Физические типы кристаллических решёток

Кристаллическое состояние. Виды симметрии кристаллической решетки. Физические типы кристаллических решеток. Дефекты в кристаллах. Теплоемкость кристаллов. Зависимость теплоемкости от температуры.

Кристаллическое состояние.

Большинство твердых тел в природе имеет кристаллическое строение. Почти все минералы и все металлы в твердом теле состоянии являются кристаллами.

Характерная черта кристаллического состояния, отличающая его от жидкого и газообразного состояний, заключается в наличии анизотропии, т.е. зависимость ряда физических свойств (механических, тепловых, электрических, оптических) от направления.

Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называются изотропными. Изотропны так же аморфные тела.

Причиной анизотропии кристаллов служит упорядоченное распределение частиц, из которых они построены.

Правильность геометрической формы и анизотропия кристаллов обычно не проявляется по той причине, что кристаллические тела встречаются, как правила, в виде поликристаллов, т.е. конгломератов множества сросшихся между собой, беспорядочно ориентированных мелких кристаллов. Создав специальные условия кристаллизации из расплава или раствора можно получить большие одиночные кристаллы- монокристаллы. Любого вещества.

Виды симметрий:

Симметрия кристаллической решётки- свойство решётки совпадать с самой собой при некоторых пространственных перемещениях.

1.Трансляции. Способность совмещаться с самой собой в результате поступательного перемещения

2.Поворота ( вращения) вокруг некоторых осей, называемых осями симметрии.

3.Отображение относительно точки, называемая точкой симметрии.

4.Зеркальное отображение относительно определённых плоскостей, которые называются плоскостями симметрии.

По Федорову существуют 230 комбинаций элементов симметрий в трёхмерном пространстве, в природе найдено 177 видов.

Сингонии:

1. Моноклинная 2. Ромбическая 3.триклинная 4. Тетрагональная 5. Ромбоэдрическая 6. Гексагональная 7.Кубическая.

Физические типы кристаллических решёток.

1. Ионные кристаллы. В узлах решётки- ионы разных знаков. Силы взаимодействия между ними- в основном электростатические( кулоновские). Связь обуславливаемая кулоновскими силами притяжения между разноименно заряженными ионами, называется гетерополярной или ионной. Пример: решётка каменной соли NaCl.

2. Атомные кристаллы. В узлах решётки- нейтральные атомы. Связь, объединяющая нейтральные атомы, называется ковалентной или гомеополярной. Силы взаимодействия при ковалентной связи, имеют электрический характер, но не кулоновский. Объяснение этих сил может быть дано только на основе квантовой механики. Ковалентная связь осуществляется электронными парами, поэтому, связь имеет направленный характер. Осуществляется только валентными электронами. Примеры: алмаз и графит.

3. Металлические кристаллы. Во всех узлах расположены положительные ионы металлов. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отделившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны удерживают вместе положительные ионы, в противном случае, решетка распалась бы под действием сил отталкивания между однородными ионами. Большинство металлов имеют решетки одного из трех видов: кубическую объемно-центрированную, кубическую гранецентрированную, и плотную гексагональную.

4. Молекулярные кристаллы. В узлах помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами имеют ту же природу, что силы притяжения между ними, приводящие к отличию газа от идеального. Поэтому, эти силы называются ванн-дер-ваальсовскими. Примеры: H_2, N_2, O_2, CO_2, H₂O

Дефекты в кристаллах. Дефектами кристаллов называют нарушение идеальной кристаллической структуры. Такое нарушение может заключаться в отсутствии атома в узле решётки( вакансия), в замене атома данного вещества (своего атома) чужим атомом (атомом примеси), во внедрении лишнего атома (своего или чужого) в межузелье пространство. Такие дефекты называются точечными. Они вызывают нарушения правильности решетки, распространяющиеся на расстоянии порядка нескольких периодов.

Существуют дефекты сосредоточенные вблизи линии. Их называют линейными дефектами или дислокациями. Дефекты такого вида нарушают правильное чередование кристаллических плоскостей. Простейшим видом дислокации является краевая и винтовая дислокации.

Краевая дислокация обуславливается лишней кристаллической полу плоскостью, вдвинутой между двумя соседними слоями атомов. Винтовую дислокацию можно представить как результат разреза кристалла по полуплоскости и последующего сдвига лежащих по разные стороны разреза частей решётки навстречу друг другу на величину одного периода.

Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства кристаллов, в том числе и на их прочность. Дислокации служат причиной того, что пластическая деформация реальных кристаллов происходит под воздействием напряжений на несколько порядков меньших, чем вычисленное для идеальных кристаллов.

Теплоемкость кристаллов.Расположение частиц в узлах кристаллической решётки отвечает минимуму их взаимной потенциальной энергии. При смещении частиц из положения равновесия в любом направлении появляется сила, стремящаяся вернуть частицу в первоначальное положение, вследствие чего возникают колебания частицы. Колебание вдоль произвольного направления можно представить как положение колебаний вдоль трёх взаимно перпендикулярных направлений. Поэтому каждой частице в кристалле следует приписывать три степени свободы. На каждую частицу- атом в атомной решётке, ион- в ионной или металлической решётке- приходится, в среднем, энергия , равная 3kT. Внутренняя энергия моля вещества в кристаллическом состоянии можно написать выражение U_m=N_A3KT=3RT. Приращение внутренней энергии, соответствующее повышению температуры на один кельвин, равно согласно C_V=( )_V теплоёмкости при постоянном объёме. Следовательно С_v=3R.

Зависимость теплоемкости от температуры.Теплоёмкость кристаллов зависит от температуры, причем зависимость имеет характер, показанный на рисунке. . Вблизи абсолютного нуля теплоёмкость всех тел пропорциональна T³, и только при достаточно высокой, характерной для каждого вещества температуре начинает выполняться равенство С_v=3R. У большинства тел это достигает уже при комнатной температуре, у алмаза же теплоемкость достигает значения 3R лишь при температуре порядка 1000⁰С.

Поиск по сайту: