Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 37

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 37)

Чаще всего металлы встречаются в виде поли- кристаллов. Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решетки располагаются нейтральные молекулы вещества, силы взаимодействия между которыми обусловлены незначительным взаимным смещением электронов в электронных оболочках атомов.

Эти силы называются ван-дервавльсовыми, так как оии имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящими к отклонению газов от идеальности. Молекулярными кристаллами являются, например, большинство органических соединений (парафин, спирт, резина и т, д.), инертные газы (Ь)е, Аг, Кг, Хе) и газы СОт, Ов, )х)т в твердом состоянии, лед, а также кристаллы брома Вгъ иода 1ь Ван-дер-ваальсовы силы довольно слабые, поэтому молекулярные кристаллы легко деформируются. В некоторых твердых телах одновременно может осуществляться несколько видов связи. Примером этому служит графит (гексагональная решетка).

Решетка графита (рис. 105) состоит из ряда параллельных плоскостей, в которых атомы углерода расположены в вершинах пра- вильных шестиугольников. Расстояние между плоскостямн более чем в два раза превышает расстояние между атомами шестиугольника. Плоские слои связаны друг с другом ван.дер-ваальсовыми силами. В пределах слоя три валентных электрона каждого атома углерода образуют ковалентную связь с соседними атомами углерода, а четвертый электрон, оставаясь «свободным», коллектнвизируется, но не во всей решетке, как в случае металлов, а в пределах одного слоя.

Таким образом, в данном случае осуществляется три вида связи: гомеополярная и металлическая— в пределах одного слоя; ван-дер-ваальсова — между слоями. Этим объясняется мягкость графита, тан как его слои могут скользить друг относительно друга.

Различие в строении кристаллических решеток двух разновидностей углерода— графита и алмаза - — объясняет различие в их физических свойствах; мягкость графита и твердость алмаза; графит — проводник электричества, алмаз — диэлектрик (нет свободных электронов) и т. д. Расположение атомов в кристаллах характеризуется также координационным числом — числом ближайших однотипных с данным атомом соседних атомов в кристаллической решетке нли молекул в молекулярных кристаллах.

Для модельного изображения кристаллических структур из атомов и ионов пользуютси системой плотной упановки шаров. Рассматривая простейший случай плотной упаковки шаров одинакового радиуса на плоскости, приходим к двум способам их расположения (рис. 106, а, б). Правая упаковка является более плотной, так как при равном числе шаров площадь ромба со стороной, равной стороне квадрата, меньше площади квадрата. Как видно из рисунка, 1 за с1 сччс .«о ьсшсн,1ссьи ~ ~ Т ~ Рис. 107 Рис. 1ОН Рис.

1ОЧ Рнс. 11О различие в упаковках сводитсн к различию координационных чисел в левой упаковке координационное число равно 4, в правой -- 6, Т,е. чем плотнее упаковка, тем больше координационное число. Рассмотрим, при каких условиях плотная упаковка шаров в постранстие может соответствовать той или иной кристаллической структуре, приводимой раисе.

На. чнем строить решетку со слоя шаров, представленных иа рис. 106, б Для упро1цения дальнейших рассуждений спроецируем центры шаров на плоскость, иа которой они лежат, обозначив их серыми кружками (рис. 107). На эту же плоскость спроецируем центры прскветов между ша- рами, которые обозначены на рис. !07 соответственно зелеными кружками и крестиками.

Любой плотнаупакованный слой будем называть слоем А, если центры его шаров расположены над серыми кружками, слоем Н вЂ” если над зелеными кружками, слоем С вЂ” если над крестиками. Над слоем А уложим второй плотноупакованный слой так, чтобы каждый шар этого слоя лежал на трех шарах первого слон. Это можно сделать двояко: взять в качестве второго слоя либо В, либо С. Третий слой можно опять уложить двояко и т.

д. Итак, плотную упаковку можно описать квк последовательность АВСВЛС.„в которой не могут стоять рядом слои, обозначенные одинаковыми буквами. Из множества возможных комбинаций в кристаллографии реальное значение имеют два типа упаковки: 1) двухслойная упаковка АВЛВАВ... гексагональная платноупакованная структура (рис. !08); 2) трехслойная упаковка АВСАНС...— кубическая гранецентрированная структура (рис.

!09). Н обеих решетках координационное число равно !2 и плотнскть упаковки одинакова — атомы занимают 74 аа об!него об ьема кристалла. Координационное число, соответствуюшсе кубической обьемно цеитрированнай решетке, равно 8, решетке алмаза (см. рис. !04) равно 4. Кроме лвух- и трехслойных упаковок можно построить многослойные с большим периодом повторяемости одинаковых слоев, например АВСВАСАВСВАС...— шестислойная упаковка. Сушествует модификация карбида 6(С с периодом повторяемости 6, !5 и 243 слоя.

Если кристалл пас~раен из атомов различных элементов, то его можно представить в виде плотной упаковки шараа разных размеров. На рис. !10 приведено мо- 1 л л н а 1о Р ...нагл ыыьс ".и ыо 1н н тш ьп,с о « 121 а) Рнг дельное изображение кристалла поваренной соли.

Крупные ионы хлора (г= =181 пм) образуют плотную трехслойную упаковку, у которой большие пустоты заполнены меньшими по размеру ионами натрия (гс-98 пм). Каждый нон (х)а окружен шестью ионами С!, и, наоборот, каждый ион С! — шестью ионами Ма. $ 72. Дефекты я кристаллах Рассмотренные в $71 идеальные кристаллические структуры существуют лишь в очень малых объемах реальных кристаллов, в которых всегда имеются отклонения от упорядоченного расположения частиц в узлах решетки, называемые дефектамн кристаллической решетки. Дефекты делятся на макроскопические, возникающие в процессе образования и роста кристаллов (например,трещины, поры, инородные макроскопические включения], и микроскопические, обусловленные микроскопическими отклонениями от периодичности.

Микродефекты делятся иа точечные и линейные. Точечные дефекты бывают трех типов; 1) вакансия — отсутствие атома в узле кристаллической решетки (рис. 111, а); 2) междоузельный атом — атом, внедрившийся в междоузельное пргктраиство (рис. 111, б); 3) примесный атом— атом примеси, либо замещающий атом основного вещества в кристаллической решетке (примесь замещения, рис, ! 11, и), либо внедрившийся в междоузельное пространство (примесь внедрения, рис. 111, б; только в междоузлии вместо атома основного вещества располагается атом примеси).

Точечные дефекты нарушают лишь ближний порядок в кристаллах, ие затрагивая дал~него порядка,-- в этом состоит их характерная особенность. б) 4 ! 1! Динейные дефекты нарушакгт дальний порядок. Как следует из опытов, механические свойства кристаллов в значительной степени определяются дефектами особого вида — дислокациями. Дислокации — линейные дефекты, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей. Дислокации бывают краевые и винтовые. Если одна из атомных плоскостей обрывается внутри «ристалла, то край этой плоскости образует краевую дислока. цию (рис.

112, а). В случае винтовой дислокации (рис. 1!2, б) ни одна нз атом. ных плоскостей внутри кристалла ие обрывается, а сами плгн:кости лишь приблизи. тельно параллельны и смыкаются друг с другом так, что фактически кристалл состоит из одной атомной плоскости, изогнутой по винтовой поверхности. Плотность дислокаций (число дислокаций, приходящихся на единицу площади поверхности кристалла) для совершенных монокристаллов составляет 10 — 10 см х 3 -х для деформированных кристаллов— !О'~ — 10" см '.

Дислокации никогда не обрываются, они либо выходят на поверхность, либо разветвляются, поэтому в реальном кристалле образуются плоские или пространственные сетки дислокаций. Дислокации и их движение можно наблюдать с помощью электронного микроскопа, а также методом избирательного травле. нив — в местах выхода дислокации на поверхность возникакж ямки травления (ин- !Пи 112 122 2. Основы чолекуккрнок! Рикико и ~ерм хоошмо~ и теисннное разрушение кристалла под действием реагента), «проявляющие» дислокации.

Наличие дефектов в кристаллической структуре влияет на свойства кристаллов, анализ которых проведем ниже. З 73. Теплоемкость твердых тел В качестве модели твердого тела рассмотрим правильно построенную кристаллическую решетку, в узлах которой частицы (атомы, ионы, молекулы), принимаемые за материальные точки, колеблются около своих положении равновесия — узлов решетки — в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Таким образом, каждой составляющей кристаллическук1 решетку частице приписывается три колебательных степени свободы, каждая из которых, согласно закону равнораспределения энергии по степеням свободы (см.

й 50), обладает энергией йТ. Внутренняя энергия моля твердого тела !/ = ЗН„ДТ =Зйт, где о/х — постоянная Авогадро; Д!хв=)! ()7 -- молярная газовая постоянная). Молярная теплоемкость твердого тела <!и Сг — — — — З)7 яэ25 /(ж/(моль К), 47 (73.! ) т. е. малярная (атомная) теплоемкость химически простых тел в кристаллическом состоянии одинакова (равна 3)х) н не зависит от температуры. Этот закон был эмпирически получен французскими учеными П.

Характеристики

Список файлов книги