتفاعات حرارية مفاجئة. ^{[ 21 ] [ 22 ]} عند الطاقات المنخفضة، تكون طاقة التتابع منخفضة جدًا بحيث لا تُنتج منطقة شبيهة بالسائل. أما عند الطاقات الأعلى بكثير، فمن المرجح أن تؤدي أيونات النحاس في البداية إلى تتابع خطي، ولكن قد تؤدي الارتدادات إلى ارتفاعات حرارية مفاجئة، كما هو الحال مع الأيون الأولي بمجرد أن يتباطأ بدرجة كافية. يشير مفهوم طاقة عتبة انهيار التتابع الفرعي إلى الطاقة التي يُرجح أن يُنتج عندها الارتداد في مادة ما عدة ارتفاعات حرارية منفصلة بدلًا من ارتفاع حراري واحد كثيف.

تتوفر على موقع يوتيوب رسوم متحركة قائمة على محاكاة الحاسوب لتسلسلات التصادم في نظام ارتفاع درجة الحرارة. ^{[ 23 ]}

يتطلب فهم طبيعة سلسلة التصادمات معرفة النطاق الزمني المرتبط بها. عادةً ما تستمر المرحلة الباليستية من السلسلة، عندما تكون طاقة الأيون/الارتداد الأولي وارتداداته الأولية والثانوية أعلى بكثير من طاقة الإزاحة العتبية ، من 0.1 إلى 0.5 بيكو ثانية. في حال تشكل ارتفاع مفاجئ في درجة الحرارة، فإنه قد يستمر من 1 إلى 100 بيكو ثانية حتى تنخفض درجة حرارة الارتفاع المفاجئ إلى درجة حرارة المحيط تقريبًا. ^{[ 30 ]} يحدث تبريد السلسلة عبر التوصيل الحراري الشبكي والتوصيل الحراري الإلكتروني بعد أن يسخن النظام الأيوني الساخن النظام الإلكتروني عبر اقتران الإلكترون-الفونون . لسوء الحظ، فإن معدل اقتران الإلكترون-الفونون في نظام أيوني ساخن وغير منتظم غير مفهوم جيدًا، لأنه يختلف اختلافًا كبيرًا عن عملية انتقال الحرارة المعروفة نسبيًا من الإلكترونات الساخنة إلى بنية بلورية غير مضطربة . ^{[ 31 ]} وأخيرًا، يمكن أن تستمر مرحلة الاسترخاء في سلسلة التفاعلات، عندما تتحد العيوب المتكونة وتنتقل، من بضع بيكو ثانية إلى ما لا نهاية من المرات، اعتمادًا على المادة وخصائص انتقال العيوب وإعادة التركيب ودرجة الحرارة المحيطة.

• وابل الجسيمات ، وهو مجموعة من التصادمات الثنائية بين جسيمات عالية الطاقة غالباً ما تتضمن تفاعلات نووية
• علم المواد الإشعاعية
• مؤتمر كوسير
• مؤتمر REI

• الوسائط المتعلقة بسلسلة التصادمات على ويكيميديا ​​كومنز