§43. Реальный кристалл

Определения и обозначения

Реальный кристалл — кристалл, в решётке которого есть нарушения идеального порядка. В отличие от идеальной решётки, где частицы расположены строго периодически, он сохраняет общий дальний порядок, но содержит отдельные отклонения. Это понятие нужно, чтобы объяснить настоящие свойства материалов.

Дефект кристаллической решётки — нарушение правильного расположения частиц в кристалле. Дефекты бывают точечными, связанными с отдельными узлами, и линейными, протяжёнными вдоль некоторой линии. Их изучение помогает понять, почему одинаковые вещества могут различаться по прочности и проводимости.

Вакансия — отсутствие частицы в узле кристаллической решётки. Она появляется, например, когда частица из-за теплового движения покидает своё место или когда кристалл образуется с нарушением состава. Вакансия важна потому, что облегчает перемещение частиц и влияет на свойства вещества.

Дислокация — линейный дефект, связанный с нарушением последовательности атомных слоёв. Вакансия занимает область одного узла, а дислокация простирается через множество узлов и слоёв. Перемещение дислокаций является одним из основных механизмов пластической деформации.

Как это устроено

Полностью сохранить идеальный порядок невозможно, потому что частицы не покоятся: они постоянно колеблются около положений равновесия. При росте кристалла частицы также присоединяются к его поверхности не абсолютно безошибочно. Кроме того, в вещество могут попадать чужие атомы, а внешние силы способны смещать слои.

Тепловое движение приводит к появлению вакансий так: частица получает достаточную энергию, покидает узел и оставляет его пустым. Иногда она перемещается в промежуток между узлами, создавая внедрённую частицу. При повышении температуры такие переходы происходят чаще, поэтому концентрация точечных дефектов обычно увеличивается.

Вакансия — это пустое место в узле, а внедрённая частица, наоборот, занимает положение между узлами. Примесный атом отличается не местом, а составом: он принадлежит другому химическому элементу. Поэтому примесь может оказаться как в узле решётки вместо обычной частицы, так и в промежутке между узлами.

Дислокация возникает, когда часть кристаллических слоёв смещается относительно другой части. Например, дополнительный неполный слой заканчивается внутри кристалла, и около его края порядок нарушается. Это уже не отдельное пустое место, а протяжённая область искажённой решётки.

Дефекты изменяют свойства, потому что нарушают симметрию и распределение сил в решётке. Они могут затруднять движение частиц и дислокаций, повышая прочность, или создавать слабые места, облегчая разрушение. В электрических материалах дефекты меняют движение электронов, а в механике определяют особенности упругой и пластической деформации.

Основные дефекты кристаллической решётки

Пользуясь таблицей, сначала определите положение частицы или область нарушения относительно узлов. Затем установите причину дефекта и его возможное действие на решётку. Особенно важно не путать пустой узел с частицей, находящейся между узлами.

Разбор задач

Определение вакансий и примесей по схеме

На схеме показаны обычные частицы, несколько пустых узлов и частицы другого вида. Требуется определить, какие обозначения соответствуют вакансиям, а какие — примесным атомам. Расположение относительно узлов является главным признаком.

1. Найдите места, где по правильному рисунку должен находиться атом, но частица отсутствует.
2. Назовите такие места вакансиями: это незанятые узлы, а не отдельные частицы.
3. Сравните оставшиеся частицы с обычными и определите чужие атомы как примеси; проверьте, находятся ли они в узлах или между ними.

Ответ: пустые узлы образуют вакансии, а частицы другого вида являются примесными атомами. Если чужая частица занимает узел, это примесь в узле; если находится между узлами, это межузельная примесь.

Почему дислокация облегчает деформацию

Нужно сравнить идеальный кристалл с кристаллом, содержащим дислокацию. В идеальном случае для сдвига слоя пришлось бы одновременно преодолеть взаимодействие большого числа частиц. Дислокация позволяет выполнять тот же сдвиг постепенно.

1. Представьте, что край неполного слоя перемещается на небольшое расстояние.
2. За ним последовательно смещаются соседние участки решётки, а не весь слой сразу.
3. Свяжите это движение с пластической деформацией: форма кристалла меняется после снятия нагрузки.

Ответ: кристалл с дислокациями деформируется легче, потому что небольшое перемещение дислокации последовательно перестраивает слои. Поэтому не требуется сразу сдвигать весь кристаллический слой.

Сравнение образцов с разным числом дефектов

У двух образцов одного вещества различна концентрация вакансий и примесей. В первом дефектов больше, во втором — меньше. Нужно предсказать прочность и электропроводность, учитывая, что конкретный результат зависит от вида и расположения дефектов.

1. Установите, что большее число дефектов сильнее искажает решётку и обычно сильнее рассеивает движущиеся электроны.
2. Предположите, что примеси мешают движению дислокаций, поэтому могут повысить прочность.
3. Учтите исключение: вакансии, крупные нарушения или скопления дефектов способны создать слабые места.

Ответ: образец с большим числом подходящих примесей может быть прочнее, но обычно обладает меньшей электропроводностью. Однозначно назвать прочность без вида дефектов нельзя: они либо препятствуют дислокациям, либо облегчают разрушение.

Типичные ошибки

Считать реальный кристалл полностью беспорядочным — ошибка. Её допускают, потому что слово «дефект» связывают с разрушением всей структуры. Проверьте себя: в реальном кристалле должен сохраняться дальний порядок, хотя отдельные участки нарушены.

Называть любую частицу между узлами вакансией тоже неправильно. Причина ошибки — смешение пустого места с частицей, расположенной не на своём обычном месте. Проверка простая: вакансия не содержит частицы, а внедрённая частица, наоборот, присутствует.

Примесный атом нельзя автоматически считать внедрённой частицей. Эти понятия описывают разные признаки: примесный атом чужой по составу, а внедрённая частица определяется положением между узлами. Спросите себя сначала, отличается ли атом от остальных, а затем определите его место в решётке.

Дислокацию ошибочно представляют отдельной точечной частицей. Так происходит, если не различать размер дефекта и его форму. Проверьте себя: дислокация является линейным нарушением последовательности слоёв, а не одним атомом или одной вакансией.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о кристаллической решётке, её узлах, тепловом движении и деформации твёрдого тела. Эти понятия объясняют, где находятся частицы и почему они могут покидать равновесные положения.

Дефекты помогают объяснить прочность, пластичность и разрушение материалов. Перемещение дислокаций связывает микроскопическое строение кристалла с его макроскопической деформацией.

В дальнейшем понятия о дефектах понадобятся при изучении электропроводности полупроводников и способов упрочнения металлов. Изменяя состав и количество дефектов, можно целенаправленно менять свойства материала.

Что запомнить

• Реальный кристалл имеет упорядоченное строение, но содержит дефекты.
• Дефекты кристаллической решётки нарушают правильное расположение частиц.
• Вакансия — незанятый узел кристаллической решётки.
• Примесные и внедрённые частицы изменяют состав и строение кристалла.
• Дислокация — линейный дефект кристаллической решётки.
• Дефекты влияют на механические и электрические свойства вещества.
• Перемещение дислокаций связано с пластической деформацией кристалла.