Типы межатомной связи и классификация твердых тел
По характеру сил связи твердые кристаллические тела можно разделить на четыре группы:
- ионные кристаллы, в которых основным видом связи является ионная;
- атомные кристаллы, в которых основные связи ковалентные;
- металлические кристаллы с характерной металлической связью;
- молекулярные кристаллы, в которых связь осуществляется в основном силами Ван-дер-Ваальса.
Число К ближайших соседей, окружающих ион (атом) в решетке, называют координационным числом решетки.
Атомные (ковалентные) кристаллы. Для уяснения природы ковалентной связи рассмотрим простейший пример взаимодействия двух атомов водорода (рис. 1.13, а).
Рис 1 13. К объяснению природы ковалентной связи в молекуле водорода:
а — схематическое изображение атомов водорода А и В; a, b — ядра атомов,
1 — электрон атома А, 2 — электрон атома В,
б — распределение электронной плотности в системе из двух атомов водорода: 1 — распределение электронной плотности в изолированных атомах Н, 2 — электронная плотность, которая получилась бы при простом наложении электронных облаков изолированных атомов, сближенных до расстояния r0, 3 — действительное распределение плотности в молекуле Н2
При r 2 Ǻ наступает перекрытие электронных облаков этих атомов. Электроны в этом состоянии принадлежат одновременно обоим ядрам, обобществлены.
Энергию связи, возникающую в результате по-парного обобществления электронов, называют обменной.
Рис. 1.14. Схематическое изображение структуры
Кристаллов с ковалентной связью: а — элементы группы ivb;
б —элементы группы VB;
Алмаз, кремний, германий являются элементами IV группы. Поэтому они имеют тетраэдрическую решетку, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, как показано на рис. 1.14, а.
Ковалентные кристаллы обладают высокой прочностью, твердостью, имеют высокие точки плавления и теплоты сублимации.
Дефекты реальных кристаллов
Примеси. Твердые тела всегда содержат примеси. Процесс растворения состоит в том, что примесные атомы внедряются в промежутки между атомами кристалла (рис. 1.15, а) или замещают часть этих атомов, размещаясь в узлах решетки (рис. 1.15, б). В первом случае твердый раствор называется раствором внедрения, во втором — раствором замещения. Присутствие чужеродных атомов вызывает искажение решетки.
Рис.1.15. Искажение кристаллической решетки в твердых растворах
Внедрения (а) и замещения (б)
Дефекты по Френкелю и по Шоттки. При любой температуре в кристалле атомы, обладающие достаточно высокой энергией, могут удаляться на значительные расстояния от положений равновесия и преодолевать потенциальный барьер (рис. 1.16, а). Процесс сопровождается возникновением вакантного узла и атома в междоузлии. Такого рода дефекты называются дефектами по Френкелю.
При полном испарении атом покидает поверхность кристалла, при частичном испарении он с поверхности переходит в положение над поверхностью (рис. 1.16, б). В поверхностном слое кристалла образуется вакансия. Путем замещения вакансия перемещается внутрь кристалла. Такого рода вакансии называют дефектами по Шоттки.