Динамика вращательного движения Динамика материальной точки и тела Механические колебания Волны в упругой среде. Акустика Молекулярное строение вещества Молекулярно-кинетическая теория газов Строение атома и молекул

Физические механизмы образования кристаллов

 Металлические кристаллы. В металлических кристаллах внешние электроны атомов могут свободно перемещаться между ионными остовами. Эти электроны образуют как бы отрицательно заряженное облако, в котором находятся ионы металла. Взаимодействие этих ионов друг с другом и с электронным облаком ведет к упорядоченному расположению ионов в металле. В случае переходных металлов происходит также и перекрытие их электронных -оболочек и образование подобия ковалентных связей, ведущее к дополнительному увеличению энергии связи в металле. Расчеты энергии связи в металлах достаточно сложны и в данной книге не рассматриваются. Как правило металлы образуют одну из плотноупакованных кристаллических решеток (ГПУ, ГЦК) или ОЦК.
     Молекулярные кристаллы с водородными связями. В молекулярных кристаллах с водородными связями водородная связь образуется между отрицательно заряженными атомами , уже участвующими в полярной ковалентной связи с другими атомами, когда между ними оказывается ион водорода. Один из перечисленных атомов забирает себе электрон водорода, превращая его в предельном случае в протон, которому иногда энергетически выгоднее оказаться между двумя отрицательно заряженными ионами, чем быть связанным только с одним из перечисленных атомов (см. рис. 11). При этом за счет кулоновского притяжения отрицательных ионов к иону водорода образуется сравнительно непрочная связь с энергией порядка 0,1 эВ. Малость иона водорода позволяет последнему связать только два атома.
Рис.1.11
Рис. 1.11.
Схема образования водородной связи.
     Водородная связь играет важную роль в биологических молекулах и кристаллах. Например соединение двух спиралей ДНК обусловлено водородными связями. Сегнетоэлектрические свойства некоторых кристаллов и поведение молекул воды и льда при температуре около 00С объясняют существованием водородных связей в них [1].
     Ван-дер-Ваальсовы кристаллы. Ван-дер-Ваальсовы кристаллы образуются из электрически нейтральных атомов за счет диполь - дипольного взаимодействия между ними. Под действием этих связей образуются кристаллы инертных газов при низких температурах, образуя во всех случаях ГЦК плотноупакованную решетку. Эти связи гораздо слабее всех рассмотренных выше и поэтому заметно проявляют себя при отсутствии условий для возникновения ионной, ковалентной металлической или водородной связи.
Рис.1.12
Рис. 1.12.
Схема образования диполь-дипольной связи.
     Понять происхождение этой связи можно с помощью простой классической модели, рассмотрев взаимодействие двух нейтральных атомов, находящихся на расстоянии друг от друга (см. рис. 12). Центр отрицательного заряда в каждый момент времени не совпадает с центром положительного ядра атома. Поэтому атом 1 обладает ненулевым мгновенным значением дипольного момента . Этот дипольный момент создает электрическое поле вблизи атома 2 с модулем
     Это поле поляризует второй атом в результате у него наводится дипольный момент:
     где - поляризуемость атома. Энергия взаимодействия двух диполей пропорциональна . Тогда энергия взаимодействия двух атомов оказывается пропорциональной , она имеет малую величину, быстро убывает с расстоянием и проявляется вследствие этого на малых расстояниях. Как и в случае ионных кристаллов можно записать (см. задачу 1.3) энергию взаимодействия двух атомов, добавив к энергии взаимодействия пропорциональной энергию отталкивания атомов пропорциональную и вычислить энергию образования кристаллической решетки, параметр решетки и модуль упругости. Результаты таких расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.
     Моно- и поликристаллические вещества. Используемые в технике материалы и детали из них сравнительно редко состоят из одной кристаллической решетки. Такие вещества называют монокристаллическими веществами(или монокристаллами), то есть состоящими из одного сплошного кристалла.
     Наиболее часто используемые материалы, называемые поликристаллическими состоят из очень большого числа сросшихся друг с другом монокристаллических зерен. Такая структура материала связана с тем, что кристаллизация веществ как правило начинается и проходит одновременно из большого числа центров кристаллизации. Если принять специальные меры [1], то возможно получение монокристаллов или из раствора, или из расплава вещества.
     Использование монокристаллических веществ и деталей из них в отдельных случаях является принципиально необходимым, например для изготовления поляризаторов оптического излучения или монохроматоров рентгеновского излучения. В ряде случаев использование монокристаллических веществ значительно улучшает характеристики сделанной из него детали. Примеры такого использования рассмотрены в последующих главах.
     Задача 1.3. Оценить энергию связи атома в Ван-дер-Ваальсовом кристалле аргона, расстояние между ближайшими соседями при 00К и температуру его плавления, если потенциальная энергия взаимодействия между его атомами задается соотношением: . При расчете учитывать только энергии взаимодействия с ближайшими соседями и считать что структура аргона - ГЦК решетка.
     Решение. Энергия взаимодействия атома с 12 ближайшими соседями в ГЦК решетке дается формулой . Далее следует найти минимум этого выражения по расстоянию между атомами традиционным способом: вычислить производную, найти значение , при котором она равна нулю, определить минимальное значение . Разделив это значение на постоянную Больцмана, можно получить оценку температуры плавления.

К физическим свойствам твердых тел относятся механические, тепловые, электрические, магнитные и оптические свойства. Их изучают, наблюдая, как ведет себя образец при изменении температуры, давления или объема, в условиях механических напряжений, электрических и магнитных полей, температурных градиентов
Математика Примеры решения задач физика