Физика твердого тела. Кристаллы

Конечно и анизотропия деформации, и выбор плоскостей скольжения определяется структурой кристалла.

Вопрос о прочности кристаллов всегда вызывал интерес у ученых. Первым из ученых расчеты на прочность  кристаллов были сделаны в 1924 г. советским физиком-теоретиком Я. И. Френкелем. Расчеты прочности различных кристаллических структур были сделаны, однако на практике оказалось, что расчетная прочность кристалла в тысячи раз больше реальной прочности.  Френкель оказал  огромную услугу проблеме прочности кристаллов, вскрыв кричащее противоречие между теорией процесса скольжения и результатами эксперимента.

Представьте себе, что воздвигнуто  стройное высотное здание, каркас которого сложен из стальных балок. Но одна из балок  попалась бракованная, надрезанная, надломанная. Чем определить прочность всего здания? Конечно ее «слабым местом» – надломленной балкой, из-за которой может начаться сдвиг и разрушение всей постройки.

Вот такие слабые места, как оказалось, неизбежно существуют в каждом кристалле. Сначала их так и называли «слабые места» или «места разрыхления», однако позже стали называть дислокациями. Сначала ученые лишь предположили их существование, затем убедились на опыте, а затем научились управлять.

Итак, дислокация – это нарушение правильности расположения атомов в структуре вдоль определенной линии.

Представьте себе, что в серии  параллельных плоскостей решетки одна из плоскостей недостроена, не кончена: это уже не плоскость, а полуплоскость. Край такой оборванной плоскости образует краевую дислокацию.

Достаточно разорвать одну связь  между атомами рядом с дислокацией  – и дислокация (край оборванной плоскости) передвинется на одно междуатомное расстояние, а связь между атомами  за ней восстановится. Разорвется следующая  связь – оборванная плоскость передвинется дальше на один шаг. Так, шаг за шагом, перемещаясь путем поочередного разрыва по одной связи, дислокация перейдет через весь кристалл. А в результате атомная плоскость переместится на один междуатомный шаг. Итогом этого перемещения будет сдвиг одной половины кристалла относительно другой его половине, т.е. пластическое скольжение.

Очевидно, кристалл, в котором есть дислокация, деформировать гораздо  легче, чем идеально построенный  кристалл, - ведь здесь не надо разрывать все атомные связи, достаточно осуществлять работу разрыва последовательно по одному ряду связей.

Данное  явление очень ярко можно  прокомментировать с помощью  модели «ковра». Ковер лежит на гладком  полу: перемещать такой ковер по полу, если он к полу прилегает плотно, -дело нелегкое: площадь соприкосновения ковра с полом велика, ковер тяжелый, и усилия для его смещения понадобятся немалые. А вот если поперек ковра имеется узкая складка, вдоль которой ковер отделен от пола, переместить ковер можно существенно меньшими усилиями. Они нужны лишь для того, чтобы разгладить складку. Когда складка пройдет через весь ковер, он сместится на ширину складки. Складка –это легкоподвижный дефект в системе «ковер – пол», так как в области складки ковер не соприкасается с полом.

Аналогично ковру со складкой, одна из тех атомных плоскостей кристалла, которые ориентированы перпендикулярно  плоскости скольжения, обрывающаяся на этой плоскости, должна перемещаться легче прочих.

Итак, почему же реальная прочность  кристаллов оказалась намного меньше теоретической? Теоретической прочностью обладал бы кристалл, если бы он был построен безукоризненно, идеально правильно. На самом же деле, в реальном кристалле всегда есть отступления от порядка, нарушения расположения атомов. Обладая такими знаниями, человек научился извлекать из данного дефекта кристаллов выгоду.

    О некоторых свойствах кристаллов.

Физические свойства кристаллов  чаще всего зависят от их структуры  и химического строения.

Сначала стоит упомянуть два  основных свойства кристаллов. Одним из них является анизотропия, о которой уже упоминалась выше. Под этим термином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления. Так, например, если вырезать из кристалла поваренной соли в различных направлениях стержни в поперечным сечением 1мм² и испытать их на разрыв, то окажется, что они имеют различную прочность.

Вместе с тем кристаллы являются телами однородными. Однородность кристаллического вещества состоит в том, что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по свойствам.

Поговорим сначала об электрических  свойствах. В принципе электрические  свойства кристаллов можно рассматривать  на примере металлов, так как металлы, в одном из состояний, могут представлять собой кристаллические агрегаты. Электроны, свободно передвигаясь в металле, не могут выйти наружу, для этого нужно затратить энергию. Если при этом  затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает так называемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и в монокристаллах.  Вырванный из молекулярной орбиты электрон, оставаясь внутри кристалла, обуславливает у последнего металлическую проводимость (внутренний фотоэлектрический эффект). В нормальных же условиях (без облучения) такие соединения не являются проводниками электрического тока.

    Как растут кристаллы.

Еще Стенон писал, что на наружные плоскости ранее ограненного  кристалла осаждается новое вещество. Частицы (атомы, ионы, молекулы) из раствора, пара или расплава оседают на гранях кристаллического зародыша, продолжая его рост слой за слоем. Теоретически кристаллизация должна начинаться при перенасыщенности раствора на 30-50%. Эти цифры были рассчитаны учеными в двадцатые – тридцатые годы нашего столетия. Однако на практике кристалл может расти и при малой пересыщенности раствора. Еще одна несостыковка имеет место быть при сравнении теории с практикой. Долгое время ученые считали, что кристалл растет подобно кирпичной кладке: пока недостроен предыдущий ряд, новый не строится. Естественно атому легче осесть на плоскость «зацепившись» за находящийся рядом атом, но, когда ряд достроен и плоскость не нуждается в новых частицах, куда деваться «вновьприбывшему» атому? Считалось, что он отскакивает обратно в среду, из которой выпал. Тогда рост кристалла прекратился бы уже после построения первой грани. Как же происходит на самом деле?

В 1948 году английский кристаллограф  Франк выдвинул остроумную догадку: Кристалл растет не параллельными слоями, не как кирпичная кладка, а подобно  винтовой лестнице или спирали. Кристалл при росте как бы накручивается сам на себя, все время продвигая вперед одну и ту же ступень. На выходе этой ступеньки на грани кристалла как бы заготовлена уютная «посадочная площадка» для  каждой вновь присоединяющейся частицы. И хитрость здесь в том, что частицы, оседая, присоединяются к ступеньке, а ступенька не зарастает, только число оборотов в винтовой лестнице увеличивается, и грань, продвигаясь вперед, непрерывно растет. Именно так, по представлению Франка, в некоторых местах в кристалле нарушено правильное чередование атомных слоев: атомные слои не параллельны друг другу, а закручены в единую винтовую лестницу. Схема такой атомной винтовой лестницы называется винтовая дислокация.

Однако, когда Франк  рассказал о своей гипотезе на конференции по росту кристаллов в 1948 г., слушатели с недоверием отнеслись к его теории, ведь в таком случае на грани кристалла должен быть незарастающий выступ, меж тем спокон веков известно, что грани у кристаллов гладкие. И тем не менее Франк оказался прав: на гранях кристаллов действительно имеются спиральные выступы. Оказалось, что тремя годами ранее в 1945 г. в Москве Г. Г. Леммлейн обнаружил, что на зеркально-гладкой, ровной, плоской грани кристалла имеются спиральные ступеньки. Он обнаружил это при помощи росы нанесенной на грань кристалла. Росинки оседают и выделяют каждую неровность на поверхности, тогда в микроскоп ученый и разглядел эти выступы. Найденный им метод был назван «методом росы».

Сегодня уже нет сомнений в том, что именно так растут кристаллы из паров, расплавов и из слабо пересыщенных растворов:  рост облегчается тем, что в кристалле есть винтовые дислокации и кристалл растет вдоль дислокации, образуя единую винтовую лестницу из атомных плоскостей.

О прочности кристаллов.

Ранее было описано, что кристалл заполнен дефектами. Как же влияют дефекты на прочность кристаллов. О одном, о прочности, мы уже говорили: дефекты понижают прочность, в сотни, тысячи раз. Если к кристаллу приложить внешнюю силу, то атомная постройка начнет разрушаться именно в месте слабины, там, где есть дефект. Дефект - дислокация - начинает двигаться по кристаллу.

Но не так все просто, по мере того, как растет деформация кристалла, растет и число дефектов в нем. А так как дефекты  взаимодействуют друг с другом, то, чем их больше, тем труднее им двигаться в кристалле. Получается парадокс: если есть дефект кристалл - кристалл деформируется и разрушается легче, чем если дефекта нет. А если дефектов слишком много, то кристалл опять становится прочным , и чем больше дефектов, тем он более упорядочивается. Значит, если мы научимся управлять числом и расположением дефектов, мы сможем управлять прочностью материалов.

Еще сильнее удалось  бы изменить свойства кристаллов, если бы удалось вырастить кристалл совсем без дефектов. Как в стальном каркасе здания, если бы не было ни одной дефектной балки, прочность здания была бы расчетной. Без дефектов кристалл “не хочет” расти. И все же ученым удалось перехитрить природу. Научились выращивать кристаллы, в которых нет, совсем нет, дефектов, или есть один единственный дефект, очень удачно расположенный.

Такие идеальные кристаллы  удивительно прочны. «Обычное техническое  железо выдерживает, не разрушаясь, усилие в 20-30 кг/мм², самая лучшая конструкционная сталь - 200-300 кг/мм², а бездефектный кристаллик железа - 1400 кг/мм². Иначе говоря, бездефектные кристаллы железа прочнее обычного в 40-50 раз»[2].

Такие кристаллы научились  растить, измерять их свойства и прочность, но эти кристаллы очень и очень  малы. Это “нитевидные кристаллы”, или “усы” - волоски диаметром не более 1-2 микрон. Растить такой кристалл очень сложно, а вырастет он чуть потолще - в нем обязательно проявляются дефекты и прочность сразу снижается.

Такой усик выдерживает  нагрузку значительно большую, чем  обычная проволока. Он деформируется упруго, восстанавливает свою форму после деформации, не меняется при высоких температурах. Уже широко применяются нитевидные кристаллы для создания высокопрочных композитных материалов. Композит, или композитный материал - это сплошная основа, металл или полимер пронизанный нитевидными кристаллами.

Созданы кристаллизационные установки в которых вытягивают монокристаллические нити сапфира  длинной до 30 метров. Кристалл получается такой упругий и гибкий, что  его наматывают как нить на катушку. А затем этими гибкими нитями упрочняют основу. Из композитных материалов делают листы для обшивки самолетов и ракет.  Человек научился получать материалы, гораздо прочнее природных.Кристаллы из-за их прочности используют и в различных режущих аппаратах, так как кристалл один из самых прочных материалов на Земле.

Человек применяет кристаллы  почти во всех областях материальной сферы их цена и значение чрезвычайно  велики.

Заключение.

Итак, в данной работе была рассказана лишь малая часть  того, что известно о кристаллах в настоящее время, однако и эта информация показала, насколько неординарны и загадочны кристаллы по своей сущности.

В облаках, в глубинах Земли, на вершинах гор, в песчаных пустынях, в морях и океанах, в научных  лабораториях, в клеточках растений, в живых и мертвых организмах – везде встретим мы кристаллы. Но может кристаллизация вещества совершается только на нашей планете? Нет, мы знаем теперь,  что и на  других планетах и далеких звездах все время непрерывно возникают, растут и разрушаются кристаллы. Метеориты, космические посланцы, тоже состоят из кристаллов, причем иногда в их состав входят кристаллические вещества, на Земле не встречающиеся. Кристаллы везде.

Люди привыкли использовать кристаллы, делать из них украшения,  любоваться ими. Теперь, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, область их применение расширилась, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

 

Список  используемой литературы.

1. «Кристаллы», М.П. Шаскольская, Москва «наука», 1978г.
2. «Очерки о свойствах кристаллов», М. П. Шаскольская, Москва «наука», 1978г.
3. «Симметрия в природе», И.И. Шафрановский, Ленинград «недра», 1985г.
4. «Кристаллохимия», Г. Б. Бокий, Москва «наука», 1971г.
5. «Живой кристалл», Я. Е. Гегузин, Москва «наука», 1981г.
6. «Очерки о диффузии в кристаллах», Я. Е. Гегузин, Москва «наука», 1974г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первоначально лед, в  дальнейшем горный хрусталь.

 

 

 

Александрит