Глава VII. ТВЕРДЫЕ ТЕЛА

29. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕЛА

Твердые тела сохраняют не только свой объем, как жидкости, но и форму. Твердые тела находятся преимущественно в кристаллическом состоянии.

Кристаллы — это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве (см. § 5). Следствие этого — правильная внешняя форма кристалла. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы (рис. 68). Это можно заметить, рассматривая соль с помощью лупы. А как геометрически правильна форма снежинки! В ней также отражена геометрическая правильность внутреннего строения кристаллического твердого тела — льда (рис. 69).

Анизотропия кристаллов. Однако правильная внешняя форма не единственное и даже не самое главное следствие упорядоченного строения кристалла. Главное — это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления. Прежде всего бросается в глаза различная механическая прочность кристалла

Рис. 68

Рис. 69

Рис.

Рис. 71

Рис. 11

по разным направлениям. Кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки (рис. 70). Расслоить его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Так же легко расслаивается по одному направлению кристалл графита. Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Это происходит потому, что кристаллическая решетка графита имеет слоистую структуру. Слои образованы рядом параллельных плоских сеток, состоящих из атомов углерода (рис. 71). Атомы располагаются в вершинах правильных шестиугольников. Расстояние между слоями сравнительно велико: примерно в два раза больше, чем длина стороны шестиугольника. Поэтому связи между слоями менее прочны, чем связи внутри них.

Многие кристаллы по-разному проводят тепло и электрический ток в различных направлениях Зависят от направления и оптические свойства кристаллов. Так, кристалл кварца по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.

Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называют анизотропией. Все кристаллические тела анизотропны.

Монокристаллы и поликристаллы. Кристаллическую структуру имеют металлы. Именно металлы преимущественно используются в настоящее время для изготовления орудий труда, различных машин и механизмов.

Если взять сравнительно большой кусок металла, то на первый взгляд его кристаллическое строение никак не проявляется ни во внешнем виде куска, ни в его физических свойствах. Металлы в обычном состоянии не обнаруживают анизотропии.

Дело здесь в том, что обычно металл состоит из огромного количества сросшихся друг с другом маленьких кристалликов.

Под микроскопом или даже с помощью лупы их нетрудно рассмотреть особенно на свежем изломе металла (рис. 72). Свой ства каждого кристаллика различны по разным направлениям, но кристаллики ориентированы друг по отношению к другу хаотически. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все. направления внутри металлов равноправны и их свойства одинаковы по всем направлениям.

Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называют монокристаллами.

Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить металлический кристалл больших размеров — монокристалл. В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело.

К поликристаллам относятся не только металлы. Кусок сахара, например, также имеет поликристаллическую структуру.

Дефекты в кристаллах. Во всех реальных кристаллах наблю даются нарушения строгой периодичности в расположении атомов Эти нарушения называют дефектами в кристаллах. Дефекты образуются в процессе роста кристаллов под влиянием теплового движения молекул, механических воздействий, облучения потоками частиц и пр.

Наиболее простыми являются точечные дефекты. Они возникают при замещении одного из атомов кристаллической решетки атомом примеси (рис. 73, а), внедрении атома между узлами решетки (рис. 73, б) или в результате образования вакансий — отсутствия атома в одном из узлов решетки (рис. 73, в).

Гораздо большее влияние на механические и другие свойства кристаллов оказывают линейные дефекты, при которых нарушения структуры решетки сосредоточены вблизи протяженных линий. Такие дефекты называют дислокациями (смещениями).

Атомные плоскости (атомные слои) часто обрываются внутрн кристалла. В результате образуется лишняя полуплоскость (рис. 74). Такая дислокация называется краевой.

Рис. 73

Рис. 74

Рис. 75

Рис. 76

Более сложной является винтовая дислокация. Наглядно ее можно представить как результат «разреза» решетки по полуплоскости (рис. 75) и сдвига частей решетки по обе стороны разреза на одно межатомное расстояние. Кристалл с винтовой дислокацией состоит не из параллельных атомных плоскостей, а, скорее, представляет собой одну плоскость, закрученную в виде винтовой лестницы. Рост такого кристалла происходит путем присоединения атомов к торцу последней ступеньки. В результате кристаллический слой растет, непрерывно накручиваясь сам на себя, а кристалл в процессе роста принимает форму винта (рис. 76).

Количество дислокаций в кристалле меняется в широких пределах от до

Выращивание кристаллов без дефектов — очень сложная задача, и она решена только для немногих веществ.

Знание условий образования дефектов в кристаллах и способов их устранения играет большую роль при использовании кристаллических тел в технике (см. § 33).