Федеральное агентство по образованию Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

В.Р. Бараз, в.П. Левченко, а.А. Повзнер

Строение и физические свойства кристаллов

Учебное пособие Научный редактор - проф., д-р физ.-мат. наук Сидоренко Ф.А.

Екатеринбург УГТУ-УПИ 2009

УДК 548.4 /620.18. 22.37

Рецензенты: д-р физ.-мат.наук И. Г. Коршунов (Уральский государственный горный университет); канд. физ.-мат. наук, доц. О.А. Чикова (Уральский государственный педагогический университет)

Бараз В.Р., Левченко В.П., Повзнер А.А.

СТРОЕНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ: учебное пособие / В.Р .Бараз, В.П. Левченко, А.А. Повзнер. Екатеринбург: УГТУ- УПИ, 2009. 164 с. ISBN 978-5-321-01262-8

Рассмотрена геометрия совершенных кристаллов, дано представление о симметрии кристаллических тел, изложены методы индицирования направлений и плоскостей, описаны характеристики важнейших структурных типов фаз в металлических системах. Представлены основные положения элементарной теории дефектов кристаллической решетки. Обсуждены способы получения монокристаллов, рассмотрены некоторые физические свойства кристаллов, в частности, механические и тепловые. Рассмотрены некоторые модельные представления о нанокристаллических структурах.

ISBN 978-5-321-01262-8

Повзнер А.А.

© УГТУ-УПИ, 2009 © Бараз В.Р., Левченко В.П., 2009

УДК 548.4 /620.18. 22.37

Оглавление

В.Р. Бараз, В.П. Левченко, А.А. Повзнер 1

Бараз В.Р., Левченко В.П., Повзнер А.А. 2

1. Кристаллография 3

ф-ф •<§ • ф\ф . 36

ф .<§>• ф 36

2. Основы теории дефектов кристаллического строения 48

(9) 75

m e X dX2 , (28) 131

(201) 146

2 А ^ 148

1. Кристаллография

Введение

Как известно, практически все вещества в природе могут находиться в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. При этом вполне обычным представляется их последовательный переход (например, при нагревании) из одного состояния в другое, т.е. по схеме "твердая фаза - жидкость - газ". Однако возможны и исключения. Так, йод при повышении температуры из твердого кристаллического состояния сразу превращается в газообразное. Наконец, известно также четвертое агрегатное состояние вещества в виде плазмы, представляющей собой сильно ионизированный газ.

Твердыми называются такие вещества, которые обладают постоянством формы и размера и которые способны противодействовать внешним условиям, стремящимся вызвать деформацию. Характерным для твердых тел принято считать наличие определенных упругих свойств, и, следовательно, очевидным их признаком является величина модуля сдвига, отличная от нуля. Для жидкой же фазы модуль равен нулю, она не способна самопроизвольно "держать" форму и размер (но в противоположность газовой среде сохраняет, как и твердая фаза, неизменным объем).

Твердые тела могут быть кристаллическими и аморфными. Кристаллы характеризуются строгой пространственной периодичностью в расположении составляющих их материальных частиц (атомов или молекул). В аморфных же телах размещение частиц имеет в основном хаотический характер. Между этими состояниями, следовательно, имеется качественное различие - кристаллам свойственно наличие так называемого дальнего порядка в расположении атомов, т.е. их упорядоченное размещение распространяется на большие расстояния, соизмеримые с размерами самих кристаллов. В жидкостях и аморфных твердых телах взаимное расположение соседних частиц в общем аналогично тому, что наблюдается в кристаллах. Однако эта упорядоченность наблюдается лишь внутри очень малых объемов - в пределах всего нескольких межатомных расстояний. Такое геометрически правильное расположение в микроучастках, соизмеримых с атомным размером, называется ближним порядком, а сами микроскопические области упорядоченности - сиботаксисами. В некоторых веществах такие упорядоченные группировки атомов (или молекул) могут распространяться на макроскопические расстояния, что приводит к образованию так называемых жидких кристаллов.

В то же время между аморфным твердым телом и собственно жидкой фазой существует только количественное различие, которое оценивается таким физическим показателем, как вязкость (она характеризует способность жидкости оказывать сопротивление действию внешних сил). Так, аморфное вещество (стекло, смола и др.) можно рассматривать в качестве расплава (жидкой фазы) с очень высокой вязкостью. Аморфный материал не имеет четко выраженной температуры плавления, и поэтому при нагревании он постепенно размягчается до привычного жидкого состояния, что сопровождается плавным снижением величины вязкости.

К описанию кристаллического строения вещества существует два

модельных подхода - теория совершенной (или идеальной) структуры и

теория несовершенной (или дефектной) структуры. Оба подхода являются

оправданными, поскольку дают возможность качественно, а в некоторых

случаях и количественно объяснить многие свойства твердого тела и

процессы, происходящие в нем. Модель идеального кристалла позволяет

удовлетворительно истолковать, например, такие свойства, которые

обусловлены эффектом взаимодействия электронов с полем, создаваемым

ионами. В частности, к подобным характеристикам можно отнести упругие

свойства, электро- и теплопроводность (хотя и они могут меняться под

влиянием дефектов), оптические свойства, некоторые магнитные величины

и др. В то же время многие важные свойства материалов могут быть

6

поняты именно с привлечением представлений о существовании несовершенств кристаллического строения - деформационное поведение и упрочнение, диффузионная способность, структурные изменения при термическом воздействии и др.