27. Симметрия кристаллов. Дефекты в кристаллах

П од симметрией тела понимается его способность совмещаться с самим собой при определенных преобразованиях. К преобразованиям симметрии относятся:

1. Параллельный перенос всех точек тела на определенное расстояние (трансляция). Кристаллическая решетка обладает трансляционной симметрией (рис. 78). Это означает, что существуют 3 некомпланарных вектора , характеризующихся тем, что при смещении решетки на вектор трансляции она переходит сама в себя (n₁, n₂, n₃ – целые числа). Базисные вектораназывают основными периодами решетки, а построенный ими параллелепипед – элементарной ячейкой.

2. Поворот тела вокруг некоторой оси на определенный угол. Если тело совмещается с самим собой при повороте вокруг некоторой оси на угол 2/n, то эта ось называется осью симметрии n-го порядка. Кроме тривиальной оси 1-го порядка, возможны только оси симметрии 2, 3, 4 и 6-го порядков (рис. 79). Не бывает осей 5-го порядка и более высокого, чем 6 (так как нельзя заполнить полностью всю плоскость (без пустых промежутков) пятиугольниками, семиугольниками и т.п.).

3. Зеркальное отражение в плоскости. Плоскость называется плоскостью симметрии.

4. Инверсия или отражение в точке. Точка называется центром симметрии.

5. К омбинация этих преобразований. Например, если тело совмещается с самим собой при повороте на угол 2/n и отражении в плоскости, перпендикулярной этой оси, то ось называется зеркально-поворотной осью n-го порядка (рис. 80).

Кристаллические решетки подразделяются по признакам симметрии: на 230 пространственных групп, 32 кристаллических класса, 7 кристаллических систем (триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, ромбоэдрическая, гексагональная, кубическая).

В зависимости от характера сил взаимодействия между частицами кристаллической решетки различают 4 типа кристаллов:

1. Ионные кристаллы. В узлах решетки – ионы различных знаков, кулоновское (электростатическое) притяжение между которыми создает "ионную" связь. Примеры: NaCl, CaCl, KBr, MgO, CaO.

2. Атомные кристаллы. В узлах – нейтральные атомы. Химическая связь – ковалентная (алмаз, графит, германий, кремний, ZnS, BeO).

3. Металлические кристаллы. В узлах решетки – положительные ионы металла. Свободные электроны образуют "электронный газ", принадлежащий всему кристаллу (Li, Na, Cu, Ag, Pt, Au).

4. Молекулярные кристаллы (парафин, Br₂, I₂, в твердом состоянии N₂, O₂, СО₂, Н₂О) состоят из нейтральных молекул, силы взаимодействия между которыми обусловлены незначительным взаимным смещением электронов в электронных оболочках атомов (молекулярными электрическими диполями). Эти силы называются ван-дер-ваальсовыми, так как они имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящими к отклонению газов от идеальности.

Дефектами кристалла называются всякие отклонения от строгой периодичности идеальной кристаллической решетки. Дефекты бывают макроскопическими (трещины, макроскопические пустоты и включения) и микроскопическими. Микроскопические дефекты бывают точечными и линейными.

Точечные дефекты (рис. 81) нарушают лишь ближний порядок в расположении атомов:

а ) "вакансия" – в узле решетки отсутствует атом; б) "замещение" – в узле решетки чужой атом;

в) "внедрение" атома между узлов.

Линейные дефекты (или дислокации) нарушают дальний порядок. Краевая дислокация – это лишняя кристаллическая полуплоскость, вдвинутая между соседними слоями атомов (рис. 82 а). Винтовая дислокация образуется в результате скольжения двух атомных полу-плоскостей на один период друг относительно друга, начиная с некоторой линии (рис. 82 б). Кристалл с винтовой дислокацией фактически состоит из одной кристаллической плоскости, которая изогнута по винтовой поверхности (наподобие винтовой лестницы).