yavor1 (553178), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Часто эти блоки оказываются несколько повернутыми друг относительно друга, что изображено на рис. 32.7. Рис. 32.7. Рис. 32.6. 4. Нарушения дальнего порядка возможны и в том случае, если узловая точка окажется заполненной чужеродным атомом (рис. 32.8) или вакантной (рис. 32.9), а также если чужеродный атом внедрится между линиями узлов (рис. 32.10). Такие дефекты могут Рис.
32 9. Рис. 32!О Рис. 32 8. возникнуть как в месте возникновения дислокации, где они часто и являются причиной этого рода дефекта, так и внутри блока. Наличие дефектов в кристалле сильно влияет на его свойства. Так, примеси в кристаллической решетке германия или кремния, составляющие всего лишь 0,1%, практически никак не влияют на 312 структуру кристалла, но очень существенно — в тысячи раз— меняют его сопротивление. Причина этого явления будет рассмогрена в гл. 77. В последующих параграфах мы рассмотрим, как влияют дефекты кристалла иа некоторые его тепловые и механические свойства.
$ 32.5. Движение дефектов и диффузия 1. Опыт показывает, что при длительном контакте двух твердых тел они диффундируют друг в друга. Особенно удобно следить за явлением диффузии в твердых телах с помощью «меченых атомо⻠— радиоактивных изотопов данного вещества. Между тем нетрудно убедиться, что в идеальном кристалле диффузия почти невозможна. В идеальном кристалле все узловые точки заняты «своими» атомами, поэтому внедрение «чужеродного» атома в узловую точку должно сопровождаться значительной работой по вырыванию атома из узла, на что обычно энергии не хватает. Внедрение жс чужеродного атома между узлами решетки также требует значительной энергии, ибо нужно «раздвинуть» соседей и преодолеть возникающие при этом весьма значительные силы отталкивания.
2. Совершенно иначе обстоит дело в реальном кристалле. Наличие дефектов типа дислокаций или вакансий в существенной мере облегчает процесс внедрения в кристалл чужеродных атомов. Эти атомы могут попасть либо в вакансию, либо в область простой или спиральной дислокации, причем энергии теплового движения оказывается вполне достаточно, чтобы атом мог попасть в дефектную область. Аналогично обстоит дело и с дефектом типа замещения (см. рис. 32.8). Здесь при достаточно высокой температуре вполне вероятен процесс, при котором чужеродный атом и атом основного вещества меняются местами, что и приведет к перемещению чужеродного атома по кристаллу.
Итак, процесс диффузии в кристалле сводится к движению дефектов в решетке. Естественно, что чем более дефектна решетка, тем вероятнее диффузия. В частности, в поликристаллах при прочих равных условиях диффузия идет значительно быстрее, чем в моно- кристаллах. 3. Опыт показывает, что при повышении температуры кристалла диффузия ускоряется. Дело в том, что по мере роста температуры молекулы начинают более интенсивно колебаться, средние расстояния между ними возрастают, и при удачном перемещении двух соседних атомов или молекул в противоположных направлениях третий атом может как бы «протолкнуться» между ними, заняв новое место в решетке. Этим объясняется и принципиальная возможность диффузии в идеальном кристалле, хотя ее вероятность мала.
Тем более высокая температура будет способствовать диффузии в кристалле с дефектами. 31з аз 32,б. Движение Дислокаций н дефоРмациа "Ристалла 1. Опыт показывает, что любые, даже у ру п гие, а тем более пла- мации кристалла связаны с перемещением сдаигом) блоков кристалла друг относительно шую р роль играет движение дислокаций, //ллсллс//з сгллзжл////л Рнс. 32.11.
//ЛЛЛЛЛСЛ1 с/жл7ьжюжл Рнс. 30.12. Рассмотрим механиз е анизм деформации сдвига в бездефектном кри- в к исталле с простой дислокацией. сталле и в кри ызвать сдвиг кристаллической ре- плоскости АВ идеального кристалла. Нам им что мы хотим выз придется передвинуть за один прием все авное произведению силы сцепприложи ть значительное усилие, равно бщее число соприкасающихся атоления между двумя атомами иа о щее грани ей раздела асположено ядро простой дислокации слои 3 4 и 5 ~рактттески ~ю(рис. ,32.12).
Здесь под действием силы слои, и 3И щаъься не будут, слой 2 сместится на половину расстояння между узлами и встанет на свое «естественное» место против узла 3'. И только слою 1 придется переместиться на полное расстояние между узламя, н то после того, как слой 2 уже сдвинется н перемещению первого слоя будет мешать только притяжение к слою 1', но не отталкивание слоя 2. Как показывает расчет, здесь на сдвиг потребуется усилие.
примерно в сто раз меньшее, чем при отсутствии дислокаций. 3. Как мы убедились, при деформации кристалла частично увеличивается порядок в расположении атомных плоскестей н уменьшается число простых дислвкаций. Отсюда следует, что по мере того как кристалл подвергается дефермацням, его пречность должна возрастать. Опыт пеказывает, что действительно такие деформации, как ковка, прокат н т. п., приввдят к упрвчнению материала, но далеко не в сто раэ, как этв следует из теории. Оказывается, что здесь важную роль играют спиральные дислокации, которые далеко не всегда исчезают прн дефврмациях. 4.
Пречнесть кристаллов резко понижается за счет трещин, возникающих на его поверхности, по-вндимому, в месте выхода дислокаций. Эти трещины снижают првчность на разрыв. Например, для кристаллов каменней соли разрывное напряжение падает с теоретическего значения порядка 2 10' Па до 4,5 10' Пе, т. е. примерно в 450 раз; для монокрнсталла цинка — с 2 10" Па до 5 10' Па н т. п. Это подтвердили опыты акад.
А. Ф. Иоффе. Он показал, что если все время растворять поверхность кристалла, снимая тем самым возникающие трещины и другие поверхностные дефекты, то прочность образца возрастает. Так, производя растяжение кристалла каменной соли в горячей воде, он наблюдал разрыв прн напряжениях примерно (1,5 — 1,6) 1О' Па, что весьма близко к теоретическому значению.
ГЛАВА 33 ПЛОТНАЯ УПАКОВКА ЧАСТИЦ й 33.1. Типы кристаллкческих связей 1. До снх пор мы рассматривали в основном геометрические характеристики кристалла, не вникая нн в природу частиц, образующих кристалл, ни в характер снл, удерживающих эти частицы на определенных расстояниях друг от друга. Между тем именно анализ физической природы этих сил позволяет понять как геометрию кристаллических решеток, так н различие в свойствах различных типов кристаллов. С точки зрения сил, действующих между частицами, образующимн кристаллы, их можно условно разбить на четыре типа: ионные, атомные, молекулярные и лмаалличеокие кристаллы. Ниже будет дан анализ характерных свойств этих тнпов кристаллов.
Но предварительно мы должны сделать следующее замечание. Как уже говорилось, условием устойчивого состояния любой системы частиц является минимальное значение ее энергии в данных условиях (см, Ц 19.5, 19.6). Это полностью относится к системе молекул, атомов или ионов, образующих кристалл: частицы расположатся на таких расстояниях друг от друга, чтобы их энергия была минимальной,— иными словами, на расстояниях, где сила притяжения равна силе отталкивания. 2.
Ионныа кристаллы. К их числу относится большинство неорганических соединений, например соли. В пространственной решетке этих кристаллов размещаются поочередно ионы противоположных знаков. Механизм образования ионного кристалла объясним на примере поваренной соли ХаС!. Атом натрия легко теряет один электрон, который присоединяется к атому хлора. Так возникают два иона с противоположными по знаку электрическими зарядами. Образовавшиеся ионы имеют сферически симметричное электрическое поле, вследствие чего силы кулоновского притяжения, возникающие между ними, имеют одинаковую величину в любом направлении. Это позволяет рассматривать структуру ионного кристалла как систему шариков определенного радиуса, плотно упакованных в некоторую .пространственную решетку.
Центры этих шаров располагаются на таком расстоянии, чтобы энергия взаимодействия ионов была минимальной,— иными словами, чтобы сила притяжения уравновешивалась силами озталкивания. 3. Атомные кристалльь Пространственная решетка в кристаллах данного типа образуется путем плотной упаковки атомов, чаще всего одинаковых. При взаимодействии одинаковых атомов ионы не образуются. Типичными примерами таких кристаллов являются алмаз и графит — два разных состояния углерода, а также некоторые неорганические соединения (серннстый цинк ХпЯ, окись бериллия ВеО и т.
и.). Атомы, расположенные в пространственной решетке, связаны ковалентными (ииаче — гомеополярными) силами квантовомеханического происхождения. Эти силы имеют резко выраженную пространственную направленность, вследствие чего взаимодействие между атомами будет зависеть от характера их ориентации друг относительно друга. Поэтому геометрию кристалла данного типа нельзя получить из анализа характера упаковки шаров. ч1. Молекулярные кристаллы. К ним относится ряд неорганических, а также большинство органических соединений, у которых в процессе кристаллизации молекулы сохраняют свою индивидуальность. В узлах кристаллической решетки здесь находятся молекулы. Примерами могут служить кристаллы брома Вг„йода )ь сухого льда — твердой углекислоты СО„а также нафталина, парафинов, жирных кислот и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
