ГЛАВА II. Твердые тела

§ 9. Структура твердых тел

Большая часть твердых тел обладает структурой, в которой образующие ее атомы, молекулы и ионы расположены в виде правильной пространственной решетки. Точные положения атомов в кристаллической решетке можно исследовать рентгенографически при помощи методов Лауэ и Брэгга (метод вращения кристалла) и Дебая — Шеррера (метод кристаллического порошка). В качестве примера на фиг. 27 показана структура где ионы изображены соответственно черными и белыми шариками. Ионы расположены попеременно в узловых точках решетки. Эту решетку можно построить путем многократной трансляции элементарной ячейки (которая имеет форму куба) по трем взаимно перпендикулярным направлениям в пространстве с шагом, равным а (ребру элементарного куба). При помощи рентгеновского анализа можно определить длину ребра элементарной ячейки — постоянную решетки), которая, например, для равна 5,6 А.

Фиг. 27. Элементарная ячейка кристалла Ионы изображены черными шариками, ионы -белыми шяриками.

в приведенном выше примере решетка состоит из ионов Поэтому такая решетка называется ионной решеткой. Однако во многих случаях решетка бывает образована целыми молекулами, как, например, в твердых и во многих других твердых телах. В этом случае мы говорим о молекулярной решетке. Вместе с тем атомы многих элементов при переходе вещества в твердую фазу не образуют молекул. Это происходит, например, в случае инертных газов, которые являются одноатомными и в твердой фазе. Кристаллы элементов, подобных углероду, также состоят из атомов; алмаз и графит различаются только пространственной структурой. Особый вид атомных решеток образуют металлы, которые отличаются тем, что валентные электроны могут легко перемещаться от одного атома к другому, соседнему атому. Эта подвижность валентных электронов обусловливает большую электропроводность металлов.

В ионных решетках ионы удерживаются вместе главным образом электростатическими силами. В молекулярных решетках, например в отвердевших определяющими являются межмолекулярные силы, которые, как указывалось в § 5, вызывают также явление конденсации. В атомных решетках эти силы имеют обычно химическую природу, как, например, в решетке углерода, где валентность последнего, равная 4, играет важную роль. Силы в металлах имеют гораздо более сложную природу. Таким образом, кристаллы можно классифицировать согласно природе сил, действующих между образующими эти кристаллы частицами.

Что касается геометрической структуры решеток, то в природе реализуется очень большое число вариантов, и мы можем здесь обсудить лишь несколько важных конфигураций). Решетка рассмотренная выше, является так называемой простой кубической структурой. Однако шарики, которые мы будем полагать имеющими один и тот же диаметр, можно разместить более плотно.

если в центр каждой элементарной ячейки поместить по одному дополнительному шарику (фиг. 28, а). Поместив по шарику в центрах граней элементарной ячейки, мы получим плотноупакованную кубическую решетку (фиг. 28,б). Эти две последние структуры называются соответственно объемноцентрированной и гранецентрированной кубическими структурами

Фиг. 28. Элементарная ячейка объемноцентрированной и гранецентрированной кубических решеток.

Многие металлы кристаллизуются в решетку, которая является не кубической, а гексагональной. В простейшем случае такая элементарная ячейка представляет собой гексагональную призму (фиг. 29, а). Однако большинство металлов кристаллизуется в гексагональную структуру, образуя так называемую плотноупакованную гексагональную решетку в последней между плоскостями простой гексагональной структуры находится дополнительная плоскость, расположенная таким образом, что шарики, лежащие в этой плоскости, попадают в промежутки между шариками соседних плоскостей (фиг. 29,б). Каждый атом в простой гексагональной и в объемноцентрированной решетках окружен 8 ближайшими соседями, расположенными на равных расстояниях от центрального атома. В плотноупакованной гексагональной решетке и в гранецентрированной кубической решетке каждый атом имеет 12 ближайших соседей, расположенных на одинаковых расстояниях. Типичным примером решетки с гораздо меньшим числом

ближайших соседей, а именно 4, является алмазная решетка углерода (фиг. 30).

Не следует думать, что упорядоченная решетка из атомов или молекул всегда занимает весь объем твердого тела.

Фиг. 29. Элементарная ячейка гексагональной и плотноупакованной гексагональной решеток.

Обычно твердое тело является микрокристаллическим, т. е. состоит из небольших кристалликов с размерами порядка 100—1000 постоянных решетки, каждый из которых обладает упорядоченной структурой, но самым случайным образом ориентирован относительно других кристалликов. Для получения монокристаллов необходимо соблюдать особые предосторожности, например очень медленно вести кристаллизацию в растворе.

Фиг. 30. Структура решетки алмаза. Каждый атом углерода образует комплекс с 4 окружающими атомами.

Размеры микрокристаллов имеют большое значение для ряда свойств твердого тела, например твердости, пластичности, хрупкости и т. д. Однако в отношении других свойств, например теплоемкости, энергии, сжимаемости и поведение микрокристаллического вешества почти не отличается

от поведения монокристалла, так как небольшое число атомов, образующих поверхности микрокристаллов, пренебрежимо мало по сравнению с числом атомов, составляющих упорядоченную среду.