Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

visnyk_chnu_2001_0102

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
6.99 Mб
Скачать

Звязок швидкості росту кристалів із поверхневою енергією твердого тіла (огляд робіт Ю.В. Вульфа)

трична куляста форма краплі при цьому вказує

кристал росте не з розчину, а з розплаву, утво-

на те, що на кожній одиниці поверхні рідини по-

рюються такі самі потоки, але з іншої причини:

верхнева енергія однакова, або, як кажуть, однако-

процес кристалізації супроводиться виділенням

ваїї"питома" поверхнева енергія.

теплоти, внаслідок чого нагріта рідина як легша

Тверді тіла також мають поверхневу енергію,

утворює вертикальний потік над кристалом, а

яка виявляється хоч би тим, що тверде тіло нама-

на її місце притікає з різних сторін холодніша

гається розтягти по своїй поверхні краплю ріди-

рідина.

ни (явище змочування). Але якщо формою рівно-

Щоб усунути вплив концентраційних потоків

ваги рідини є крапля, то формою рівноваги твер-

на підростаючий кристал, Вульф побудував ви-

дого тіла є кристал. Кристалічна речовина від-

найдений ним обертовий кристалізатор: посуди-

різняється від рідини наявністю у ній анізотропії

на з розчином обертається навколо горизонталь-

(властивості кристалічної речовини різні у різних

ної осі разом із закріпленим на її осі кристалом;

напрямах). У зв'язку з анізотропією питома по-

внаслідок цього через кожні півоберту верхня і

верхнева енергія кристала неоднакова на різних

нижня сторони кристала міняються місцями, і

його гранях.

переважний вплив концентраційних потоків на

На цю останню обставину вказав уперше фра-

яку-небудь сторону кристала усувається. Цей

нцузький фізик Кюрі, який згодом став відомий

прийом дав змогу Вульфу добитися правильної

своїми роботами з радіоактивності. Гіббс в Аме-

рівноважної форми кристалів і є аналогічним

риці і Кюрі встановили принцип, за яким крис-

дослідові Плато для рідин.

тал, що перебуває у рівновазі з своїм маточним

Далі цей метод розвинув учень Ю.В. Вульфа

розчином (або розплавом), повинен мати най-

А.В. Шубніков, який дістав великі прозорі крис-

меншу поверхневу енергію, подібно до краплі

тали бездоганно правильної форми.

рідини. Але оскільки питома поверхнева енергія

Виходячи з принципу Гіббса-Кюрі, Вульф

на різних ділянках поверхні кристала не однакова,

прийшов теоретичним шляхом до такого виснов-

то формою рівноваги може бути вже не куля, а

ку: у рівноважному кристалі питомі поверхневі

багатогранник. При цьому умова найменшої по-

енергії різних граней повинні бути пропорцій-

верхневої енергії вимагає, щоб у цьому багато-

ними відстаням цих граней від "центра росту"

граннику мали найбільшу величину ті грані, які

кристала, тобто від центра, з якого кристал почав

маютьнайменшу питому енергію, інавпаки, грані

рости; але очевидно, що ці відстані пропорційні

з великою питомою енергією повинні бути малі

тим швидкостям, з якими різні грані переміща-

або зникнути, якщо вони випадково утворилися.

ються, коли кристал росте у напрямі, перпен-

Проте правильна форма рівноваги кристала

дикулярному до їх площини. Звідси Вульф ви-

так само, як і у рідини, може утворюватися тіль-

вів такий закон: швидкості росту граней крис-

ки тоді, коли немає зовнішніх впливів, зокрема,

тала пропорційні питомим поверхневим енергіям

коли немає впливу ваги. Сила ваги, зрозуміло,

цих граней.

не може безпосередньо змінити форму кристала,

Отже, закон Вульфа дає змогу знаходити від-

а проте вона дуже впливає на форму кристала

носні величини поверхневої енергії граней крис-

під час його росту, що й виявив уперше у 1895 р.

тала, вимірюючи відстані цих граней у правильно

Вульф.

утвореному кристалі від центра росту або, що те

Коли кристал росте з розчину, то найближча

саме, вимірюючи половини відстаней між пара-

частина розчину, що прилягає до кристала, віддає

лельними гранями. За думкою, висловленою

розчинену речовину підростаючому кристалу,

кристалографом Зонке, поверхнева енергія граней

стає внаслідок цього легшою від навколишнього

тим менша, чим більша їх "ретикулярна густина",

густішого розчину і піднімається над кристалом

тобто чим ближчі один до одного атоми, що роз-

вертикальним потоком. Замість розчину, що від-

ташовуються у площині цієї грані, через те, згідно

ходить, до кристала притікають нові порції гус-

з принципом Гіббса-Кюрі, грані з більшою рети-

тішого розчину, з різних сторін неоднаково, най-

кулярною густиною повинні зустрічатися у кри-

менше зверху. Такі "концентраційні" потоки Ву-

сталі частіше.

льфу вдалося сфотографувати. Вони зумовлені

Вульф провів ряд дослідів для безпосеред-

дією ваги і створюють неоднакові умови для рос-

нього вимірювання швидкостей росту криста-

ту кристала у різних напрямах. У випадку, коли

лічних граней. Для цього він примушував крис-

Науковий вісник Чернівецького університету. 2001. Випуск 102. Фізика.Електроніка.

111

Н.П. Форостяна

талізуватися так звану моровську сіль, тобто подвійну сірчанокислу сіль заліза і амонію, на поверхні вже готових кристалів такої ж солі, але до складу якої замість заліза входить цинк, причому обидві солі мають однакову кристалічну форму. Перша сіль голубуватого кольору, друга – безколірна, внаслідок кристалізації безколірні кристали вкриваються кіркою забарвленої моровської солі. Добуті кристали розпилювали, потім вимірювали товщину зрослої кірки у напрямах, перпендикулярних до різних граней кристала. ТакВульфвиявивздопомогоюдослідурізну швидкість росту різних граней і знайшов відповідність з їх ретикулярною густиною, а звідси з їх відносною поверхневою енергією, як цього вимагала його теорія. Отже, закон Вульфа дістав експериментальне підтвердження. Цікаве те, що поверхнева енергія граней залежить не тільки від властивостей кристала, а й від властивостей маточного розчину, зокрема, від наявності у ньому тих чи інших домішок. Цим пояснюється той факт, що наявність домішок у розчині може змінити форму кристала, змінюючи відносну швидкість росту різних граней. Закон Вульфа, що по- в'язує швидкість росту граней кристала з їх поверхневою енергією, є одним з найважливіших законівкристалографії.

Ідеї, викладені Вульфом у своїх роботах, мають відгук не лише у кристалографії, а й у квантовій фізиці при вивченні енергетичних зон у кристалах.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1.Вульф Ю.В. К вопросу о скоростях роста и растворения граней. В 9 т. - Варшава, 1895. Т.7-9, 1896.

Т.1-2. - С.1-120.

2.Нариси з історії фізики в Росії / Під ред. А.К. Тімірязєва. - Київ: Радянська школа, 1951.

112

Науковий вісник Чернівецького університету. 2001. Випуск 102. Фізика.Електроніка.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]