Главная >> Молекулярная физика. Термодинамика. Физика 10 класс. Мякишев

Глава 8. Твердые тела и их превращение в жидкости

§ 8.5. Дефекты в кристаллах

Описывая строение кристаллов, мы до сих пор пользовались их идеальными моделями. Отличие реальных кристаллов от идеальных состоит в том, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой. В них всегда встречаются 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, из-за наличия примесей и пр.

Точечные дефекты

Дефекты, называемые точечными, возникают при замещении одного из атомов кристаллической решетки атомом примеси (рис. 8.19, а), внедрения атома между узлами решетки (рис. 8.19, б) или в результате образования вакансий — отсутствия атома в одном из узлов решетки (рис. 8.19, в).

Наличие точечных дефектов в кристалле сильно влияет-на его свойства. Так, примеси в кристаллической решетке германия или кремния, составляющие всего лишь 0,1%, практически мало влияют на структуру кристалла, но очень существенно — в тысячи раз — меняют его электрическое сопротивление. Подробнее об этом будет рассказано в дальнейшем.

Одним из экспериментальных подтверждений наличия точечных дефектов в кристаллах является диффузия. Около 100 лет назад, в 1896 г., английский металлург У. Робертс-Остен проделал такой опыт. Он крепко прижал тонкий золотой диск к отшлифованному торцу цилиндра из чистого свинца и поместил эту пару на 10 дней в печь при температуре 200 °С. Когда отжиг кончился, оказалось, что металлы разъединить уже невозможно. Тогда экспериментатор разрезал составной цилиндр вдоль оси и, рассмотрев срез под микроскопом, убедился, что золото и свинец проникли друг в друга; произошло перемешивание металлов, т. е. диффузия.

Но почему атомы одного металла проникают внутрь другого? Мы уже говорили, что тепловое движение атомов в твердых телах представляет собой малые колебания около положения равновесия — узла кристаллической решетки. Амплитуда этих колебаний много меньше расстояния между узлами. У атома, совершающего такие колебания, нет шансов попасть в соседний узел.

В свете всего сказанного взаимное перемешивание атомов золота и свинца — удивительный факт. Как они это делают? Каков механизм перемешивания атомов?

Ответ на этот вопрос дал один из основоположников физики твердого тела Я. И. Френкель. Основываясь на представлении о точечных дефектах в кристаллах, Френкель предложил два основных механизма диффузии в твердых телах: вакансионный (рис. 8.20, а: атом перемещается, обмениваясь местами с вакансией) и междоузельный (рис. 8.20, б: атом перемещается по междоузлиям). Вторым способом перемещаются маленькие (по размеру) атомы примесей, а первым — все остальные: это самый распространенный механизм диффузии.

Дислокации

Гораздо большее влияние на свойства кристаллов оказывают линейные дефекты, при которых нарушения структуры сосредоточены вблизи протяженных линий. Такие дефекты называют дислокациями (от позднелатинского слова dislocatio — смещение).

Различают две основные дислокации — краевую и винтовую*.

* В реальных условиях дислокация обычно представляет собой сочетание этих двух видов.

Краевая дислокация схематически показана на рисунке 8.21. Атомные плоскости (атомные слои) часто (например, в процессе роста кристалла) обрываются внутри кристалла. В результате образуется «лишняя» полуплоскость. Искажение, как видно из рисунка, сосредоточено в основном вблизи нижнего края полуплоскости «лишних» атомов. Под дислокацией здесь понимают линию, проходящую вдоль края «лишней» атомной полуплоскости.

На расстоянии нескольких атомных диаметров от дислокационной линии искажения настолько малы, что в этих местах кристалл имеет почти совершенную форму. Искажения возле края «лишней» полуплоскости вызваны тем, что ближайшие атомы как бы «пытаются» согласовать свое расположение с резким обрывом «лишней» полуплоскости.

Любая царапинка на поверхности кристалла может стать причиной краевой дислокации. Действительно, царапинку на поверхности кристалла можно рассматривать как нехватку атомной плоскости. В результате теплового движения атомы из соседних областей могут перейти на поверхность, а дислокация тем самым переместится вовнутрь.

Окончание параграфа >>>