Идеальный и реальный кристалл. Отклонения внешней формы реальных кристаллов от идеальных геометрических законов

Идеальный и реальный кристалл. Отклонения внешней формы реальных кристаллов от идеальных геометрических законов. Чаще всего в кристаллографии кристалл рассматривают как тело, построенное из атомов, расположенных по идеальным законам геометрии.

В действительности такой подход является во многих отношениях абстрактной идеализацией, результатом принятого понятия однородности кристаллической среды, положенного в основу учения о форме кристаллов, их симметрии. В действительности существует непрерывный переход от идеально-правильного в геометрическом и физическом смысле кристалла к телам с полностью неупорядоченным расположением атомов – аморфным, стеклообразным твёрдым телам.

Так, реальные аморфные тела сохраняют определённую степень упорядоченности, поэтому часть реальных кристаллов примыкает к почти идеальным. Уже первые работы, посвященные изучению внешней формы кристаллов, показали, насколько она может быть разнообразна и «неправильна» у кристаллов одного и того же вещества (см. рис. 1). Рис. 1. Различные по форме кристаллы кварца SiO2 . Однако пренебрежение небольшими отклонениями от некоей идеальной формы привело к открытию закона постоянства углов.

Однако и этот закон оправдывался только с определённой точностью. На примере хорошо образованного кристалла шпинели (см. рис. 2.) можно проследить степень отклонения реального кристаллического многогранника от геомет- Рис. 2. Октаэдр – кристалл рически правильного. Причина таких откло- шпинели MgAl2O4 нений лежит в нарушениях внутренней (атом ной) структуры кристалла, о которой можно судить, изучая, например, реальные грани кристаллов.

При сильном увеличении грань внешне даже весьма совершенного кристалла представляет собой далеко не идеальную геометрическую плоскость. На ней можно различать отдельные участки – блоки, отклонённые от идеального положения на тот или иной, обычно небольшой угол. В примере шпинели отклонения двухгранных углов достигли 4,5 Это значит, что большинство блоков, выходящих на поверхность соответствующих граней, имели отклонения такого порядка. Отдельные же блоки могли отклоняться на значительно большие углы. Как показывают наблюдения в электронный микроскоп, а также ориентированные рентгенограммы, линейные размеры блочных областей находятся в пределах 5∙10-7 – 1∙10-5 см. Следовательно, реальный кристалл является как бы «мозаикой» из блоков.

Только в отдельных блоках строение кристалла представляется идеальным (во всяком случае, более идеальным, чем во всём кристалле в целом). Сами же блоки по отношению друг к другу несколько дезориентированы и между ними, следовательно, проходят какие-то разупорядоченные зоны. Мозаичное строение кристаллов нашло подтверждение в опытах по определению прочности кристаллов в зависимости от их величины.

Эти опыты показали, что прочность кристаллов значительно возрастает с уменьшением их размеров. При размерах порядка 10-5 см (что соответствует размеру отдельных блоков) прочность кристаллов достигает значений, в сотни раз превышающих прочность макроскопических кристаллов, и хорошо согласуется с теоретически рассчитанной прочностью.

Так, например, прочность массивного железа при разрыве – около 30 кг/мм2, а железного нитевидного кристалла «уса» (диаметром 15 мкм) – 1400 кг/мм2. Очевидно, что реальные большие кристаллы разрушаются, прежде всего, по границам блоков, связанных друг с другом более слабыми силами, чем силы, действующие внутри блоков, где атомные структуры являются гораздо более совершенными. Все реальные кристаллы в той или иной степени являются мозаичными. Но мозаичное строение кристаллов является не единственным способом нарушения идеальной структуры.

Вторым нарушением идеальной геометрии кристалла, которое также можно наблюдать на гранях реальных кристаллов, является спиральная форма их поверхности. Впервые такие спирали на гранях кристаллов наблюдал Г.Г. Леммлейн (1955 г.). Изучая рост кристаллов карборунда (SiC), он установил, что отложение вещества происходит по спирали, в центре которой имеется обычно какой-то дефект в виде винтовой дислокации, проявляющейся в незначительных смещениях мельчайших участков кристалла друг относительно друга.

Вес эти характерные нарушения идеальной структуры кристаллов являются следствием нарушений, первоначально возникающих в атомной структуре кристаллов: точечных дефектов (нарушения периодичности в изолированных друг от друга точках решетки), дислокаций и других нарушений. 2.