Идеальный кристалл


Идеальный кристалл

Всем специалистам в области кристаллографии или физики твердого тела совершенно ясно, что в случае кристалла мы имеем дело с упорядоченным расположением в пространстве атомов или ионов. В некоторых случаях, например в кристаллах льда или отвержденных газов, речь может идти о молекулах. Для краткости далее будем говорить только об атомах, в том числе ионизированных (ионах), если не оговаривается что-нибудь другое.

Итак, кристалл — это упорядоченная в пространстве система атомов. Они расположены правильным образом и чаще всего так, чтобы максимально плотно заполнить объем пространства. Попытавшись расположить вплотную друг к другу стальные шарики от шарикоподшипника, мы получим вполне приличную модель кристаллического строения и быстро убедимся, что число способов, которыми можно разместить шарики, ограничено. В зависимости от того, как расположены относительно друг друга атомные ряды и атомные плоскости, могут быть получены разные типы кристаллов. В свою очередь тип расположения атомов определяется их взаимодействием между собой, природой связи между частицами.


Аккуратное разламывание кристаллов приводит к появлению необычных структур с интересными свойствами. Сначала появляются крупные области с положительным или отрицательным поверхностным зарядом, создающие мощное электрическое поле, а затем они переходят в лабиринты шириной всего в несколько атомов.

Идеальный кристалл

Многие свойства ионных кристаллов обусловлены их структурой на атомарном масштабе: положительно и отрицательно заряженные атомы притягиваются друг к другу и образуют прочную периодическую решетку. Однако на поверхности кристалла заряды должны быть скомпенсированы. «Если расщепить кристалл с кубической решеткой вдоль определенных направлений, то можно получить заряды только одного типа, — поясняет один из авторов работы Ульрих Дибольд из Венского университета. — Такая конфигурация крайне нестабильна». Потенциально такой слой мог бы на крошечном образце создавать поле с напряжением в миллионы вольт. Такую ситуацию ученые называют «поляризационной катастрофой».


В новом исследовании физики пытались понять, как именно атомы реорганизуются, чтобы не допустить поляризационной катастрофы. «Поверхность может по-разному измениться в ответ на разлом, — говорит первый автор статьи Мартин Сетвин. — Электроны могут начать накапливаться в определенных местах, кристаллическая решетка может исказиться или молекулы из воздуха могут налипнуть на поверхность, меняя ее свойства».

Ученые раскалывали кристаллы танталата калия KTaO3 при низких температурах и получали сколы, при которых половина атомов из слоя с одинаковыми зарядами оставалось на одном обломке, а вторая — на другом. Области с ионами одинакового заряда формировали «островки», хотя в среднем поверхность оказывалась нейтральной. «Тем не менее, островки достаточно велики, поэтому поляризационной катастрофы не удается полностью избежать — создаваемое ими поле настолько велико, что оно меняет свойства нижележащих слоев», — рассказал Сетвин.

Идеальный кристалл

При небольшом повышении температуры островки распались на лабиринт из ломаных линий, причем его «стены» были высотой всего в один атом и шириной в 4-5 атомов.


«Лабиритнообразные структуры не только прекрасны, но и потенциально полезны, — подытожил Дибольд. — Этот как раз то, что нужно — сильные электрические поля на атомном масштабе». Одним из возможных применений авторы называют проведение химических реакций, которые не проходят в других условиях, например, расщепление воды для получения водорода.

Основные свойства кристаллов – анизотропность, однородность, способность к самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления определяются их внутренним строением.

Анизотропность

Это свойство называется еще неравносвойственностью. Выражается она в том, что физические свойства кристаллов (твердость, прочность, теплопроводность, электропроводность, скорость распространения света) неодинаковы по разным направлениям. Частицы, образующие кристаллическую структуру по непараллельным направлениям, отстоят друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства кристаллического вещества по таким направлениям должны быть различными. Характерным примером вещества с ярко выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки этого минерала легко расщепляются лишь по плоскостям, параллельным его пластинчастости. В поперечных же направлениях расщепить пластинки слюды значительно труднее.

Идеальный кристалл


Анизотропность проявляется и в том, что при воздействии на кристалл какого-либо растворителя скорость химических реакций различна по различным направлениям. В результате каждый кристалл при растворении приобретает свои характерные формы, носящие название фигур вытравливания.

Аморфные вещества характеризуются изотропностью (равносвойственностью) – физические свойства по всем направлениям проявляются одинаково.

Однородность

Выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость и т.д. таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело.

Однородность присуща не только кристаллическим телам. Твердые аморфные образования также могут быть однородными. Но аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.

Идеальный кристалл

Способность к самоогранению


Способность к самоогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в соответствующей для его роста среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями. Эта особенность связана с кристаллической структурой. Стеклянный же шарик, например, такой особенностью не обладает.

Кристаллы одного и того же вещества могут отличаться друг от друга своей величиной, числом граней, ребер и формой граней. Это зависит от условий образования кристалла. При неравномерном росте кристаллы получаются сплющенными, вытянутыми и т.д. Неизменными остаются углы между соответственными гранями растущего кристалла. Эта особенность кристаллов известна как закон постоянства гранных углов. При этом величина и форма граней у различных кристаллов одного и того же вещества, расстояние между ними и даже их число могут меняться, но углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества остаются постоянными при одинаковых условиях давления и температуры.

Закон постоянства гранных углов было установлен в конце XVII века датским ученым Стено (1699) на кристаллах железного блеска и горного хрусталя, впоследствии этот закон был подтвержден М.В. Ломоносовым (1749) и французским ученым Роме де Лиллем (1783). Закон постоянства гранных углов получил название первого закона кристаллографии.

Закон постоянства гранных углов объясняется тем, что все кристаллы одного вещества тождественны по внутреннему строению, т.е. имеют одну и ту же структуру.


Идеальный кристалл

Согласно этому закону кристаллы определенного вещества характеризуются своими определенными углами. Поэтому измерением углов можно доказать принадлежность исследуемого кристалла к тому или иному веществу. На этом основан один из методов диагностики кристаллов.

Для измерения у кристаллов двугранных углов были изобретены специальные приборы – гониометры.

Постоянная температура плавления

Выражается в том, что при нагревании кристаллического тела температура повышается до определенного предела; при дальнейшем же нагревании вещество начинает плавиться, а температура некоторое время остается постоянной, так как все тепло идет на разрушение кристаллической решетки. Температура, при которой начинается плавление, называется температурой плавления.

Идеальный кристалл

Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют четко выраженной температуры плавления. На кривых охлаждения (или нагревания) кристаллических и аморфных веществ, можно видеть, что в первом случае имеются два резких перегиба, соответствующие началу и концу кристаллизации; в случае же охлаждения аморфного вещества мы имеем плавную кривую. По этому признаку легко отличить кристаллические вещества от аморфных.


Прочность кристаллов

Проблема прочности кристаллов была и остается одной из самых важных в современных технике. Дело в том, что широко используемые конструкционные материалы в большей части представляют собой сплавы железа (сталь), алюминия (силумин, дюралюминий), меди (латунь, бронза) и некоторых других металлов, и все они имеют кристаллическое строение. В случае металлов мы редко имеем дело с такими правильными и красивыми кристаллами, о которых шла речь раньше. Металлические сплавы имеют так называемое поликристаллическое строение, то есть состоят из отдельных зерен — кристаллов, несколько развернутых друг относительно друга.

Идеальный кристалл

Шаг за шагом человек переходил от менее прочного материала к более прочному, это вело к совершенствованию всей используемой техники и расширению ее возможностей. Сейчас в борьбе за прочность счет идет уже только на проценты; из технических материалов выжато практически все, что можно, и каждый последующий шаг дается со все большим трудом.


Лет двадцать назад казалось, что если научиться выращивать бездефектные кристаллы большого размера, то проблема прочности будет полностью решена, а расход металла в сотни раз сократится. К сожалению, эти надежды не сбылись. Вырастить идеальный кристалл большого размера или очень дорого, или невозможно. Только в таких областях, как радиоэлектроника, это можно себе позволить. Например, полупроводниковые кристаллы Ge и Si выращиваются практически бездефектными. Такими же являются и рубиновые кристаллы для лазеров. Что же касается конструкционных материалов, то здесь пока приходится достигать высоких значений прочности, идя традиционным путем.

Идеальный кристалл

И еще одно важное заключение. Оказывается, что многие физические свойства кристаллов, в первую очередь их прочность, определяются не идеальной кристаллической решеткой, а отклонениями от идеальности — дефектной структурой. Умелое использование таких пороков кристалла позволяет управлять его свойствами и приспосабливать их к разнообразным требованиям современной техники. Для физика или инженера дефекты являются очень важной составной частью кристалла, без которой он практически не может существовать. Но тема дефектов в кристаллах заслуживает более глубокого и всестороннего обсуждения, чем то, которое возможно в этой статье.


[источники]
Источники:
http://www.geolib.net/crystallography/vazhneyshie-svoystva-kristallov.html
https://indicator.ru/news/2018/02/02/labirinty-na-skolah-kristallov/?utm_source=indivk&utm_medium=social&utm_campaign=eta-zamyslovataya-struktura—ne-rezulta
http://biofile.ru/geo/3307.html

Это копия статьи, находящейся по адресу http://masterokblog.ru/?p=2285.

Источник: masterok.livejournal.com

Что такое идеальный и реальный кристалл

В вымышленном, идеализированном мире существует много интересных вещей. Идеальная работа, идеальная машина, идеальная одежда, идеальный вкус или абсолютное знание – всего этого не существует в реальном мире. Однако, для упрощения и понимания основ, порой необходимо представить себе все это.

Подобно этому различаются между собой идеальный и реальный кристаллы металлов. Под идеальным, подразумевается абсолютно бездефектный кристалл, в котором все атомы стоят на своих местах, нет никаких лишних элементах, структура четко периодична и не имеет перекосов. Этот кристалл лишь модель, которую используют для понимания законом и основ, в реальном мире в каждом кристалле есть те или иные дефекты. На практике мы всегда имеем дело именно с реальными кристаллами. Дефекты кристаллического строения металлов являются одним из видом дефектов металлов.


Дефекты кристаллической решетки

Выделяют несколько групп дефектов:

  • Точечные дефекты
  • Линейные дефекты
  • Двухмерные дефекты
  • Объемные дефекты

Точечные дефекты

К точечными дефектам относятся дефекты связанные с единичными атомами. Выделяют: вакансии, атомы замещения и атомы внедрения. Объяснить, что значит каждый из этих видов проще с помощью схемы изображенной на рисунке.

Схема точечных дефектов. Вакансии, атомы замещения, атомы внедрения
Рис. Точечные дефекты. а) идеальная решетка, б) вакансия, в) атом замещение, г) атом внедрения

На рисунке под буквой «а» изображена структура идеального кристалла. На рисунке «б» можете видеть отсутствие атома в одном из узлов, в связи с чем наблюдаются изменение положений ближайших атомов, такой вид дефекта называет вакансия. На рисунке «в» в узле атом одного элемента замещен атомом другого, такой вид деформации называется атомами замещения. И на последнем рисунке изображен атом внедрения, который устанавливается между узлами и тем самым создает сдвиг соседних атомов.

Линейные дефекты

Линейные дефекты по-другому называют одномерными. К линейным относятся дефекты длинны которых в одном из направлений значительно больше чем период решетки, а по остальным направлениям величина дефекта соизмерима с периодом. В случае кубической решетки период равняется расстоянию между соседними атомами. Примером линейного дефекта является дислокация.

Схема линейного дефекта - дислокации.
Рис. Линейный дефект – дислокация. а) идеальный кристалл, б) дислокация

Дислокация это дефект который образовывается из-за отсутствующей полуплоскости. На рисунке изображено плоское представление дислокация, чтобы понять почему этот дефект называется линейным мысленно продолжите этот рисунок за экран. В месте где обрывается одна из полуплоскостей образуется «туннель» это и есть дислокация.

Двухмерные дефекты

По аналогии с линейными дефектами двумерными называют дефекты у который в двух измерениях величина дефекта много больше чем период решетки а в одном направлении сравнимо с ним. К дефектам этого типа можно отнести зоны двойникования, границы зерен и другие.

Объемные дефекты

Объемные или трехмерные дефекты это дефекты, которые имеют величину гораздо больше периода решетки во всех направлениях. К этому типу можно отнести любые модификации трех предыдущих которые находятся близ друг друга тем самым образовывая один большой дефект.

Влияние дефектов кристаллической решетки на свойство материалов

Дефекты без сомнения оказывают сильное воздействие на свойства заголовки. Но далеко не всегда это нежелательные воздействия связанные с потерей материалом нужных характеристик. Часто кристаллическую решетку специально подвергают изменениям, чтобы добиться нужных свойств.

Точечные дефекты такие как атомы внедрения и атомы замещения используются для так называемого легирования, то есть подмешивание в состав материала примесей других элементов. Например, при легировании кремния фосфором можно получить полупроводник с n-типа , величина примеси будет также влиять на плавность p-n перехода. В противоположность этому легирование кремний бором даст полупроводник с n-типом проворности. Для получения качественной стали с высокими показателями долговечности железо легируют углеродом и марганцем.

Дислокация относящиеся к линейным дефектам позволяют увеличивать прочность материала однако при этом происходит потеря пластичности, но иногда именно это и требуется.

Определить величину дефектов проще сравнивая свойства эталона и измеряемого материала, однако скопления дефектов могут помочь определить вихретоковый или ультразвуковой дефектоскопы. Важно, что на сегодняшний день большинство дефектов можно определять и контролировать неразрушающим способом.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Источник: www.DeviceSearch.ru.com

2. Кристалл — это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения

своих атомов.
Кристаллами называются все твердые тела, в которых
слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены
строго закономерно наподобие узлов пространственных
решеток.
Ниже приводится схематическое изображение
кристаллических решеток поваренной соли и алмаза:

3. ВИДЫ И ТИПЫ КРИСТАЛЛОВ Идеальные кристаллы – это математическая абстракция, используемая учеными для описания свойств настоящих

кристаллов. Характерными признаками идеального кристалла
являются гладкие грани, строгий дальний порядок,
определенная симметрия кристаллической решетки и прочие
характерные для кристалла параметры.
Реальные кристаллы – это те кристаллы, с которыми мы
сталкиваемся в реальной жизни. Они имеют различные
примеси, которые могут понижать симметрию
кристаллической решетки, шероховатые грани, могут иметь
не правильную форму, дефекты оптических свойств (если
кристалл прозрачный). Но есть одно свойство, которое
присуще как идеальному, так и реальному кристаллам — это
дальний порядок, правило, по которому атомы располагаются
в кристаллической решетке.
Еще одним критерием деления кристаллов на виды является
их происхождение. По этому критерию кристаллы делятся на
природные (естественные) и искусственные (выращенные
человеком).

5. Примеры реальных кристаллов

Примеры
реальных кристаллов

6. Дефекты структуры реальных кристаллов

Классификация дефектов:
Идеальная периодичность структуры нарушается прежде всего тепловыми
колебаниями атомов и изменением электронной плотности. Амплитуда
колебаний тем больше, чем сильнее нагрето вещество. Так, при
температурах плавления она достигает 10–15% от междуатомных расстояний.
Увеличение амплитуды колебаний приводит к росту колебательной
составляющей энергии частиц за счет поглощения тепла и, как следствие, к
появлению так называемых структурных дефектов.
Дефекты классифицируют по геометрическому признаку (т. е. по числу
измерений, в которых нарушения структуры простираются на расстояния,
превышающие параметр решетки в данном направлении) на четыре группы:
точечные, линейные, поверхностные, объемные.
Точечные (нульмерные) дефекты
Линейные (одномерные) дефекты
Поверхностные (двухмерные) дефекты
Объемные (трехмерные) дефекты

7. Точечные (нульмерные) дефекты

Точечные (нульмерные) дефекты – нарушения
кристаллической структуры в изолированных друг
от друга точках, размеры которых по всем
координатам сравнимы с междуатомными
расстояниями. Это вакансии, атомы примесей,
междуузельные атомы, дефекты по Френкелю и по
Шоттки.

8. Линейные (одномерные) дефекты

• Линейные (одномерные) дефекты – нарушения
периодичности кристаллической структуры в одном
измерении, простирающиеся вдоль некоторой линии на
расстояние, сравнимое с размером кристалла. При этом
поперечный размер не превышает одного или нескольких
параметров решетки. К этой группе дефектов относятся
краевые и винтовые дислокации.

9. Поверхностные (двухмерные) дефекты

• Поверхностные (двухмерные) дефекты имеют
макроскопическую протяженность, соизмеримую с
размерами кристалла, одновременно в двух измерениях:
границы зерен (блоков), двойников, межфазные границы,
дефекты упаковки и внешние поверхности кристалла.

10. Объемные (трехмерные) дефекты

• Объемные (трехмерные) дефекты
макроскопического масштаба – трещины,
полости и включения инородной фазы.

11. Образование дефектов структуры кристаллов

• Дефекты возникают вследствие нарушения
правильности расположения частиц, которые в
свою очередь слагают структуру реальных
кристаллов. То есть любое отклонение от их
идеальной структуры ведет к дефектности в
кристаллах. Их разнообразие, а также
взаимодействие между собой приводит к
многообразию структурных несовершенств
кристалла.

12. Образование дефектов структуры кристаллов

Две основные причины возникновения дефектов в кристаллах.
Первая обусловлена тепловым движением частиц, формирующих
кристалл. С повышением температуры твердого тела энергия такого
движения растет, поэтому возрастает и вероятность образования
подобного рода дефектов, обычно называемых собственными или
тепловыми. Другой вид дефектов связан с наличием в структуре
вещества тех или иных примесей. Иначе, абсолютно химически
чистых веществ не существует. Однако влияние примесей на
свойства вещества может быть незначительным, и тогда их
присутствием пренебрегают. Когда присутствующие примеси
существенно изменяют свойства твердого тела, говорят о дефектах
химического состава кристалла или примесных дефектах.
Дефекты в кристаллах могут возникать и как следствие воздействия
на них внешних механических нагрузок. Так, при необратимом
растяжении кристалла наступает его пластическая деформация,
при которой в материале возникают плоскости скольжения с
наибольшим сдвигом. За счет механических нагрузок в кристалле
могут возникать трещины и другие макродефекты.

13. Типы дефектов

• 0-мерные (уровень отдельных частиц, влияние
оказывается на отдельные ряды или плоскости)
• 1-мерные (линейные дефекты, влияние
оказывается на отдельные плоскости или
границы объемов всего кристалла)
• 2-мерные (плоскостные дефекты, границы
объемов с разными свойствами)
• 3-мерные (отдельные макроскопические
дефекты объема)

14. 0-мерные

• Вакансия — Отсутствие частицы на положенном месте
решетки
• Междоузельная частица — Присутствие частицы
собственного вещества в пустом пространстве между
узлами
• Дефект по Френкелю — Перемещение собственной
частицы из узла в междоузельное пространство решетки
• Дефект по Шоттки — Перемещение пары разноименно
заряженных собственных частиц из узлов без образования
междоузельной дислокации (в ионных соединениях)
• Примесь замещения — Частица примесного вещества
заменила частицу собственного вещества в узле решетки
• Примесь внедрения — Частица примесного вещества
попала в пространство между узлами решетки

15. 1-мерные

• Продольная дислокация — Отсутствие части
плоскости, ее место огибается соседними
плоскостями
• Винтовая дислокация — Частичный сдвиг
плоскостей в продольном направлении при
сохранении связи между ними
• Дисклинация — Вклинивание дополнительной
части решетки, приводит к скручиванию
плоскостей в конусы

16. 2-мерные

Границы зерен — Поверхность столкновения множества зон роста с
различным взаимным положением решеток, решетки не соединены
Перегиб — Множество продольных дислокаций в пределах нескольких
соседних плоскостей
Кручение — Множество винтовых дислокаций в пределах нескольких
соседних плоскостей
Дефект упаковки — Множество вакансий в одной плоскости, приводит
к нарушению порядка следования слоев, иногда частичному
Двойниковая граница — Поверхность столкновения зон роста с
зеркально-симметричным положением решеток, решетки
объединены перешейком или общими частицами
Межфазная граница — Поверхность столкновения зон роста с
обратным порядком расположения частиц или слоев, решетки не
соединены
"Ступеньки" — Появление над ровным поверхностным слоем
кристалла дополнительного, имеющего меньшую площадь

17. 3-мерные

• Трещины — Разрыв решетки в больших
масштабах
• Поры — Локальный разрыв решетки
• Включения — Внедрение пузырьков и
макроскопических примесей

18. Влияние дефектов

• Присутствие любых дефектов приводит к увеличению
энергии решетки по сравнению с идеальной. На
макроуровне такие изменения могут иметь совершенно
необычные последствия.
• Дисклокации и дисклинации увеличивают хрупкость
материала при кратковременном сильном воздействии,
но в то же время придают ему твердость и способность
выдерживать длительные нагрузки. Присутствие
макропримесей дает обратный эффект.
• Примеси внедрения и вакансии сильно влияют на
электрическую и магнитную проницаемости вещества,
поляризационные свойства, вызывают появление окраски,
явления сегнето-, пьезо- и пироэлектричества. Например,
примеси некоторых веществ превращают кремний в
полупроводник, а кристаллы прозрачного корунда — в
рубины и сапфиры.

Источник: en.ppt-online.org


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.