2. Кристаллические твердые тела

Для того, чтобы перейти к описанию свойств твердых тел, необходимо, насколько позволяет объем и задачи данного учебного пособия, рассмотреть кристаллические тела, их структуру, вспомнить о природе сил связи, нормальных колебаниях решетки и фононах. Иметь представления об электронах, энергетическом спектре, их взаимодействии и образовании связанных состояний.

В связи с широким использованием низких и сверхнизких температур в различных отраслях промышленности возникают задачи создания аппаратов для получения хладоагентов, их перевозки и хранения, а также различного рода конструкций, работающих при низких температурах или создания криогенных высокочувствительных устройств. Это требует особого подхода к выбору конструкционных материалов и технологической обработке их, пониманию физических процессов, происходящих в них. Это приводит к повышению надежности, долговечности работы создаваемых криогенных аппаратов и устройств.

При расчетах на прочность криогенного оборудования основным критерием является определенное соотношение прочности и пластичности материала. Материал в условиях эксплуатации, в том числе в области низких температур не должен обладать склонностью к хрупкому разрушению. Существует связь между кристаллической структурой металла и его склонностью к хрупкому разрушению при низких температурах. Так, металлы с объемно-центрированной решеткой (ниобий, молибден, углеродистые стали и др.) обнаруживают эту склонность к хрупкому разрушению, а металлы с гранецентрированной решеткой (медь, алюминий, аустенитные стали с высоким содержанием никеля) не охрупчиваются. Цирконий же и чистый титан в этих условиях остаются пластичными. Все это свидетельствует о важности изучения реальной кристаллической решетки, понимании роли ее дефектов и их взаимодействия.

Известно, что вещества вообще могут находиться в трех агрегатных состояниях, но уже в области комнатных и низких температур; подавляющее большинство из них переходят в твердое состояние. Твердые тела находятся в свою очередь в кристаллическом и аморфном состояниях. Аморфные тела имеют лишь ближний порядок, проявляющийся в связях их ионов с ближайшими соседями и не обладают дальним порядком, присущим кристаллическим телам.

Кристаллическим называется твердое тело, в котором пространственное расположение атомов повторяется периодически. Сами атомы связаны между собой за счет сил притяжения или отталкивания электрических зарядов. Известны следующие связи:

за счет сил Ван-дер-Ваальса - это слабые связи, с энергией ~ 0,2 эВ на атом, реализуемые между нейтральными атомами или молекулами;

ковалентная связь, образуется парой электронов, принадлежащих двум атомам;

ионная связь, осуществляемая разноименно заряженными ионами, в которых силы притяжения доминируют над силами отталкивания;

водородная связь;

металлическая.

В принципе совершенный кристалл представляет собой множественное повторение по трем осям структурных единиц - элементарных ячеек. Для описания структуры кристалла помимо пространственной решетки необходимо указать еще и базис. Базис- это совокупность координат атомов, межатомных расстояний, углов связей идентичная для каждого атома пространственной решетки.

Элементарная ячейка - наименьшая фигура, построенная на векторах а,в,с, в вершинах которой располагаются одинаковые атомы.