8.3. Дефекты кристаллов
Идеальный
кристалл, т.е. правильное, бесконечно
повторяющееся в пространстве расположение
структурных частиц в узлах кристаллической
решетки, в природе не существуют. Любой
реальный кристалл всегда содержит
дефекты физической и химической природы.
Дефекты – это микроскопические области
внутри монокристалла с нарушенным
порядком расположения частиц. Дефекты
подразделяются на точечные (нуль-мерные),
линейные (одномерные), поверхностные
(двумерные) и объемные (трехмерные). К
точечным дефектам относятся вакансии
и межузельные атомы. Вакансии – это
незанятый узел решетки, а межузельный
атом – структурная частица, перемещенная
из узла в позицию между узлами (междоузлие).
Вакансии и атомы в междоузлиях существуют
в кристалле при любой отличной от нуля
температуре. Они появляются вследствие
теплового движения частиц. При тепловом
движении частицы обмениваются энергией,
и некоторые из них могут получить
энергию, достаточную для преодоления
сил, удерживающих частицы в узле решетки.
Пусть
- энергия, необходимая для удаления
частицы из узла (энергия активации). Эта
энергия для частицы является
термодинамически потенциальным барьером
высотой
.
Вероятность его преодоления определяется
больцмановским множителем
Поэтому число дефектов (их концентрация)
будет пропорциональна этому множителю,
а значит, при любой
будет
существовать какое-то количество
точечных дефектов. Существование
точечных дефектов можно объяснить и
исходя из того, что термодинамически
равновесное состояние кристалла
определяется минимумом его свободной
энергии
Энтропия кристалла будет тем больше,
чем больше беспорядка в расположении
его частиц. Образование дефектов
увеличивает степень беспорядка кристалла,
а значит, увеличивает его энтропию S
и уменьшает свободную энергию F
кристалла. Поэтому, хотя энергия U
минимальна в том случае, когда каждая
частица находится в своем правильном
расположении, при любой отличной от
нуля температуре T
в кристалле должно существовать
определенное равновесное число дефектов.
Кроме собственных точечных дефектов,
в кристалле могут существовать и
примесные. К ним относятся чужеродные
частицы, т.е. частицы другого химического
вещества. Эти атомы могут либо замещать
атомы основного вещества, либо
располагаться в междоузлиях. В первом
случае кристалл называют твердым
раствором замещения, а во втором –
твердым раствором внедрения.
Одномерные (линейные) дефекты, иначе называемые дислокациями, обусловлены либо смещением одной части решетки по отношению к другой параллельно линии дислокации (винтовая дислокация), либо недостроенностью какой-либо атомной плоскости (краевая дислокация). Поверхностные дефекты образуются границами зерен. Граница зерна это поверхность, отделяющая одно зерно от другого. Одним из важнейших поверхностных дефектов является внешняя поверхность твердых тел. Как и в жидкости и по той же причине, поверхностный слой имеет избыточную энергию, которая называется поверхностной энергией твердого тела. К объемным дефектам относятся трещины и поры внутри кристалла.
Дефекты оказывают существенное влияние на все механические и физические свойства твердых тел.