КНІГІ ОНЛАЙН
Пошук сярод кніг, што прайшлі індэксацыю гуглам. Некаторыя кнігі гугл не знаходзіць
Метал можна ўявіць як крышталічную рашотку, якая складасцца з дадатных іонаў і нібы запоўнсна «газам» свабодных элсктронаў. Узасмадзсяннс паміж гэтым газам і дадатнымі іонамі прыводзіць да з’яўлсння вялікіх сіл счаплсння. Прысутнасцю такіх свабодных электронаў можна растлумачыць добрую цсплаправоднасць і элсктраправоднасць, аптычную нспразрыстасць, высокую адбівальную здольнасць (павсрхнсвы бляск). Атамы малскулаў, дзякуючы металічнай сувязі, утвараюць крышталі неабмсжаваных памсраў. Яс можна разглядаць як нснасычаную кавалснтную сувязь. Гэтым тлумачыцца мяккасць мсталаў у параўнанні з іоннымі і кавалентнымі крышталямі з насычанымі сувязямі. Мсталічная сувязь узнікас, калі прыцягнсннс паміж дадатнымі іонамі мсталу і электронным газам значна большас, чым узасмнас адштурхоўваннс паміж элсктронамі. У цэлым мсталічныя сувязі нс такія трывалыя, як кавалснтныя ці іонныя, хоць яны ў шмат разоў больш трывалыя за ван-дэр-ваальсавы. Разгледзім малекулярныя крышталі з ван-дэр-ваальсавай сувяззю. Яна абумоўлсна слабым кароткадзсйным узасмным прыцягнсннсм атамаў і малекул, якос выклікасцца сіламі Ван-дэр-Ваальса. Многія малскулы маюць пастаянныя дыпольныя моманты. Прыкладам такіх крышталёў могуць быць СО2 , О2 , N2 і г. д. у цвёрдым стане. Сілы Ван-дэр-Ваальса ў шмат разоў слабейшыя за сілы, якія праяўляюцца ў іонных і кавалснтных сувязях. У выніку гэтага малскулярныя крышталі маюць нізкую тэмпсратуру плаўлсння, вялікі каэфіцыснт цсплавога пашырэння, малую мсханічную трываласць, моцна сціскаюцца і лёгка паддаюцца ўзгонцы. У крышталіках з вадароднымі сувязямі атам вадароду звязаны значнымі сіламі прыцягнсння адначасова з двума атамамі. Энсргія такой сувязі роўная 20 кДж/моль. Вадародная сувязь з’яўляецца важнсйшай формай узасмадзсяння паміж малекуламі вады. На рыс. 8.5 паказана гсксаганальнае размяшчэнне малскул лёду. Кожную малскулу Н2О акружаюць чатыры, таму крышталі лёду маюць Рыс. 8.5. гранічна адкрытую структуру. Гэта і з’яўлясцца прычынай яго выключна малой шчыльнасці. Паколькі згусткі малекул Н2О у вадкім станс драбнейшыя і мснш стабільныя, то шчыльнасць вады большая за шчыльнасць лёду. Шчыльнасць вады расце пры павелічэнні тэмпературы ад 0 да .4 С, паколькі вялікія згусткі малскул Н2О распадаюцца на малыя, якія займаюць меншы аб’ём. Пры павслічэнні тэмпсратуры, пачына- ючы з 4 °C, шчыльнасць вады памяншаецца. Класіфікацыя цвёрдых цсл па тыпах сувязі всльмі ўмоўная. Многія цслы цяжка аднссці да таго ці іншага тыпу (напрыклад, вісмут Ві, мыш’як As, сурму Sb і г. д.). У крышталях графіту маюць мссца тры тыпы сувязі: кавалснтная і мсталічная ў мсжах аднаго пласта і вандэр-ваальсава паміж пластамі. Акрамя дзвюх крышталічных форм (алмазу і графіту), вуглярод сустракасцца і ў выглядзс аморфнага цвёрдага цсла, якос называсцца сажай. Драўнінны вугаль і кокс таксама па сутнасці аморфны вуглярод, хоць у вугляродных зсрнях, з якіх яны складаюцца, часам з’яўляюцца сляды структуры графіту. Гліна, тальк і слюда — прыклады сілікатаў з двухмсрнай структурай. Тып сувязі характарызус свосасаблівас для кожнага цвёрдага цсла размсркаваннс элсктронаў паміж ядрамі. Веданнс тыпу сувязі, а значыць размсркавання элсктронаў у прасторы паміж ядрамі, дазваляс набліжана падлічыць энсргію сувязі крышталіка, г. зн. энсргію, нсабходную для раз’яднання цвёрдага цсла на атамы, малскулы ці іоны. Энсргія сувязі крышталікаў вызначасцца звычайна пры пакаёвай тэмпсратуры. Выключэннс складаюць малскулярныя крышталікі, у якіх энергія разглядасцца пры тэмпсратуры плаўлсння. Для іонных крышталёў тэарэтычнас і экспсрымснтальнас значэнні энсргіі сувязі пры 0 К складаюць ~ 840 кДж/моль (напрыклад, для NaCI 765,9 кДж/моль). 8.3. Дэфекты ў крышталях У рэальных крышталях назіраюцца парушэнні псрыядычнасці рашоткі. Гэтыя парушэнні называюцца дэфектамі. Яны бываюць пунктавымі, лінейнымі (або дыслакацыі) і аб’ёмнымі. Разглсдзім падрабязна пунктавыя і лінсйныя дэфскты. Пунктавыя дэфекты (элсмснтарныя) падзяляюцца на энсргстычныя, элсктронныя і атамныя. Да энергетычных дэфсктаў адносяцца часавыя нсдасканаласці або ўзбуджаныя станы, якія выклікаюцца ўздзсяннсм радыацыі. Для электронных дэфсктаў характэрны лішнія элсктроны або іх нсдахоп. Пры атамных дэфсктах існуюць наступныя выпадкі: адсутнасць атамаў у вузлах крышталічнай рашоткі; наяўнасць атамаў у міжвузлавых становішчах; нсрэгулярнасць іх у рашотцы ўздоўж нскаторых ліній і г. д. Гэтыя дэфскты часта аказваюць значнас ўздзсяннс на фізічныя ўласцівасці цвёрдага цсла. Напрыклад, мсханічная трываласць цвёрдага цсла ў вялікай ступсні вызначасцца прыродай і канцэнтрацыяй дэфсктаў яго структуры. Гэта вядзс да ўтварэння трох асноўных тыпаў пунктавых дэфсктаў: вакансія (рыс. 8.6, а), замяшчэнне (рыс. 8.6, б) і ўкарансннс (рыс. 8.6, а). Дэфскты ў крышталях з’яўляюцца як у працэсс іх росту, так і ў выніку розных уздзсянняў. Любос фізічнас ўздзеяннс (мсханічнас, радыяцыйнае, элсктрычнае, магнітнас і г. д.) на крышталь выклікас 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 б 0 0 0 0 0 0 • 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Рыс.8.6. ўтварэннс дэфсктаў. Любос хімічнас ўздзсяннс таксама прыводзіць да ўзнікнення дэфсктаў у выглядзс прымссных атамаў (укарансннс). Яны захопліваюцца крышталём у працэсс росту або ў выніку дыфузіі. Вакансіі і міжвузсльныя атамы сустракаюцца ва ўсіх крышталях. Мінімум дэфсктаў мае амаль дасканалы крышталь пры абсалютным нулі. Пры значным павышэнні тэмпсратуры разбурасцца сувязь і павялічвасцца колькасць дэфектаў (элсктронныя дэфскты, свабодныя элсктроны, дзіркі). Паблізу тэмпсратуры плаўлсння канцэнтрацыя такіх дэфсктаў можа дасягаць 1—2 % агульнай колькасці атамаў. Флюктуацыі цсплавога руху вядуць да псраходу асобных атамаў у міжвузсллі з утварэннсм вакансій. Пры гэтым парушаецца іх сувязь. Колькасць утвораных вакансій пв і міжвузсльных атамаў п м в у псршай прыблізнасці паN схр [ — UB/(kT) | і лм в = AN exp [ -UM,в/(кТ) ], дзс N — агульная колькасць атамаў у крышталі; UB — энсргія, якая неабходна для вырывання атама з вузла; k — пастаянная Больцмана; Т — абсалютная тэмпсратура; A — колькасць міжвузсльных станаў на атам. Вакансіі пв у цвсрдых цслах сустракаюцца часцсй, чым міжвузсльныя атамы лм в , паколькі UB < UM в . У іонных цвёрдых рачывах, калі яны з’яўляюцца элсктрычна нейтральнымі, прысутнічаюць пунктавыя дэфекты па Шоткі і па Франкслю. У кожным крышталі псраважас той або іншы дэфект. Дэфект Рыс. 8.7. Рыс. 8.8. па Шоткі ўяўляс сабой адначасовас з’яўлсннс вакансій для дадатнага і адмоўнага іонаў (рыс. 8.7, a), а дэфскт па Фрэнкслю — адначасовас з’яўлсннс міжвузсльнага дадатнага іона і вакансіі для яго (рыс. 8.7, б). Лінейныя дэфекты бы- ваюць краявымі і вінтавымі. Краявыя дыслакацыі ўтвараюцца пры парушэнні правільнага чаргавання атамных плошчаў (рыс. 8.8). Калі адна з крышталаграфічных плоскасцсй абрывасцца ўнутры крышталіка, то край гэтай «лішняй» плоскасці ўтварас краявую дыслакацыю. На рысунку яна паказана сімвалам 1 . Каб зразумсць утварэннс вінтавой дыслакацыі, неабходна ўявіць, што ў крышталі на нскаторую глыбіню зроблсны разрэз і адзін з бакоў разрэзу зрушаны адносна другога (рыс. 8.9). Атамныя слаі ўтвараюць спірадь вакол дыслакацыі, чым і тлумачыцца яс назва. Пры кожным абходзс вакол лініі дыслакацыі (што супадас з воссю вінта ОО') гэтая плоскасць падымасцца ці апускасцца на адзін крок вінта. Калі з всктараў трансляцыі рашоткі скласці контур так, каб ён замыкаўся ў ідэальным крышталі, то гэты контур (тоўстая лінія), пабудаваны вакол лініі дыслакацыі ў дэфектным крышталі, акажацца разарваным. Вектар b , які неабходна правссці для таго, каб замкнуць канцы гэтага контуру, называсцца вектарам зруху або вектарам Бюргерса дадзснай дыслакацыі. Характар дыслакацыі вызначасцца вслічынёй і напрамкам всктара Бюргсрса. У выпадку вінтавой дыслакацыі гэты всктар накіраваны псрпсндыкулярна лініі дыслакацыі. Рэальныя дыслакацыі ў крышталях звычайна ўяўляюць сабой камбінацыі краявых і вінтавых разнавіднасцсй. Дэфскты моцна ўплываюць на фізічныя ўласцівасці крышталікаў. Яны рэзка мяняюць іх пластычнасць, вязкасць, мсжы пругкасці і трываласці, цсплавыя, элсктрычныя і іншыя ўласцівасці. Дыслакацыі адыгрываюць важную ролю пры тлумачэнні пластычнай дэфармацыі. Трываласць цвёрдых цсл складас ўсяго ~ 0,1 % той трываласці, якую яны павінны былі б мсць пры дасканалых крышталічных структурах. 8.4. Механічныя ўласцівасці цвёрдых цел У раздзслах «Кінстыка», «Дынаміка» і «Мсханіка цвёрдага цсла» разглядаліся паняцці масы матэрыяльнага пункта і масы абсалютна цвёрдага цсла. На самай справс пад уплывам вонкавых сіл рэальныя цвёрдыя целы мяняюць сваю форму і аб’ём. Мсханічныя ўласцівасці цвёрдага цела вызначаюцца сіламі сувязі, якія дзсйнічаюць паміж часцінкамі. Разнастайнасць сіл сувязі прыводзіць да разнастайнасці мсханічных уласцівасцсй: адны цвёрдыя цслы пластычныя, другія — крохкія. Звычайна мсталы, у якіх сілы сувязі вызначаюцца калсктыўным дзсяннсм элсктронаў праводнасці, больш пластычныя, чым дыэлсктрыкі. Напрыклад, дэфармацыя мсдзі пры пакаёвай тэмпсратуры ў момант разрыву дасягас дзссяткаў працэнтаў, а камснная соль разбурасцца бсз назірасмай дэфармацыі (крохкасць). У пэўных мсжах нагрузкі ва ўсіх цвёрдых цслах назірасцца лінсйная залсжнасць паміж сілай расцягвання або сціскання, якая прыкладзсна да цсла ў формс стрыжня, і даўжынёй цсла Д/. Велічыня А/ залсжыць ад памсраў стрыжня, матэрыялу, з якога ён зроблсны, і значэння сілы. Паводлс закону Гука, або Е 5 = Е~Г о= Ес, (8.3) дзс F— сіла; S — плошча папярочнага сячэння стрыжня; Е — модуль пругкасці (модуль Юнга); I — пачатковая даўжыня стрыжня; Д/ — абсалютнас павслічэннс (пакдрочаннс) даўжыні стрыжня пад дзсяннсм вонкавай сілы; <т F/S — нармальнас напружаннс; е = Д/// — адноснас падаўжэннс (пакарачэннс). 3 формулы (8.3) вынікас, што напружаннс прапарцыйнас адноснаму падаўжэнню. Модуль Юнга роўны стасунку прыкладзснага напружання да выкліканага ім адноснага падаўжэння: Е = о7е. У гэтых умовах дэфармацыя называсцца пругкай. Для ідэальнага крышталя вобласць пругкай дэфармацыі павінна была б распаўсюджвацца аж да разбурэння, прычым мяжа трываласці <гтр павінна была б адпавядаць сілам сувязі паміж атамамі. Аднак пры вялікіх нагрузках рэакцыя цвёрдага цсла істотна залсжыць ад дэфсктнасці ўзору. Разбурэннс цвёрдага цсла пачынасцца ў найбольш слабых мссцах. На рыс. 8.10 прывсдзсны графік залсжнасці адноснага падаўжэння ад напружання. Дэфармацыя застасцца пругкай да напружання сг0 (адрэзак ОЛ). Калі о> <г0 , закон Гука нс выконвасцца. Пасля зняцця напружання сГц дэфармацыя будзс памяншацца па прамой ВВ'. Напружанне (гц, якос адпавядас пункту В, называсцца лімітам цякучасці. За мяжой цякучасці дэфармацыя павялічвасцца пры пастаянным напружанні. У канцы вобласці цякучасці назірасцца нскаторас паляпшэннс трываласці ў пункцс С. Пры далсйшай дэфармацыі настас разбурэннс матэрыялу. У табл. 8.2 прывсдзсны мсханічныя характарыстыкі ідэальных і рэальных крышталёў.