ЛЕКЦИЯ № 17 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ

ЛЕКЦИЯ № 17
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА.
ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ
Твердым телом называется агрегатное состояние вещества, характеризующееся постоянством формы и объема, причем тепловые движения частиц в нем
представляют собой хаотические колебания частиц относительно положений равновесия. Твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные.
Кристаллические тела – это твердые тела, обладающие пространственной
периодичностью в расположении одного и того же элемента структуры (атома,
группы атомов, молекулы, иона и т. п.), т. е. характеризуются наличием дальнего
порядка.
Кристаллы имеют внешне правильную геометрическую форму и периодически повторяющееся на протяжении всего кристалла расположение составляющих его частиц (атомов или молекул). Все атомы размещаются в узлах геометрически правильной пространственной решѐтки называемой кристаллической решёткой. Наименьший структурный элемент решѐтки элементарная кристаллическая ячейка – это объѐм твѐрдого тела, из которого путѐм бесконечного числа
трансляций (перемещений без поворота) в трѐх направлениях может построить
весь кристалл. Закономерности строения элементарной ячейки определяют многие свойства кристалла, в первую очередь электрические, магнитные и механические.
Каждая частица в кристаллической решѐтке испытывает силы межмолекулярного взаимодействия. Равновесное, наиболее устойчивое расположение частиц
соответствует минимуму свободной энергии, при этом частицы в узлах решѐтки
располагаются на некоторых равновесных расстояниях друг от друга называемых
периодом кристаллической решётки (а, b, с), отметим, что кристаллические
решѐтки могут обладать различными видами симметрии.
Существует 7 кристаллографических систем: триклинная, ромбическая, моноклинная, тетрагональная, ромбоэдрическая, гексагональная, кубическая, отличающиеся параметрами элементарных ячеек(a, b, c, , , γ), включающих 32 кристаллических класса.
Зависимость физических свойств (упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических) кристаллов от направления, называется анизотропией. Анизотропия кристаллов обусловлена тем, что плотность расположения частиц по разным направлениям не одинакова.
Кристаллическое тело, состоящее из единственного кристалла, называется
монокристаллом. Если твердое тело состоит из множества беспорядочно ориентированных кристаллических зерен, то оно является поликристаллом. В поликристаллах анизотропия наблюдается только для отдельных кристаллов.
Твердые некристаллические тела, характеризующиеся отсутствием точки
плавления, физические свойства которых одинаковы по всем направлениям (изотропны), называются аморфными. В аморфных телах атомы колеблются вокруг
хаотически расположенных точек, отсутствует дальний порядок. Для аморфных
тел характерна согласованность в расположении соседних частиц на расстояниях,
сравнимых с размерами частиц (так называемый ближний порядок).
Органические аморфные тела, молекулы которых состоят из большого числа одинаковых длинных молекулярных цепочек, соединенных химическими связями, называются полимерами (например, каучук, полиэтилен, резина).
Типы кристаллов. В зависимости от рода частиц, расположенных в узлах
кристаллической решетки, и характера сил взаимодействия между ними кристаллы подразделяются на четыре типа:
1. Ионные кристаллы – в узлах кристаллической решетки располагаются положительные и отрицательные ионы. Пример ионного кристалла – кристалл NaCl, состоящий из
одноатомных ионов. Ионы Na+ и ионы Cl– образуют две одинаковые гранецентрированные кубические решетки, вложенные друг в друга, (рис. 1. Модель кристалла NaCl ).
Рис.1.
Связь, обусловленная кулоновскими силами притяжения между разноименно заряженными ионами, называется ионной.
2. Атомные кристаллы – в узлах кристаллической решетки располагаются
нейтральные атомы, удерживающиеся в узлах решетки ковалентными связями
квантово-механического происхождения (у соседних атомов обобществляются
валентные электроны, наименее связанные с атомом). Пример атомных кристаллов – алмаз и графит. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя такими
же атомами, которые располагаются на одинаковых расстояниях от него в вершинах тетраэдра. В графите атомы углерода упакованы в плоские слои, связанные
между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, имеющими ту же природу,
что и силы притяжения между молекулами, которые приводят к отклонению газов
от идеальности.
3. Металлические кристаллы – в узлах кристаллической решетки располагаются положительные ионы. При образовании кристаллической решетки валентные электроны отделяются от атомов и коллективизируются: они уже принадлежат не одному атому, как в случае ионной связи, и не паре соседних атомов,
как в случае ковалентной связи, а всему кристаллу в целом.
4. Молекулярные кристаллы – в узлах кристаллической решетки располагаются нейтральные молекулы вещества, Ван-дер-Ваальсовы силы взаимодействия между которыми обусловлены незначительным взаимным смещением электронов в электронных оболочках атомов. Примеры молекулярных кристаллов –
органические соединения (например парафин), инертные газы (Ne, Ar, Kr, Хе) и
атмосферные газы СО2, О2, N2 в твердом состоянии, лед и т. д.
2
Кристаллы (монокристаллы, зерна в поликристаллах) в действительности
содержат несовершенства (дефекты) кристаллического строения. Дефекты в кристаллах делятся на макроскопические, возникающие в процессе образования и роста кристаллов (например, трещины, поры, инородные макроскопические включения), и микроскопические, обусловленные микроскопическими отклонениями
от периодичности. По характеру измерения дефектов в пространстве выделяют
точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и
объемные (трехмерные) дефекты. Например, поперечные размеры линейных дефектов в кристаллах не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина
может достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации
– линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое расположение атомных плоскостей кристалла
3