13

Глава 2. Строение и механические свойства твердых тел

В громадных, необозримых пространствах Вселенной основная масса вещества находится в редком для нашей Земли состоянии – в виде плазмы и разреженного межзвездного газа. И только в холодных, заброшенных уголках мироздания возникает конденсированное состояние вещества, появляются жидкости и твердые тела. Именно они так привычны для нас в наших земных условиях. Но всегда необходимо помнить, насколько редки эти уголки и насколько далеко друг от друга они находятся.

Наибольшее удивление вызывает тот факт, что почти все вещество вокруг нас, по крайней мере в неживой природе, находится в твердом состоянии. Редким исключением является вода при обычных температурах, да газ нашей атмосферы. При этом замечательное многообразие твердых тел и их свойств не только вызывает изумление, но и позволяет говорить об их прямом влиянии на историю человечества и его культуру.

По своему строению и физическим свойствам твердые тела делятся на аморфныеикристаллические.Основной особенностью кристаллов является периодичность пространственного расположения атомов или молекул, из которых они состоят. Аморфные твердые тела характеризуются беспорядочным, то есть случайным расположением атомов в пространстве и по своему строению ближе подходят к жидкостям.

Аморфные вещества (янтарь, сургуч, воск, стекло) можно расматривать как жидкости с очень высоким коэфициентом вязкости. Вязкость у них быстро возрастает с понижением температуры, что затрудняет перемещение атомов или молекл, необходимое для формирования и роста кристалла. Образно говоря, при образовании аморфных тел вещество успевает затвердеть до того, как оно превратится в кристалл. Если аморфное тело нагреть, то оно постепенно размягчается. При этом переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.

У аморфных веществ можно наблюдать даже слабо выраженное свойство текучести. Измерения толщины оконных стекол в старых зданиях, например, показали, что за несколько веков стекло успело «стечь» сверху вниз, так что нижняя часть стекла оказалась немного толще, чем нижняя.

Все это говорит о том, что, строго говоря, твердыми телами следует называть только кристаллы.

§4 Строение и симметрия кристаллов

Кристаллическое строение имеет подавляющее большинство твердых тел в природе. Такое же строение имеет и подавляющее большинство используемых в современной технике материалов. Сталь для машин, алюминиевые сплавы для ракет и самолетов, полупроводниковые приборы и многое другое содержат в основе кристаллы разного типа, с разными свойствами, но объединенные одним общим главным качеством: правильным расположением атомов или молекул в пространстве.

Именно упорядоченное расположение атомов или молекул благодаря наличию взаимодействия между ними соответствует термодинамически равновесному состоянию вещества при достаточно низких температурах. Аморфное состояние не является термодинамически равновесным, поэтому рано или поздно аморфное тело, предоставленное самому себе, переходит в равновесное состояние –кристаллизуется. Другое дело, что время кристаллизации может быть сколь угодно большим.

Рис. 4.1. Кварц – кристаллическая форма оксида кремния SiO2.

Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны еще несколько тысячелетий назад. Однако вначале кристаллом называли только лед, а затем и кварц (рис.4.1), считавшийся окаменевшим льдом. И лишь в конце эпохи средневековья слово «кристалл» стало употребляться в более общем смысле.

Вся наука о кристаллах началась с осознания того факта, что независимо от своего происхождения кристаллы одного сорта имеют одинаковые внешние формы и внутреннее строение. В 1669 г. датский естествоиспытатель Николаус Стено (1638–1686) открылзакон постоянства углов между гранями кристалла, а в 1774 г. французский минеролог Рене Гаюи (1743–1822) сформулировалзакон целых чисел, согласно которому положение любой грани кристалла в пространстве может быть выражено тремя целыми числами. Эти открытия потребовали использования математических понятий для строгого описания формы кристаллов. С этих открытий и началасьнаучная кристаллография.

Основы физической кристаллографии, устанавливающей связь между свойствами кристаллов и свойствами атомов, из которых они состоят, были заложены нашим соотечественником Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711–1765), догадки которого тем более удивительны, что в годы его жизни не существовало сколько-нибудь правильных представлений о природе атомов и молекул. Однако настоящий расцвет кристаллографии начался в первые годы XX века, после открытия (в 1895 г.) рентгеновских лучей.

Применение таких лучей к расшифровке кристаллической структуры (М. Лауэ, 1912 г.) вооружило исследователей мощнейшим инструментом, позволяющим с точностью до четвертого знака после запятой определять межатомные расстояния в кристаллах. После этого экспериментальные исследования кристаллов стремительно двинулись вперед, и этот марш продолжается до сих пор.

В России начала XX века возникли две школы кристаллографов. Первую из них возглавил Евграф Степанович Федоров (1853–1919), который создал учение о строении и симметрии кристаллов, лежащее в основе современной структурной кристаллографии. Георгий Викторович Вульф (1863–1925) больше тяготел к физическому описанию природы кристаллов. Он первым в России начал использоватьрентгеноструктурный анализстроения кристаллов и получил основное уравнение рентгеноструктурного анализа, известное как уравнение Вульфа-Брэгга. Ученик Вульфа Алексей Васильевич Шубников (1887–1970), организатор первого в мире Института кристаллографии Российской Академии наук, вошел в историю не только как выдающийся исследователь свойств кристаллов, но и как пионер использования кристаллов в промышленных масштабах.

Геометрически правильная внешняя форма кристаллов, образующихся в природных или лабораторных условиях, еще в 17 веке натолкнула ученых на мысль, что кристаллы образуются посредством регулярногоповторения в пространстве одних и тех же структурных элементов. Как выяснилось позже, этими элементами являются атомы или группы атомов. В наиболее простых кристаллах структурная единица состоит из одного атома. В кристаллах более сложных веществ структурная единица может содержать несколько сотен и даже тысяч (как в белковых кристаллах) атомов или молекул.

Периодически повторяющиеся в пространстве группы атомов, из которых состоит кристалл, образуют кристаллическую решетку.