Фейнман - 07. Физика сплошных сред (Р. Фейнман, Р. Лейтон. М. Сэндс - Фейнмановские лекции по физике), страница 4

Точно так же одна из осей моноклинного кристалла должна быть параллельна одной из главных осей эллипсоида, хотя о других осях мы ничего сказать не можем. Триклинный кристалл не обладает вращательной симметрией, поэтому его эллипсоид может иметь любую ориентацию. Как видите, мы можем с пользой провести время, придумывая всевозможные типы симметрии и связывая их со всевозможными физическими топзорами. Мы рассмотрели только тензор поляризуемости, здесь дело было простое, а для других тензоров, например для тензора упругости, рассуждать будет труднее. Существует раздел математики, называемый «теорией груню>, который занимается такими вещами, но обычно можно сообразить все, что нужно, опираясь лишь на здравый смысл. ф '«. Про««»«ос»мь меп»аллов Мы говорили, что металлы обычно имеют простую кубическую кристаллическую структуру; сейчас мы обсудим их механические свойства, которые зависят от этой структуры.

Вообще говори, металлы очень «мягкие», потому что один слой кристалла легко заставить скользить над другим. Вы, наверное, подумаете: «Ну, зто дико — металлы ведь твердые». Нет, лонокристалл металла легко деформируется. Рассмотрим дза слоя кристалла, подвергающихся действию силы сдвига (фиг. 30.11, а). Вероятно, вы сперва решите, что весь слой будет сопротивляться сдвигу, пока сила не станет достаточно велика, чтобы сдвинуть весь слой «над горбами» на одно место влево. Хотя сколь кение по некоторой плоскости возможно, все происходит совсем не так. (Иначе, согласно вычислениям, получилось бы, что металл гораздо прочнее, чем он есть на самом деле.) В действительности же дело больше походит на то, что атомы перескакивают поочередно: сначала прыгает первый атом слева, затем следующий н т.

д., как показано на фиг. 30.11, б. В результате пустое место между двумя атомами быстро путешествует направо и весь второй ряд сдвигается на одно межатомное расстояние. Скольжение проис- 19 е 2 Ф и г. 20.11. Сдвиг плоскосгпей кристалла. ходит таким образом, что на перекатывание атома через горб поодиночке требуется гораздо меньше энергии, чем на поднятие всего ряда в целом. Как только сила возрастет до значения, достаточного для начала процесса, весь процесс протекает очень быстро.

Оказывается, что в реальном кристалле скольжение возникает поочередно: сначала в одной плоскости, затем заканчивается там и начинается в другом месте. Почему оно начинается и почему заканчивается — совершенно непонятно. В самом деле, очень странно, что последовательные области скольжения часто распело>вены довольно редко. На фиг. 30.12 представлена фотография очень маленького и тонкого кристалла меди, который был растянут. Вы можете заметить разные плоскости, в которых возникало скольжение. Неожиданное соскальзывание отдельных кристаллических плоскостей легко заметить, если взять кусок оловянной проволоки, в которой содержатся большие кристаллы, и растягивать ее, держа близко к уху.

Вы ясно различите звуки «тик-тик», когда плоскости защелкиваются в новых положениях, М~:"-',:. з одна за другой, 1~«~ф': ., Проблема «нехваткнэ атома в одном из рядов сложнее, чем может показаться при рассматривании фнг. 30.11. Когда слоев больше, ситуация скорее походит на то, что изображено на фиг. 30.13. Подобный дефект в кристалле называют дислокацией. Считается, что такие дислокации возникают при образовании кристалла или же в результате царапины нли Ф и г. 30.12. Маленький кристалл меди после рост жегеик.

Ф и г. 30.13. Дислокация г крисскалле. трещины на его поверхности. Раз возникнув, они довольно свободно могут проходить сквозь кристалл. Большие нарушения возникают из-за движения мноокества таких дислокаций. Дислокации могут свободно передвигаться. Это значит, что для них требуется немного дополнительной знергин, если только весь остальной кристалл имеет совершенную решетку. Но они могут и азастыть», встретив какой-нибудь другой дефект в кристалле.

Если для прохождения дефекта требуется много энергии, они остановятся. Это и есть тот механизм, который сообщает прочность иасоаершеннын кристаллам лсеталла. Кристаллы чистого железа совсем мягкие, но небольшая концентрация атомов примесей может вызвать достаточное количество дефектов, чтобы противостоять дислокациям. Как вы знаете, сталь, состоящая в основном из железа, очень тверда. Чтобы получить сталь, при плавке к железу примешивают немного углерода; при быстром охлаждении расплавленной массы углерод выделяется в виде маленьких зерен, образуя в решетке множество микроскопических нарушений. Дислокации уже не могут свободно передвигаться, и металл становится твердым.

Чистая медь очень мягкая, но ее моокно азакалитьа наклепом. Это делается отбиванием или сгибанием ее в одну и другую стороны. В таком случае образуется много различных дислокаций, которые взаимодействуют между собой и ограничивают подвижность друг друга. Быть может, вы виделн фокус, когда берут кусочек Ф и г. 30.1а. Викксогая дислокация. 2к «мягкой» меди и легко обвивают чье-нибудь запястье в виде браслета. В тот же момент медь становится закаленной и разогнуть ее становится очень трудно! «Закаленный» металл типа меди можно снова сделать мягким с помощью отжига при высокой температуре.

Тепловое движение атомов «размораживает» дислокации и вновь создает отдельные большие кристаллы. О дислокациях можно рассказывать очень много. Так, до сих пор мы описывали только так называемые «дислокацин скольжения» (краевые дислокации). Существует еще множество других видов, в частности винтовая дислокация, изображенная на фиг. ЗОА4. Такие дислокации часто играют важную роль в росте кристаллов. ф 8. Дислокации и рос»п крис«паллоз Одну из величайших загадок природы долгое время представлял процесс роста кристаллов.

Мы уже описывали, как атом, многократно примериваясь, может определить, где ему лучше — в кристалле или снаруя«и. Но отсюда следует, что каждый атом должен найти положение с наименьшей энергией. Однако атом, попавший на новую поверхность, связан только одной-двумя связями с нижними атомами, и его энергия при этом не равна энергии того атома, который попал в угол, где он окружен атомами с трех сторон.

Вообразим растущий кристалл как набор нз кубиков (фиг. ЗОА5). Если мы поставим новый кубик, скаекем, в положение А, он будет иметь только одного из тех шести соседей, какими он в конце концов будет окружен. А раз ие хватает стольких связей, то и энергия его не будет очень низкой. Более выгодно положение В, где кристалл уже имеет половину своей доли связей. И действительно, кристаллы растут, присоединяя новые атомы к участкам типа В. Но что произойдет, когда данный ряд завершится? Чтобы начать новый ряд, атом должен осесть, имея связь с двух сторон, а зто опять же маловероятно. Даже если он осядет, что произойдет, когда весь слой будет завершен? Как мог бы начаться Ф и с.

30.15. Сиевеатииесиое иредставвеиие роста »риставас. Ф и с. уО.И. Кристалл парафина, виросший вокрув винтовой уислокаиии. новый слой? Один из возможных ответов — кристалл предпочитает расти по дислокации, например по винтовой дислонации, вроде той, что показана на фиг. 30.14. По мере прибавления кубиков к этому кристаллу всегда остается место, где можно получить три связи.

Следовательно, кристалл предпочитает расти с встроенной внутрь дислокацией. Иллюстрацию такого спирального роста представляет собой фотография монокристалла парафина (фиг. 30.16). ф О. Модель кртсетпалла по Ьгвзггп гв лваго Мы, разумеется, не можем увидеть, чтб происходит с отдельными атомами в кристалле. Как вы теперь понимаете, существует еще множество сложных явлений, которые трудно описать количественно. Лоуренс Брэгг и Дж.

Най придумали модель металлического кристалла, которая удивительным образом моделирует множество явлений, возникающих, по-видимому, в реальном металле. Лучше всего прочесть эту работу самим; в ней описан и сам метод, и полученные с его помощью результаты (статья была напечатана в Ргосеейпдз о1 гпе Ноуа1 Яос1ету о1 Еопдоп, 190, 474 (1947)] *. а В сокращенном виде оаа помещена в конце атого выпуска, стр. 273.— Прил. рвд. Глаза И ТЕН ВОРЫ В 1. Хе««зот( т(олях(т«з!темоетп«« Ф !.Тсцзор ПО 1!ЦП! 'Ъ (' Ч(П' Г!! й 2. Ирсоорзж(зю:и! козни(вез т '1( ЗЗИРЗ ),уь!.(пп( зп,! зп( ргпп (!..!",!(ГПЕ 1(;(,ЮРЫ; тю!ззр ппсрцш! б!. Вскгзрп(н Ц)к!П.!З( Д(П( .. )!.Т( п:(ор ПЗПРП (З'ЦЗ:! (у)(пзо!П.( П11('П(ИЗ )!ЗП1'(1,*! )(. Четыре . !и р((,(й т("взор з(сзтрзмщ'и птц зг(! пвп(,!Зсз Уоо(1(о(!!(!!((,1 г.!.

! )вьш. )) О Ве(л 0)цз»; гл. 20 )зьп(, «Врз!ц( пз(. в п(вй'т(ю!!( !(з.- 2л! У фвзиков есть привычка брать простейшн(«( пример какого-то явления и называть его «физикой», а примеры посложнее отдавать на растерзание других наук, скажем прикладной май тематики, электротехники, химии или кристаллографии. Даже физика твердого тела для ниХ только «полуфизика», нбо ее волнует «лишкой' много специальных вопросов. По этой-то причине мы в наших лекциях откажемся от множества интересных вещей. Например, одно из важнейших свойств кристаллов и вообще большинства веществ — это то, что нх электрическая поляризуемость различна в разных направлей ниях.