3 Порівняльна характеристика поверхневої енергії і поверхневого натягу, їхня розмірність.

Частицы кристалической решётки (атом, ион, молекула) расположенные внутри кристалла испытывают силы взаимодействия со стороны всех окружающих соседних частиц и находятся в состоянии равновесия. Равнодействующая всех этих сил со стороны окружающих частиц на эту частицу = 0.

В иных условиях находится частица кристалла на его поверхности, т.к. взаимодействующие с ней частицы находятся только с одной стороны ( со стороны кристалла). Чтобы при таком нессиметричном силовом поле равнодействующая всех сил, действующих на поверхность частицы равнялась «0», частицы кристалла вблизи поверхности должны распологаться иначе, чем на внутренних участнах кристалла. Эти частицы образуют поверхностный слой.

Чтобы переместить внутреннюю частицу тела на поверхность твёрдого тела нужно сове6ршить определённую работу, которая переходит в потенциальную энергию поверхностной частицы. Отсюда следует, что все частицы в поверхностном слое обладают большим запасом потенциальной энергии чем внутренние частицы. На поверхности твёрдого тела сосредотачивается избыток энергии.

Избыток энергии поверхностного слоя отнесённый к единице площади называется удельной потенциальной энергией «σ».

Работа (энергия), которую необходимо затратить на образование единицы новой поверхности измеряется в (Эрг / см2).

Всякий кристалл обладает внутренней и поверхностной энергией.

Внутренняя энергия измеряется той работой, которую нужно затратить чтобы разделить кристалл на частицы и удалить их на такое расстояние друг от друга при котором прекращается взаимодействие между ними.

Эта внутрення энергия пропорциональна объёму кристалла и для двух кристаллов одного и того же вещества имеющего одинаковый объём она одинакова.

Поверхностная энергия пропорциональна поверхности кристалла, следовательно – полная энергия кристалла состоит из внутренней энергии и поверхностной энергии.

Если взять два кристалла одного и того же вещества с одинаковыми объёмами на разных поверхностях, то полная энергия будет больше у кристалла с большей поверхностью.

Поверхностная энергия (поверхностное натяжение) – сила, которую необходимо приложить к единице длины, чтобы разорвать поверхностный слой. В этом случае σ имеет размерность ( дин / см).

Поверхностная энергия и поверхностное натяжение – синонимы.

4 Поверхневий шар твердого тіла, згущення поверхневої енергії.

Рассмотрим модель характерного положения атомов на поверхности.

Рис.1 Схема возможных характерных положений атомов и выход дефектов на поверхность кристалла с кубической решёткой.

На такой поверхности атомы могут находится в следующих положениях:

1 – На полнлстью заполненной грани, 2 – в вершине угла, 3 – на целиком заполненной поверхности, 4 – на незаполненном крае, 5 – в вершине незаполненного угла, 6 – на ступеньке, 7 – на поверхности.

Из всех положений атомов для практики наиболее важно полукристаллическое положение ½, которое наиболее часто встречается при постепенном выращивании кристаллов и нанесении покрытий.

Силы связи, которые действуют на атомы со стороны соседних атомов зависят от его положения на поверхности.

Схема сгущения энергии на поверхности раздела двух фаз.

Если соприкасаются две фазы (твёрдое тело и жидкость), то между фазами образуется поверхностный слой, где сосредотачивается избыток энергии.Поверхностный слой состоит из двух слоёв: 1- принадлежит первой фазе, 2- принадлежит второй фазе.

Каждый слой занимает определённый объём.

На рисунке И1 и И2 энергия первой и второй фаз без учёта поверхностных явлений, S-площадь соприкосновения фаз.

Тогда энергия системы: UΣ = Uф1 + Uф2 + σ*S

σ – избыток энергии, рассчитанный на единицу площади соприкосновения, откуда:

σ = UΣ – (Uф1 - Uф2) / S = Us / S

Us – сгущение энергии в поверхностном слое.

Поверхностный слой находится в упруго-напряжённом состоянии, что вызывает сгущение энергии.