M I T O C W | N u c l e a r M a t e r i a l s — R a d i a t i o n D a m a g e a n d E f f e c t s i n M a t t e r

T h e f o l l o w i n g c o n t e n t i s p r o v i d e d u n d e r a C r e a t i v e C o m m o n s l i c e n s e . Y o u r s u p p o r t w i l l h e l p M I T O p e n C o u r s e W a r e c o n t i n u e t o o f f e r h i g h - q u a l i t y e d u c a t i o n a l r e s o u r c e s f o r f r e e . T o m a k e a d o n a t i o n , o r t o v i e w a d d i t i o n a l m a t e r i a l s f r o m h u n d r e d s o f M I T c o u r s e s , v i s i t M I T O p e n C o u r s e W a r e a t o c w . m i t . e d u .

P R O F E S S O R : S o I g o t m u c h m o r e t h a n o n e r e q u e s t t o d o s o m e s t u f f o n n u c l e a r m a t e r i a l s , a n d I t h i n k i t ' s j u s t a b o u t t h e r i g h t t i m e . T h a t y o u g u y s k n o w e n o u g h a b o u t r a d i a t i o n i n t e r a c t i n g w i t h m a t t e r a n d e v e r y t h i n g , a n d s t o p p i n g p o w e r , a n d p r o c e s s i n g , t o a c t u a l l y m a k e s e n s e o f n u c l e a r m a t e r i a l s a n d r a d i a t i o n d a m a g e . A n d t h i s i s m y w h o l e t h e m e , s o h a p p y t o c o m e t a l k t o y o u g u y s a b o u t t h i s a n d s h o w y o u w h y I t h i n k i t ' s i n t e r e s t i n g .

B e c a u s e i t a l l g o e s - - t h i s s l i d e k i n d o f g e t s o n t o i t . I t s t a r t s o f f w i t h t h e s i n g l e - a t o m a t o m i c d e f e c t s t h a t m a k e u p t h e b a s i c b u i l d i n g b l o c k s o f d a m a g e a n d e n d s u p w i t h t h i n g s t h a t b r e a k i n n u c l e a r r e a c t o r s u n d e r r a d i a t i o n . A n d s o t o u n d e r s t a n d t h e w h o l e t h i n g , y o u ' v e g o t t o k n o w e v e r y t h i n g f r o m t h e s i n g l e a t o m s o n t h e s o r t o f f e m t o s e c o n d s c a l e , a l l t h e w a y u p t o t h e e n g i n e e r i n g s c a l e w h e r e t h i n g s e v o l v e o v e r y e a r s o r e v e n d e c a d e s .

S o w e ' l l b e t a l k i n g - - f i r s t , p r o b a b l y t o d a y , w e ' r e g o i n g t o g o o v e r a m a t e r i a l s c i e n c e p r i m e r . S o w h o h e r e h a s h a d a n y c o u r s e s i n m a t e r i a l s c i e n c e ? N o o n e . T h a t ' s g o o d b e c a u s e I ' m a s s u m i n g t h a t t h e r e i s a - - s e e , n o o n e k n o w s a n y t h i n g h e r e . I k n o w t h e r e ' s a c o u p l e m a t e r i a l s c i e n t i s t s i n t h e c l a s s , a n d I ' l l a p o l o g i z e a h e a d o f t i m e i f i t ' s a b i t o f a r e v i e w . B u t w e ' l l b e g o i n g m o s t l y t h r o u g h w h a t a r e m a t e r i a l s a n d w h a t a r e t h e d e f e c t s t h a t c h a n g e t h e i r m a t e r i a l p r o p e r t i e s , a n d h o w d o t h e y b e h a v e . T h a t ' l l t a k e u s t h r o u g h a b o u t t o d a y . S o t h e n t o m o r r o w , w e c a n s e e h o w r a d i a t i o n c a u s e s t h o s e d e f e c t s a n d a c t u a l l y c h a n g e s m a t e r i a l p r o p e r t i e s .

S o t h e r e ' s a w h o l e l a u n d r y l i s t o f d i f f e r e n t w a y s t h a t m a t e r i a l s f a i l , a n d m o s t f o l k s a r e c o n c e r n e d w i t h a l l o f t h e s e - - e v e r y t h i n g f r o m s i m p l e o v e r l o a d , w h i c h m e a n s y o u s t r e s s s o m e t h i n g t o o m u c h a n d i t j u s t b r e a k s , t o a l l t h e d i f f e r e n t f o r m s o f c o r r o s i o n . T h a t ' s a w h o l e f i e l d i n i t s e l f . A n d t h e n t h e r e ' s t h e t h i n g s t h a t j u s t w e h a v e t o w o r r y a b o u t b e c a u s e t h e y ' r e o n l y a c t i v a t e d w i t h r a d i a t i o n d a m a g e . A n d i n t h i s c a s e , t h i s i s n ' t q u i t e i o n i z a t i o n b y r a d i a t i o n , b u t i t ' s a c t u a l r a d i a t i o n s l a m m i n g i n t o n u c l e i a n d m o v i n g a t o m s o u t o f t h e i r p l a c e .

A n d w e ' v e g o t o n e f i g u r e t h a t w e h a d r e c e n t l y i n a p a p e r t h a t s u m s u p t h e e n t i r e m u l t i - s c a l e p i c t u r e o f r a d i a t i o n d a m a g e , f r o m t h e f e m t o s e c o n d t o , l e t ' s s a y , t h e m e g a s e c o n d s c a l e . O r I

t h i n k i t ' s m o r e t h a n t h a t . M a y b e g i g a s e c o n d w o u l d b e t h e r i g h t w o r d f o r t h a t . A n d a l l t h e w a y d o w n f r o m t h e a n g s t r o m t o t h e m e t e r s c a l e . A n d I w a n t t o w a l k y o u t h r o u g h s o r t o f a l e n s s c a l e b y l e n s s c a l e d e p i c t i o n o f r a d i a t i o n d a m a g e .

I t a l l s t a r t s w i t h k n o c k i n g a t o m s o u t o f p l a c e . W e ' v e m e n t i o n e d t h i s a l i t t l e b i t w h e n w e t a l k e d a b o u t n u c l e a r s t o p p i n g p o w e r , a n d t h i s i s w h e r e i t a c t u a l l y c o m e s i n t o p l a y . S o m e t i m e s a n i n c o m i n g n e u t r o n o r p h o t o n o r i o n c a n d i s p l a c e a n a t o m f r o m i t s o r i g i n a l s i t e , a n d w e c a l l t h a t a p h y s i c a l - - i t ' s a d i s p l a c e m e n t . A n d t h e n t h a t a t o m c o m e s o f f w i t h q u i t e a b i t o f k i n e t i c e n e r g y a n d c a n k n o c k i n t o a w h o l e b u n c h o f o t h e r a t o m s .

N o w t h i s l o s s o f t h e s o l i d c r y s t a l l i n e s t r u c t u r e , y o u c a n ' t r e a l l y t e l l w h a t t h e o r i g i n a l s t r u c t u r e l o o k e d l i k e , r i g h t ? I t a c t u a l l y c o m p r i s e s a v e r y s m a l l , l o c a l i z e d z o n e o f m e l t i n g c a l l e d a t h e r m a l s p i k e . I f y o u t h i n k a b o u t , a l l t h e s e a t o m s a r e v i b r a t i n g a t f r a c t i o n s o f a n e V - - a t t h e r m a l e n e r g i e s , l i k e t h e t h e r m a l n e u t r o n s w e t a l k e d a b o u t i n t h e r e a c t o r . T h e n y o u h i t t h e m w i t h a n M e V n e u t r o n . T h e y m i g h t t r a n s f e r 1 0 0 k e V o f e n e r g y . A n d a b u n c h o f t h e s e a t o m s w i l l t h e n b e m o v i n g a b o u t a t , l e t ' s s a y , a f e w h u n d r e d e V . T h a t ' s w a y b e y o n d l i q u i d t e m p e r a t u r e .

S o a c t u a l l y , i t ' s b e e n t h e o r i z e d t h a t t h e r e ' s a l i t t l e p o c k e t o f a t o m s a r o u n d t h r e e t o f i v e n a n o m e t e r s w i d e t h a t r e a c h e s , l i k e , 1 0 , 0 0 0 K e l v i n f o r a v e r y , v e r y s h o r t a m o u n t o f t i m e - - l e s s t h a n a p i c o s e c o n d . B e c a u s e a l m o s t i n s t a n t l y , t h o s e a t o m s k n o c k i n t o t h e o n e s a r o u n d t h e m , a n d t h i s i s h o w t h e p r o c e s s o f h e a t t r a n s f e r o c c u r s . A n d s o , v e r y q u i c k l y , y o u g e t w h a t ' s c a l l e d t h e q u e n c h , w h e r e m o s t o f t h o s e a t o m s v e r y q u i c k l y k n o c k i n t o o t h e r o n e s , s l o w i n g d o w n , f i n d i n g t h e i r e q u i l i b r i u m p o s i t i o n s a g a i n , b u t n o t e v e r y o n e . Y o u c a n s e e t h e r e ' s a f e w p l a c e s w h e r e t h e a t o m s a r e s t i l l o u t o f t h e i r o r i g i n a l l o c a t i o n . A n d i t ' s t h o s e r e s i d u a l d e f e c t s t h a t a c t u a l l y c o m p r i s e r a d i a t i o n d a m a g e .

A n d a s t h o s e d e f e c t s b u i l d u p , t h e y s t a r t t o m o v e . T h e y c a n d i f f u s e . T h e y c a n b e t r a n s p o r t e d b a l l i s t i c a l l y b y m o r e r a d i a t i o n d a m a g e . T h e y c a n m o v e b y a l l s o r t s o f d i f f e r e n t m e c h a n i s m s a n d e v e n t u a l l y f i n d e a c h o t h e r , f o r m i n g w h a t ' s c a l l e d c l u s t e r s . S o a b u n c h o f t h o s e m i s s i n g a t o m s c o u l d f i n d e a c h o t h e r a n d m a k e a h o l e , w h i c h w e c a l l a v o i d . A b u n c h o f t h e e x t r a a t o m s s h o v e d i n b e t w e e n t h e o t h e r o n e s c a n f o r m t h i n g s c a l l e d i n t e r s t i t i a l c l u s t e r s . W e s a y i n t e r s t i t i a l b e c a u s e i t ' s l i k e i n t h e s p a c e i n b e t w e e n w h e r e y o u ' d n o r m a l l y f i n d s o m e a t o m s .

S o l e t ' s s a y y o u h a d a w h o l e b u n c h o f t h o s e m i s s i n g a t o m s c o m e t o g e t h e r , f o r m i n g a v o i d . T h i s i s a n a c t u a l T r a n s m i s s i o n E l e c t r o n M i c r o s c o p e , o r T E M , i m a g e o f a v o i d - - p o c k e t s o f v a c u u m i n m a t e r i a l s . N o t i c e a n y t h i n g i n t e r e s t i n g a b o u t i t s s h a p e ?

A U D I E N C E : I t ' s , l i k e , r o u n d e d .

P R O F E S S O R : I t ' s r o u n d e d , b u t w h a t ' s m o s t s t r i k i n g t o m e i s i t i s n ' t a c t u a l l y r o u n d . S o y o u w o u l d e x p e c t a v o i d o r a b u b b l e t o b e k i n d o f s p h e r i c a l , r i g h t ? T h a t ' s t h e m i n i m u m e n e r g y c o n f i g u r a t i o n o f m o s t t h i n g s . N o t s o w h e n y o u h a v e a l i t t l e p o c k e t o f v a c u u m . I t ' s w h e r e c r y s t a l l i n i t y c o m e s i n t o p l a y .

A n d t h e s e v o i d s c a n e n d u p f o r m i n g s u p e r s t r u c t u r e s . W h a t c u r i o u s t h i n g d o y o u n o t i c e h e r e ? F o r t h i s w h o l e e n s e m b l e o f v o i d s . Y e a h ?

A U D I E N C E : I t s e e m s l i k e t h e y ' r e a l l i n l i n e .

P R O F E S S O R : T h e y a r e a l l i n t h e s a m e d i r e c t i o n . K i n d o f f u n n y . T h a t ' s d e f i n i t e l y n o t a n a c c i d e n t , r i g h t ? T h a t ' s n o t l i k e t h e y ' r e r a n d o m l y a l i g n e d . T h e r e ' s a r e a s o n f o r t h i s , t h a t w e ' l l g o i n t o i n a c o u p l e s l i d e s . Y e a h ?

A U D I E N C E : W h a t ' s t h e s i z e s c a l e h e r e ?

P R O F E S S O R : T h e s i z e s c a l e ? I t h i n k t h e s e a r e o n t h e o r d e r o f 2 0 n a n o m e t e r s o r s o . Y e a h , I c r o p p e d t h e s e i m a g e s j u s t t o g e t p o i n t s a c r o s s . L e t ' s s e e i f i t s a y s i n t h e o l d e r o n e . N o t q u i t e . Y e a h , b u t t h e s e v o i d s c a n g e t u p w a r d s o f t e n s o f n a n o m e t e r s . A s s m a l l a s s i n g l e a t o m s . Y e a h ?

A U D I E N C E : S o r r y , w h a t i s t h i s ?

P R O F E S S O R : T h i s i s t h e a c c u m u l a t i o n o f r a d i a t i o n d e f e c t s i n t o w h a t ' s c a l l e d v o i d s . Y e a h . D o n ' t w o r r y , w e ' l l g o o v e r i t i n m o r e d e t a i l a g a i n . A n d i f y o u g e t l i t t l e p o c k e t s o f v a c u u m i n y o u r m a t e r i a l , y o u ' r e n o t c r e a t i n g o r d e s t r o y i n g m a s s . Y o u ' r e j u s t m o v i n g i t . S o t h o s e v o i d s , w h e r e t h a t m a s s w a s h a s t o g o s o m e w h e r e e l s e , a n d y o u a c t u a l l y g e t t h i n g s t h a t s w e l l i n t h e r e a c t o r o n t h e i r o w n . T h e y d o n ' t c h a n g e m a s s b u t t h e y c h a n g e v o l u m e . T h e y j u s t k i n d o f p u f f u p l i k e S w i s s c h e e s e , s o m e t i m e s u p w a r d s o f 2 0 % o r 3 0 % c h a n g e s i n d i a m e t e r a n d l e n g t h f o r s o m e t u b i n g .

N o w i f y o u ' r e d e p e n d i n g o n t h e s e f u e l r o d s b e i n g a c e r t a i n s p a c e a p a r t i n a r e a c t o r a n d t h e y s t a r t t o s w e l l , s q u e e z i n g o u t t h e c o o l a n t , y o u l o s e t h e a b i l i t y t o c o o l t h e r e a c t o r . B e c a u s e t h e n h o w c a n y o u g e t w a t e r a r o u n d s o m e t h i n g w h e r e t h e t u b e s h a v e t h e n s w e l l e d t o g e t h e r ?

T h e r e ' s l o t s o f o t h e r b a d t h i n g s t h a t c a n h a p p e n , w h i c h w e ' l l g e t i n t o .

A n d s o t h e n t h a t ' s t h e o r i g i n o f v o i d s w e l l i n g . F r o m s i n g l e m i s s i n g a t o m s c a l l e d v a c a n c i e s , t h e y c a n c l u s t e r i n t o v o i d s w h i c h t h e n c a u s e p h y s i c a l d i m e n s i o n a l c h a n g e s o f m a t e r i a l s o n t h e

s c a l e o f c e n t i m e t e r s t o m e t e r s . A n d t h a t ' s w h y w e s a y i t ' s t h i s f u l l m u l t i - s c a l e p i c t u r e o f r a d i a t i o n d a m a g e . B u t t o u n d e r s t a n d , w h a t i s d a m a g e , y o u h a v e t o k n o w w h a t i s a n u n d a m a g e d s t r u c t u r e t o b e g i n w i t h . S o i t d o e s n ' t m a k e s e n s e t o s a y , h o w d o e s a s t r u c t u r e c h a n g e , i f y o u d o n ' t k n o w h o w i t b e h a v e s .

S o I w a n t t o g i v e a v e r y q u i c k p r i m e r t o m a t e r i a l s c i e n c e . A n d a p o l o g i e s t o a n y m a t e r i a l s c i e n t i s t s i n t h e r o o m b e c a u s e t h i s i s g o i n g t o s e e m r e a l l y b a s i c , b u t t h i s i s a v e r y q u i c k i n t r o t o t h i s w h o l e f i e l d . I w a n t t o g o o v e r q u i c k l y , w h a t i s a c r y s t a l l i n e s o l i d ? A p e r f e c t l y u n d a m a g e d m a t e r i a l w o u l d b e a s e t o f a t o m s l i n e d u p i n a v e r y r e g u l a r l a t t i c e a n d o f r e g u l a r a r r a y , w h e r e y o u m o v e o v e r a c e r t a i n d i s t a n c e a n d y o u f i n d a n o t h e r a t o m . A n d t h i s e x t e n d s f o r e v e r a n d e v e r a n d e v e r , a l l t h e w a y o u t t o w h e n y o u r e a c h t h e f r e e s u r f a c e .

A n d s o t h i s i s w h a t w e w o u l d c a l l a n u n d a m a g e d m a t e r i a l . A p r i s t i n e , p e r f e c t , s i n g l e c r y s t a l . B y c r y s t a l , I m e a n a n a r r a n g e m e n t o f a t o m s i n a c e r t a i n d i r e c t i o n . S o n o t i c e h e r e , a l l o f t h e a t o m s a r e l i n e d u p i n , l e t ' s s a y , s o m e c u b i c x y z w a y . T h a t ' s w h a t w e w o u l d c a l l o n e c r y s t a l o r o n e g r a i n . Y o u ' l l h e a r b o t h o f t h o s e .

A n d y o u ' l l n o t i c e a l s o t h a t t h e a r r a n g e m e n t o f t h e a t o m s t e n d s t o d e t e r m i n e w h a t t h e p h y s i c a l o b j e c t s l o o k l i k e . O r w e l i k e t o s a y t h a t f o r m f o l l o w s s t r u c t u r e i n m a t e r i a l s c i e n c e . S o f o r m a t e r i a l s l i k e p y r i t e , w h i c h f o l l o w s a s i m p l e c u b i c s t r u c t u r e , t h a t ' s t h e c r y s t a l s y o u p u l l o u t o f t h e g r o u n d . T h e y m i m i c t h e i r a t o m i c c o n f i g u r a t i o n s i n p h y s i c a l c e n t i m e t e r - s i z e d s p a c e . F o r g o l d a t o m s , t h e y a d o p t a s l i g h t l y d i f f e r e n t s t r u c t u r e . I t ' s s t i l l c u b i c b u t t h e r e i s a t o m s s h o v e d i n t o t h e c u b e f a c e s . I t ' s w h a t w e c a l l F a c e - C e n t e r e d C u b i c , o r F C C . A n d y o u s t a r t t o s e e c u b e - l o o k i n g s t r u c t u r e s a l l o v e r s i n g l e c r y s t a l s o f g o l d .

A n o t h e r o n e , g y p s u m . I t ' s g o t a v e r y d i f f e r e n t t y p e o f s t r u c t u r e c a l l e d m o n o c l i n i c , w h e r e n o n e o f t h e s i d e s o f t h i s p a r a l l e l o g r a m a r e t h e s a m e a n d t h e r e a r e s o m e f u n n y a n g l e s . B u t i f y o u l o o k a t t h e a r r a n g e m e n t o f t h e a t o m s a n d t h e a c t u a l c r y s t a l s o f g y p s u m t h a t g r o w , y o u s e e a s t r i k i n g s i m i l a r i t y , w h i c h I f i n d p r e t t y n e a t .

I a l s o w a n t t o m e n t i o n , w h a t i s t h e a b s e n c e o f s t r u c t u r e i n m a t e r i a l s c i e n c e ? W e c a l l t h a t s o m e t h i n g t h a t ' s a m o r p h o u s . A m o r p h o u s m e a n s w i t h o u t f o r m . S o f o r e x a m p l e , c r y s t a l l i n e i n d i u m p h o s p h i d e w o u l d h a v e t h i s r e g u l a r s t r u c t u r e l i k e t h i s . Y o u m o v e o v e r a c e r t a i n d i s t a n c e , y o u s e e a n o t h e r g r e e n a t o m , a n d s o o n a n d s o o n a n d s o o n . I n a n a m o r p h o u s m a t e r i a l , i t c a n s t i l l b e a s o l i d , b u t t h e r e i s n o f i x e d d i s t a n c e b e t w e e n a n y c e r t a i n t y p e s o f a t o m s . A n d r a d i a t i o n c a n c a u s e a l o t o f t h i s a m o r p h i z a t i o n b y k n o c k i n g t h e a t o m s a b o u t a n d h a v i n g t h e m f r e e z e i n