§ 19. ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК. ТЕПЛОВЫЕ И УПРУГИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Кристаллизация вещества осуществляется благодаря силам притяжения, которые действуют между его частицами; однако возрастающие на малых расстояниях силы отталкивания препятствуют дальнейшему сближению частиц. Вследствие этого молекулы вещества можно уподобить (в первом приближении) твердым частицам, в частности шарикам определенного радиуса, которые силами притяжения могут быть доведены только до «соприкосновения». Эти силы всегда стремятся расположить частицы вещества как можно ближе друг к другу. При наличии беспорядочного теплового движения всякая возможность максимального сближения соседних молекул реализуется. Благодаря этому кристалл, представляющий собой систему связанных между собой частиц веществ, должен характеризоваться максимально плотной «упаковкой» частиц. Эта идея, называемая принципом наиплотнейшей упаковки, позволяет объяснить существующие в природе формы кристаллов с различным расположением частиц в их объеме. При этом частицам различных веществ приписываются различные формы и размеры (радиусы).

При плотной упаковке шарообразных частиц каждая из них оказывается в окружении некоторого числа близлежащих («соседних») частиц, расположенных на одинаковых расстояниях от нее. Это число называется координационным числом и имеет значения 12, 8, б, 4 и 2. Если кристалл составлен из частиц (шаров) двух размеров, то координационное число зависит от отношения их радиусов

Упорядоченное расположение частиц в объеме кристалла образует так называемую пространственную кристаллическую решетку. Геометрически эту решетку можно получить, если провести три системы плоскостей, пересекающихся между собой под углами в каждой системе плоскости параллельны между собой и отстоят друг от друга на равных расстояниях Такие плоскости разбивают объем кристалла на элементарные ячейки (рис. 11.51), как бы кирпичики, из которых состоит весь кристалл. В зависимости от соотношения между размерами ребер ячейки и с (т. е. расстояний между плоскостями, образующими эти ячейки), а также от углов различают семь кристаллографических систем:

Точки пересечения плоскостей, образующих пространственную кристаллическую решетку (т. е. вершины элементарных ячеек кристалла), называются узлами этой решетки. В этих узлах располагаются частицы вещества; в зависимости от того, какие частицы находятся в узлах решетки и каков характер сил взаимодействия между ними, различают:

1) атомные решетки; в узлах этих решеток находятся нейтральные атомы данного вещества. Типичную атомную решетку дает кристалл алмаза, составленный из нейтральных атомов углерода (рис. 11.52, а). Связь между одинаковыми атомами в молекуле или в кристаллической решетке называется гомеополярной;

Рис. 11.51

Рис. 11.52

2) молекулярные решетки, в узлах которых расположены нейтральные молекулы вещества; например, кристаллы льда, (рис. 11.52, б) и др.;

3) ионные решетки; в их узлах находятся электрические заряженные частицы — ионы. В решетках типа (рис. 11.52, в) соседние ионы имеют противоположные знаки и притягиваются друг к другу, что обеспечивает прочность кристалла;

4) металлические решетки, составленные из положительно заряженных ионов металла, находящихся в «атмосфере» электронного газа. Электроны и положительные ионы металла взаимно связывают друг друга; электроны не могут покинуть пределы металла благодаря притяжению к положительно заряженным атомам металла,

а кристаллическая решетка, составленная из этих атомов, не «разлетается» благодаря «цементирующему» действию электронного газа.

Так как силы, обеспечивающие устойчивость и прочность кристаллических решеток металлов, имеют несколько иной, специфический характер, то эти решетки выделяют в особую группу.