чем занимается физика твердого тела

Физика твёрдого тела

Физика твёрдого тела — раздел физики конденсированного состояния, задачей которого является описание физических свойств твёрдых тел с точки зрения их атомного строения. Интенсивно развивалась в XX веке после открытия квантовой механики. Развитие стимулировалось широким спектром важных задач прикладного характера, в частности, развитием полупроводниковой техники.

В настоящее время физика твёрдого тела разбилась на большое количество более мелких направлений.

История

Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны ещё несколько тысячелетий назад. Одна из наиболее ранних зарисовок кристаллов содержится в китайской фармакопее XI века нашей эры. Кристаллы кварца из императорской короны, сохранившиеся с 768 года нашей эры, находятся в Сёсоине, сокровищнице японских императоров в Нара. Кристаллом называли вначале только лёд, а затем и кварц, считавшийся окаменевшим льдом. В конце эпохи средневековья слово «кристалл» стало употребляться в более общем смысле.

Геометрически правильная внешняя форма кристаллов, образующихся в природных или лабораторных условиях, натолкнула учёных ещё в XVII веке на мысль, что кристаллы образуются посредством регулярного повторения в пространстве одного и того же структурного элемента. При росте кристалла в идеальных условиях форма его в течение всего роста остается неизменной, как если бы к растущему кристаллу непрерывно присоединялись бы элементарные кирпичики. Сейчас известно, что такими элементарными кирпичиками являются атомы или группы атомов. Кристаллы состоят из атомных рядов, периодически повторяющихся в пространстве и образующих кристаллическую решетку. В XVIII веке минералогами было сделано важное открытие: оказалось, что индексы, определяющие положение в пространстве любой грани кристалла, суть целые числа. Гаюи показал, что это можно объяснить расположением идентичных частичек в ряды, периодически повторяющиеся в пространстве. В 1824 году Зибер из Фрайбурга предположил, что элементарные составляющие кристаллов («кирпичики», атомы) являются маленькими сферами. Он предложил эмпирический закон межатомной силы с учётом как сил притяжения, так и сил отталкивания между атомами, что было необходимо для того, чтобы кристаллическая решетка была стабильным равновесным состоянием системы идентичных атомов.

Пожалуй, наиболее важной датой в истории физики твёрдого тела является 8 июня 1912 года. В этот день в Баварской Академии наук в Мюнхене слушался доклад «Интерференция рентгеновских лучей». В первой части доклада Лауэ выступил с изложением элементарной теории дифракции рентгеновских лучей на периодическом атомном ряду. Во второй части доклада Фридрих и Книппинг сообщили о первых экспериментальных наблюдениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. Этой работой было показано, что рентгеновские лучи являются волнами, так как они способны дифрагировать. Работа неопровержимо доказала также, что кристаллы состоят из периодических рядов атомов. С этого дня началась та физика твёрдого тела, какой мы знаем её сегодня. В годы, непосредственно следующие за 1912 годом, в физике твёрдого тела было сделано много важных пионерских работ. Первыми кристаллическими структурами, определенными У. Л. Брэггом в 1913 года с помощью рентгеновского дифракционного анализа, были структуры кристаллов KCl, NaCl, KBr и KI.

После открытия дифракции рентгеновских лучей и публикации серии простых и весьма успешных работ с расчётами и предсказаниями свойств кристаллических веществ началось фундаментальное изучение атомной структуры кристаллов.

В 1930-е годы работами В. Гейзенберга, Паули, М. Борна были созданы основы квантово-механической теории твёрдого тела, что позволило объяснить и прогнозировать интересные физические эффекты в твёрдых телах. Ускоряли формирование физики твёрдого тела потребности нарождающейся твердотельной электроники в новых сверхчистых материалах. Здесь можно указать важнейшее событие — открытие в 1948 г. У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином усилительных свойств транзистора.

В настоящее время методы и теория твёрдого тела, развитые для описания свойств и структуры монокристаллов, широко применяются для получения и исследования новых материалов: композитов и наноструктур, квазикристаллов и аморфных тел. Физика твёрдого тела служит основой для изучения явлений высокотемпературной сверхпроводимости, гигантского магнетосопротивления и многих других перспективных современных наукоёмких технологий.

Физика твёрдого тела сводится, в сущности, к установлению связи между свойствами индивидуальных атомов и молекул и свойствами, обнаруживаемыми при объединении атомов или молекул в гигантские ассоциации в виде регулярно-упорядоченных систем — кристаллов. Эти свойства можно объяснить, опираясь на простые физические модели твёрдых тел. Реальные кристаллы и аморфные твёрдые тела значительно сложнее, но эффективность и полезность простых моделей едва ли можно переоценить. Предметом данной области науки являются, прежде всего, свойства веществ в твёрдом состоянии, их связь с микроскопическим строением и составом, эвристическое прогнозирование и поиск новых материалов и физических эффектов в них. Фактически физика твёрдого тела служит базой для физического материаловедения.

Кристаллофизика

Кристаллы — это твёрдые вещества, в которых атомы располагаются правильным образом относительно друг друга. Эту правильность их относительного взаимного расположения можно описать на основе понятий симметрии; элементы симметрии кристалла определяют симметрию его физических свойств.

Обычно считается, что кристаллы имеют правильную форму с плоскими гранями и прямыми ребрами. Симметрия и правильность внешней формы кристаллических многогранников отличительная, но не обязательная их особенность. В заводских и лабораторных условиях часто выращивают кристаллы не многогранные, что, однако, не изменяет их свойств.

Из всех состояний вещества твёрдое тело имеет наименьшую свободную энергию, и поэтому является равновесным при умеренных и низких температурах. Частицы твёрдого тела объединяются друг с другом с помощью химических связей. Уравнение для энергии связи любого типа может быть представлено в виде двучленного выражения, содержащего члены, отвечающие за энергию притяжения и энергию отталкивания. Суммарная энергия связи для кристалла имеет вид кривой, имеющей единственный минимум. Поэтому в каждом направлении частицы твёрдого тела располагаются в единственно возможных равновесных положениях, соответствующих минимуму энергии в данном направлении. Возникает строгая трёхмерная периодичность положения частиц, образующих твёрдое тело. Эта периодичность объясняет огранку кристаллов и анизотропию их свойств.

Идеальный кристалл твёрдого тела можно получить путём бесконечного повторения в пространстве определенной группы атомов или молекул данного вещества. В наиболее простом случае такая структурная единица состоит из одного атома. В более сложных веществах такая структурная единица содержит десятки и сотни, а в кристаллах белков — тысячи атомов или молекул.

Кристаллическую структуру описывают с помощью периодически повторяющейся в пространстве элементарной ячейки, имеющей форму параллелепипеда, и базиса — набора координат атомов в пределах элементарной ячейки. Каждая из таких элементарных ячеек может быть отнесена к одной из сингоний (по форме элементарной ячейки) или кристаллических систем (в зависимости от набора элементов симметрии кристалла). В зависимости от набора элементарных трансляций кристаллические решетки подразделяются на четырнадцать решёток Браве.

Обратная решётка

Пространственная решетка кристалла непригодна для анализа волновых процессов в кристалле. Для описания периодического распределения отражающей способности кристалла по отношению к рентгеновским лучам вводят понятие обратной решетки. Основные векторы обратной решетки в физике твёрдого тела вводятся соотношениями:

b 1 = 2 π a 2 × a 3 a 1 ⋅ ( a 2 × a 3 ) > =2pi > imes mathbf > >> cdot (mathbf > imes mathbf > )>>> b 2 = 2 π a 3 × a 1 a 2 ⋅ ( a 3 × a 1 ) > =2pi > imes mathbf > >> cdot (mathbf > imes mathbf > )>>> b 3 = 2 π a 1 × a 2 a 3 ⋅ ( a 1 × a 2 ) > =2pi > imes mathbf > >> cdot (mathbf > imes mathbf > )>>>

Данные векторы имеют размерность обратной длины. В кристаллографии обычно опускают в этих соотношениях множитель 2 π ; большинство же физиков множитель 2 π оставляют. Иногда этот вопрос становится предметом споров между кристаллографами и твердотельщиками. На самом деле здесь нет противоречия, это вопрос удобства, отсутствие множителя 2 π может упростить некоторые математические вычисления.

Кристаллическая решетка — решетка в обычном, реальном пространстве. Обратная решетка — решетка в пространстве Фурье. Другими словами, обратная решётка (обратное пространство, импульсное пространство) является Фурье-образом прямой кристаллической решётки (прямого пространства).

Дефекты кристалла

Все реальные твёрдые тела, как монокристаллические, так и поликристаллические, содержат так называемые структурные дефекты, типы, концентрация, поведение которых весьма разнообразны и зависят от природы, условий получения материалов и характера внешних воздействий. Большинство дефектов, созданных внешним воздействием, термодинамически неустойчиво, а состояние системы в этом случае является возбуждённым (неравновесным). Таким внешним воздействием может быть температура, давление, облучение частицами и квантами высоких энергий, введение примесей, фазовый наклёп при полиморфных и других превращениях, механическое воздействие и т. п. Переход в равновесное состояние (релаксация) может проходить разными путями и, как правило, реализуется посредством ряда метастабильных состояний.

Дефекты одних типов, взаимодействуя (рекомбинируя) с дефектами того же или иного типов, могут аннигилировать или образовывать новые ассоциации дефектов. Эти процессы сопровождаются уменьшением энергии системы.

По числу направлений N, в которых простирается нарушение периодического расположения атомов в кристаллической решетке, вызванное данным дефектом, выделяют дефекты:

В кристаллах элементарных веществ к точечным дефектам относят вакансии и межузельные атомы. В кристаллах соединений также возможные так называемые антиструктурные дефекты. В случае наличия в кристалле примесей возникают также дефекты связанные с атомами примеси. Точечные дефекты, не связанные с наличием примесей, называют собственными, связанные с наличием примесей — примесными. Для обозначения точечных дефектов чаще всего используют систему символов, состоящую из заглавной буквы, обозначающей тип дефекта, нижнего индекса, обозначающего положение дефекта, верхний индекс, обозначающий зарядовое состояние дефекта.

К линейным дефектам относят дислокации и дисклинации.

К двухмерным несовершенствам относят внутрифазные и межфазные границы.

К объемным (трёхмерным) дефектам относят скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например, пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение — нарушение режимов роста кристалла, распад пересыщенного твёрдого раствора, загрязнение образцов. В некоторых случаях (например, при дисперсионном твердении) объемные дефекты специально вводят в материал, для модификации его физических свойств.

Дефекты делят на термодинамически равновесные и термодинамически неравновесные.

К термодинамически равновесным относят точечные дефекты, при наличии которых энергия системы меньше, чем в их отсутствие. Это уменьшение энергии осуществляется за счет увеличения энтропии. К таким дефектам относятся только те, энергия которых может быть обеспечена флуктуациями тепловой энергии системы.

Все остальные точечные дефекты, а также все одно-, двух- и трёхмерные дефекты относятся к термодинамически неравновесным, и кристалл принципиально может быть получен без них.

Электропроводность

Фазовые переходы

Источник

Физика твёрдого тела

Это направление физики получило свой стремительный подъем с открытием квантовой механики, и особенно, после бурного прогресса в производстве полупроводниковой техники. Для него потребовалась разработка новых материалов, а значит более глубокое изучение микроструктуры веществ и их, как физических, так и химических свойств.

Физика твёрдого тела стала той опорой, теми тремя китами, на которых держатся все современные прогрессивные технологии. Ни одна сфера нашей сегодняшней жизни, от производства металла, бытовой техники, транспорта, до мобильных телефонов и компьютерного оборудования, не обходится без использования новейших открытий в физике твёрдого тела.

Физика по сути, это экспериментальная наука, и для проведения фундаментальных экспериментальных исследований также требуется высокоточное оборудование с применением новейших технологий, в том числе и разработок в физике твёрдых тел.

Многомиллионная армия научных сотрудников, инженеров и лаборантов трудится над практическим применением экспериментальных результатов по твердому сырью для разработки, совершенствования и производства новейших технических приспособлений, механизмов машин, станков, инструментов, электронных и механических устройств и аппаратов, которые так нужны в различных сферах нашей жизнедеятельности.

Исследовательские разработки в разных сферах физики твёрдого тела, прежде всего ведутся по таким основным сырьевым компонентам, как металлы и сплавы, диэлектрики, полупроводники и магнетики. Большинство из них имеют кристаллическую структуру. Их атомы и молекулы образуют трехмерно-периодическую пространственную укладку, именуемую кристаллической решёткой.

Отступления от идеальной формы кристаллической решётки бывают обусловлены возникновением вакансий в узлах решётки, заполнением этих узлов чужеродными атомами, возникновением междоузельных атомов или молекул, а также различного рода дислокациями. В основном подобные отступления от строгой периодичности структуры приоритетны при окончательном формировании итоговых физических свойств реальных кристаллических тел.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Свойства и структура твёрдых тел

Специфическое поведение твёрдых тел при воздействии на них различных видов энергий и называют их физическими свойствами. Из основных способов воздействия на тело можно выделить механический, термический, электрический, магнитный и световой. Согласно такому воздействию и квалифицируются физические свойства:

Выше перечисленные свойства изучаются в условиях воздействия механических сил, повышенных и низких температур, электрических и магнитных полей различной мощности, рентгеновского и разного рода светового излучения, направленных пучков нейтронов или электронов.

Химические характеристики твердых материалов приобретают большую значимость при исследовании поверхностных эффектов и процессов. Любое твёрдое тело, как и любое вещество, состоит из атомов и молекул. Твёрдые тела имеют упорядоченную структуру их расположения. Такая конфигурация имеет более низкий уровень энергии, поэтому более устойчива, чем при хаотическом размещении атомов и молекул.

Но уже как раз наличие атомов в кристаллической решётке обуславливает присутствие внутренних сил притяжения и отталкивания. И именно они, как связывают частицы в одно целое, так и обеспечивают наличие промежутков между ними. Следствием подобного взаимодействия получается, наступающая через некоторое время, потеря атомами индивидуальных, только им присущих, свойств и приобретение ними абсолютно новых, уже коллективных, характеристик определенной группы молекул.

В структуру атома входят положительно заряженное ядро и электроны, имеющие отрицательный заряд. Масса электронов намного меньше массы ядра, примерно несколько сотых процента от его массы. Функционирование кулоновских сил между заряженными субъектами взаимодействия осуществляет формирование притягивающих сил между ядром и электронами и систематически взаимно отталкивающих сил между движущимися электронами.

В то же время атомы и молекулы твёрдого тела в сущности сохраняют свое взаимное положение по отношению к другим атомам и молекулам. Говоря по-другому, плотно упакованы вместе и совершают небольшие колебания в районе положений равновесия.

Поэтому такие твёрдые объекты рассматриваются, как предметы, состоящие из групп взаимно отталкивающихся и в то же время притягивающихся частиц. Их физические свойства и особенности изучает не только физика твёрдого тела, как самостоятельная единица физики, но и такие разделы, как например, статика и кинетика, квантовая физика и другие её подразделения.

Симметрия и классификация твёрдых тел

Классификация кристаллов и их решеток проводится на основе понятия симметрии. Кристаллическая решётка способна обладать различными видами симметрии. Под этим утверждением подразумевается свойство решётки совпадать сама с собой при некоторых пространственных перемещениях, например, поворотах, отражениях и других действиях. Такие преобразования называются операциями симметрии.

В них могут встречаться такие элементы симметрии: поворотные, инверсионные, зеркально-поворотные оси, плоскости зеркального отражения и другие. Кристаллография, по мнению большинства ученых, довольно абстрактная область науки, но симметрия играет весомую роль в практическом объяснении и описании физических особенностей твёрдых тел.

Кристаллическая решётка

Все особенности свойств и характеристик твёрдых тел объясняются наличием кристаллической структуры на микроскопическом уровне, характеризующейся закономерной периодичностью распределения частиц, состоящих из одного или нескольких ионов. Исходя из этого сложилось определение кристаллической решётки, основу которой формируют ее узлы, состоящие из повторяющейся группы атомов.

Наличие определенной упорядоченности во взаимном расположении атомов и молекул в твёрдых телах всегда определена наличием ближнего или дальнего порядка. Если промежутки сравнимы с межатомными, то это будет ближний порядок. Если упорядоченность повторяется на бесконечно больших промежутках, то это будет дальний порядок.

В любой кристаллической решётке имеется возможность выделить некую примитивную ячейку, которая периодически повторяется по всему кристаллу. Её выделение дает возможность точного описания расположения атомов и ионов в кристаллическом материале, и посредством этих элементов симметрии получить характеристику общей структуры кристалла. Для этого используют векторную трансляцию.

Каждую элементарную, или ранее названную примитивную, ячейку задают с помощью трех осей, называемых векторами физической трансляции. Эти векторы бывают различной длины. Трансляционный повтор таких эффектов в пространстве кристалла помогает получить решётки Браве. Решётка Браве — это математическая схема, отражающая трансляционную симметрию кристалла.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Таких решёток 14. С их помощью можно описать всю многоликость мира кристаллов. Они представляют собой бесконечную периодическую структуру, обладающую одинаковым пространственным порядком и ориентацию независимо от того, какой узел был принят за начало отсчета. Примером самой простой объемной решётки считается обычная кубическая решётка. По видам элементарной ячейки определяют к какой из семи сингоний принадлежит решётка Браве:

При преобразовании симметрии само пространство не деформируется, а остается жестким целым. По окончании преобразования симметрии части исследуемого объекта, которые находятся в одном месте, полностью совпадают с частями этого объекта, находящимися в другом месте. Это подтверждается фактом наличия в симметричном объекте совместимых или зеркальных частей.

Классификация групп ведется по числу измерений пространства, в котором объект периодичен. А также, по числу измерений пространства, в которых они определены, и по другим признакам. Всего групп тридцать две. Таким образом, если подвергнуть решётки Браве изменениям симметрии, то можно получить все необходимые кристаллические структуры и с математической точки зрения описать симметрию абсолютно любого кристалла и любого твёрдого тела.

Источник

Физика твёрдого тела

Фи́зика твёрдого те́ла — раздел физики конденсированного состояния, задачей которого является описание физических свойств твёрдых тел с точки зрения их атомарного строения. Интенсивно развивалась в XX веке после открытия квантовой механики. Развитие стимулировалась широким спектром важных задач прикладного характера, в частности, развитием полупроводниковой техники.

В настоящее время физика твёрдого тела разбилась на большое количество более мелких направлений.

Содержание

История

Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны ещё несколько тысячелетий назад. Одна из наиболее ранних зарисовок кристаллов содержится в китайской фармакопее одиннадцатого века нашей эры. Кристаллы кварца из императорской короны, сохранившиеся с 768 года нашей эры, находятся в Сёсоине, сокровищнице японских императоров в Нара. Кристаллом называли вначале только лёд, а затем и кварц, считавшийся окаменевшим льдом. В конце эпохи средневековья слово «кристалл» стало употребляться в более общем смысле.

Геометрически правильная внешняя форма кристаллов, образующихся в природных или лабораторных условиях, натолкнула ученых ещё в семнадцатом веке на мысль, что кристаллы образуются посредством регулярного повторения в пространстве одного и того же структурного элемента. При росте кристалла в идеальных условиях форма его в течение всего роста остается неизменной, как если бы к растущему кристаллу непрерывно присоединялись бы элементарные кирпичики. Сейчас известно, что такими элементарными кирпичиками являются атомы или группы атомов. Кристаллы состоят из атомных рядов, периодически повторяющихся в пространстве и образующих кристаллическую решетку. В восемнадцатом веке минералогами было сделано важное открытие. Оказалось, что индексы, определяющие положение в пространстве любой грани кристалла, суть целые числа. Гаюи показал, что это можно объяснить расположением идентичных частичек в ряды, периодически повторяющиеся в пространстве. В 1824 году Зибер из Фрайбурга предположил, что элементарные составляющие кристаллов («кирпичики», атомы)являются маленькими сферами. Он предложил эмпирический закон межатомной силы с учетом как сил притяжения, так сил отталкивания между атомами, что было необходимо для того, чтобы кристаллическая решетка была стабильным равновесным состоянием системы идентичных атомов.

Пожалуй, наиболее важной датой в истории физики твердого тела является 8 июня 1912 года. В этот день в Баварской Академии наук в Мюнхене слушался доклад «Интерференция рентгеновских лучей». В первой части доклада Лауэ выступил с изложением элементарной теории дифракции рентгеновских лучей на периодическом атомном ряду. Во второй части доклада Фридрих и Книппинг сообщили о первых экспериментальных наблюдениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. Этой работой было показано, что рентгеновские лучи являются волнами, так как они способны дифрагировать. Работа неопровержимо доказала также, что кристаллы состоят из периодических рядов атомов. С этого дня началась та физика твердого тела, какой мы знаем её сегодня. В годы, непосредственно следующие за 1912 годом, в физике твердого тела было сделано много важных пионерских работ. Первыми кристаллическими структурами, определенными У. Л. Брэггом в 1913 года с помощью рентгеновского дифракционного анализа, были структуры кристаллов KCl, NaCl, KBr и KI.

После открытия дифракции рентгеновских лучей и публикации серии простых и весьма успешных работ с расчетами и предсказаниями свойств кристаллических веществ началось фундаментальное изучение атомной структуры кристаллов.

В 1930-e годы работами В. Гейзенберга, Паули, М. Бopна были созданы основы квантово-механической теории твердого тела, что позволило объяснить и прогнозировать интересные физические эффекты в твердых телах. Ускоряли формирование физики твердого тела потребности нарождающейся твердотельной электроники в новых сверхчистых материалах. Здесь можно указать важнейшее событие — открытие в 1948 г. У.Шокли, У.Браттейном и Дж. Бардином усилительных свойств транзистора.

В настоящее время методы и теория твердого тела, развитые для описания свойств и структуры монокристаллов, широко применяются для получения и исследования новых материалов: композитов и наноструктур, квазикристаллов и аморфных твердых тел. Физика твердого тела служит основой для изучения явлений высокотемпературной сверхпроводимости, гигантского магнетосопротивления и многих других перспективных современых наукоемких технологий.

Физика твердого тела сводится, в сущности, к установлению связи между свойствами индивидуальных атомов и молекул и свойствами, обнаруживаемыми при объединении атомов или молекул в гигантские ассоциации в виде регулярно-упорядоченных систем — кристаллов. Эти свойства можно объяснить, опираясь на простые физические модели твердых тел. Реальные кристаллы и аморфные твердые тела значительно сложнее, но эффективность и полезность простых моделей едва ли можно переоценить. Предметом данной области науки являются, прежде всего, свойства веществ в твердом состоянии, их связь с микроскопическим строением и составом, эвристическое прогнозирование и поиск новых материалов и физических эффектов в них. Фактически физика твердого тела служит базой для физического материаловедения.

Кристаллофизика

Кристаллы — это твердые вещества, в которых атомы располагаются правильным образом относительно друг друга. Эту правильность их относительного взаимного расположения можно описать на основе понятий симметрии; элементы симметрии кристалла определяют симметрию его физических свойств.

Обычно считается, что кристаллы имеют правильную форму с плоскими гранями и прямыми ребрами. Симметрия и правильность внешней формы кристаллических многогранников отличительная, но не обязательная их особенность. В заводских и лабораторных условиях часто выращивают кристаллы не многогранные, что, однако, не изменяет их свойств.

Из всех состояний вещества твёрдое тело имеет наименьшую свободную энергию, и поэтому является равновесным при умеренных и низких температурах. Частицы твердого тела объединяются друг с другом с помощью химических связей. Уравнение для энергии связи любого типа может быть представлено в виде двучленного выражения, содержащего члены, отвечающие за энергию притяжения и энергию отталкивания. Суммарная энергия связи для кристалла имеет вид кривой, имеющей единственный минимум. Поэтому в каждом направлении частицы твердого тела располагаются в единственно возможных равновесных положениях, соответствующих минимуму энергии в данном направлении. Возникает строгая трехмерная периодичность положения частиц, образующих твердое тело. Эта периодичность объясняет огранку кристаллов и анизотропию их свойств.

Идеальный кристалл твердого тела можно получить путем бесконечного повторения в пространстве определенной группы атомов или молекул данного вещества. В наиболее простом случае такая структурная единица состоит из одного атома. В более сложных веществах такая структурная единица содержит десятки и сотни, а в кристаллах белков — тысячи атомов или молекул.

Кристаллическую структуру описывают с помощью периодически повторяющейся в пространстве элементарной ячейки, имеющей форму параллелепипеда, и базиса — набора координат атомов в пределах элементарной ячейки. Каждая из таких элементарных ячеек может быть отнесена к одной из сингоний (по форме элементарной ячейки) или кристаллических систем (в зависимости от набора элементов симметрии кристалла). В зависимости от набора элементарных трансляций кристаллические решетки подразделяются на четырнадцать решёток Браве.

Обратная решётка

Пространственная решетка кристалла непригодна для анализа волновых процессов в кристалле. Для описания периодического распределения отражающей способности кристалла по отношению к рентгеновским лучам вводят понятие обратной решетки. Основные векторы обратной решетки в физике твердого тела вводятся соотношениями:

Кристаллическая решетка — решетка в обычном, реальном пространстве. Обратная решетка — решетка в пространстве Фурье. Другими словами обратная решётка (обратное пространство, импульсное пространство) является Фурье-образом прямой кристаллической решётки (прямого пространства).

Дефекты кристалла

Дефекты одних типов, взаимодействуя (рекомбинируя) с дефектами того же или иного типов, могут аннигилировать или образовывать новые ассоциации дефектов. Эти процессы сопровождаются уменьшением энергии системы.

По числу направлений N, в которых простирается нарушение периодического расположения атомов в кристаллической решетке, вызванное данным дефектом, выделяют дефекты:

В кристаллах элементарных веществ к точечным дефектам относят вакансии и межузельные атомы. В кристаллах соединений также возможные так называемые антиструктурные дефекты. В случае наличия в кристалле примесей, возникают также дефекты связанные с атомами примеси. Точечные дефекты, не связанные с наличием примесей называют собственными, связанные с наличием примесей — примесными. Для обозначения точечных дефектов чаще всего используют систему символов, состоящую из заглавной буквы, обозначающей тип дефекта, нижнего индекса, обозначающего положение дефекта, верхний индекс, обозначающий зарядовое состояние дефекта.

Точечные дефекты могут образовывать кластеры (например: пара Френкеля , дефект Шотки — атом, ушедший на поверхность или в дислокацию с образованием вакансии — и мн. др.), скопления (например, две расположенные рядом вакансии — бивакансия), переходить в заряженное состояние (ионизовываться), то есть играть роль доноров или акцепторов.

К линейным дефектам относят дислокации и дисклинации.

К двухмерным несовершенствам относят внутрифазные и межфазные границы.

К объемным (трехмерным) дефектам относят скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение — нарушение режимов роста кристалла, распад пересыщенного твердого раствора, загрязнение образцов. В некоторых случаях (например, при дисперсионном твердении) объемные дефекты специально вводят в материал, для модификации его физических свойств.

Дефекты делят на термодинамически равновесные и термодинамически неравновесные.

К термодинамически равновесным относят точечные дефекты, при наличии которых энергия системы меньше, чем в их отсутствие. Это уменьшение энергии осуществляется за счет увеличения энтропии. К таким дефектам относятся только те, энергия которых может быть обеспечена флуктуациями тепловой энергии системы.

Все остальные точечные дефекты, а также все одно-, двух- и трехмерные дефекты относятся к термодинамически неравновесным, и кристалл принципиально может быть получен без них

Источник