| 8695912 9216 5224 943 1ны друг с другом путём трансляции, образуют Браве решётку. Их существует 14 типов. По симметрии Браве решётки делятся на 7 кристаллич. сингоний. Кроме того, кристаллич. решётка может обладать осями и плоскостями симметрии, зеркально-поворотными и винтовыми осями и плоскостями зеркального скольжения. Совокупность осей и плоскостей симметрии, определяющая симметрию физ. свойств кристаллов, наз. кристаллич. классом; их 32. Совокупность всех элементов симметрии кристаллич. решётки наз. её пространственной группой. Всего возможно 230 различных пространственных групп. Если учесть магнитные свойства атомов, составляющих кристаллич. решётку, то число возможных магнитных пространственных групп увеличится до 1651 (см. Симметрия кристаллов).
Структура реального кристалла. Хотя монокристаллы большого размера в природе встречаются редко, они всё чаще используются в технике. Выращивают их искусственно (см. Синтетические кристаллы). Применяемые на практике конструкционные материалы, как правило,- поликристаллы, состоящие из огромного числа мелких монокристаллов (кристаллич. зёрен). Многие свойства Т. т. (напр., пластичность, прочность) зависят от величины зёрен. При хаотич. ориентации кристаллич. зёрен поликристалл можно считать изотропным телом, хотя каждый кристалл в отдельности анизотропен. В нек-рых поликристаллах возникает анизотропия, связанная с условиями их кристаллизации и обработки (ориентированный рост, прокатка, ковка); она наз. текстурой.
Границы зёрен нарушают строгую периодичность в расположении атомов в кристалле. Однако это - не единственные дефекты в кристаллах. Дефектами являются микроскопич. включения (в частности, зародыши др. кристаллич. модификации, пустоты и т. п.), сама поверхность образца, чужеродные примесные атомы, вакансии, атомы в междоузлиях, дислокации и т. д. Наличие или отсутствие тех или др. дефектов во многих случаях определяет т. н. структурночувствительные свойства Т. т.: механические (прочность, пластичность), электропроводность, оптические и др. (см. ниже).
Межатомные связи. По типам связей Т. т. делят на 5 классов, каждый из к-рых характеризуется своеобразным пространств, распределением электронов (табл. 1). 1) В ионных кристаллах (NaCl, KC1 и др.) осн. силы, действующие между ионами,- силы электростатич. притяжения. Распределение электронного заряда вблизи каждого иона близко к сферическому и слегка нарушается в области соприкосновения соседних ионов. 2) В кристаллах с ковалентной связью валентные электроны обобществлены соседними атомами. Кристалл по существу представляет собой огромную молекулу. Этот тип характеризуется высокой электронной плотностью между ионами и резкой направленностью связей. Примеры кристаллов с ковалентной связью: алмаз, Ge, Si. 3) У большинства металлов (напр., щелочных) энергию связи обусловливают электроны
Табл. 1. - Классификация кристаллов по типам связей
Тип кристалла
Пример
Энергия связи*, ккал/моль
Характерные свойства
Ионный
Nad
180-220
Отражение и поглощение света в инфракрасной области; малая электропроводность при низких темп-pax; хорошая ионная проводимость при высоких темп-рах
Атомный (с ковалентной связью)
С (алмаз), Ge, Si
170-283
Высокая твёрдость (у чистых образцов), слабая проводимость при низких темп-рах
Металлический
Си, А1
26-96
Высокая электропроводность
Молекулярный
Ar, CH,
1,8
Низкие точки плавления и кипения, сильная сжимаемость
С водородными связями
Н2О (лёд) H2F
3-10
Тенденция к полимеризации; энергия связи между молекулами больше, чем у аналогичных молекул без водородных связей
* Для кристаллов первых двух типов энергия связи определена при 300 К; для молекулярных кристаллов и кристаллов с водородными связями - в точке плавления. Иногда мерой энергии связи служит энергия (на одну частицу), к-рую надо затратить, чтобы, нагревая Т. т. от ОК, расщепить его на невзаимодействующие атомы или ионы.
проводимости; металл можно представлять как решётку из положит, ионов, погружённую в электронную жидкость (м е т а л л и ч. связь). У нек-рых металлов (напр., переходных) важна также ковалентная связь, осуществляемая электронами незаполненных внутр. оболочек. 4) В молекулярных кристаллах (напр., в отвердевших инертных газах) молекулы связаны слабыми электростатич. силами (силы Ван-дерВаальса), обусловленными взаимной поляризацией молекул. Для всех молекулярных кристаллов характерна слабая связь; они имеют низкую точку плавления и заметно сублимируют. В большинстве органич. кристаллов молекулы связаны силами Ван-дер-Ваальса (см. Межмолекулярное взаимодействие). 5) В кристаллах с водородными связями каждый атом водорода связан силами притяжения одновременно с двумя др. атомами. Водородная связь - основная форма взаимодействия между молекулами воды. Водородная связь вместе с электростатическим притяжением дипольных моментов молекул Н2О определяет свойства воды и льда. Следует отметить, что классификация Т. т. по типам связи условна. Во многих веществах наблюдаются комбинации различных типов связи.
Природа сил связи в Т. т. получила объяснение только после привлечения квантовой механики, хотя источником сил, действующих между атомными частицами, в Т. т. служат электростатическое притяжение и отталкивание. Образование из атомов и молекул устойчивых Т. т. показывает, что силы притяжения на расстояниях ~ 10~8 -см уравновешиваются силами отталкивания, быстро спадающими с расстоянием. Это даёт возможность в ряде случаев рассматривать атомные частицы как твёрдые шары и характеризовать их кристаллохимическими радиусами (см. Кристаллохимия).
Для описания энергии U Т. т. как функции среднего расстояния r между частицами часто пользуются формулой Ленарда - Джонса:
[25G-11.jpg]
в к-рой первое слагаемое описывает энергию притяжения, а второе - отталкивания; здесь а - среднее межатомное расстояние в нормальных условиях, я зависит от типа связи, напр, в ионных кристаллах n= 1, а в молекулярных n = 6; т~9-11. Энергия имеет минимум, равный Uo при r = а. Выражая r через удельный объём V (r ~ V3), получаем уравнение состояния Т.т. зависимость давления
[25G-12.jpg]
от удельного объёма. Такой подход связывает экспериментально измеряемые величины (энергию связи, сжимаемость и др.) друг с другом и с величинами, входящими в выражение для силы, действующей между частицами.
[25G-13.jpg]
Теоретич. методы позволяют, исходя из "первых принципов", рассчитать кристаллич. структуру, уравнение состояния, тепловые свойства Т. т. в широком интервале темп-р. Теоретич. данные хорошо согласуются с экспериментом для ионных и молекулярных кристаллов. Для ковалентных кристаллов и металлов необходим учёт непарного характера сил, действующих между частицами.
Механические свойства Т. т. (реакции на внешние механич. воздействия -сжатие, растяжение, изгиб, удар и т. д.) определяются силами связи между его структурными частицами. Многообразие этих сил приводит к разнообразию механич. свойств: одни Т. т. пластичны, другие хрупки.
Табл. 2. - Механические характеристики идеальных и реальных металлических кристаллов
Предел прочности, кгс/мм-
Упругая деформация,
%
Пластнч. деформация,
%
Идеальный кристалл
(1,5- 2) 103
1-5
0
Реальные кристаллы
0,1-1
10-2
От десятков до сотен %
Специально термомеханически обработанные или нитевидные кристаллы
(0, 5-1. 4) 103
0,5-2
1
Обычно металлы, в к-рых силы связи определяются коллективным действием электронов проводимости, более пластичны, чем диэлектрики; напр., деформация Си при комнатной темп-ре в момент разрыва достигает неск. десятков %, a NaCl разрушается почти без деформации (хрупкость). Механич. характеристики изменяются с темп-рой, напр. с повышением темп-ры пластичность обычно увеличивается. У |
