Свойства идеальных и реальных кристаллов

Свойства идеальных и реальных кристаллов. Как известно, в идеальном кристалле при термодинамическом равновесии расположение материальных частиц характеризуется строгой трёхмерной периодичностью.

Геометрической схемой периодичности является пространственная решетка. Материальные частицы совершают гармонические колебания около своих положений равновесия, причём амплитуды колебаний частиц зависят только от внешних условий – от давления и температуры, количественные соотношения между разнородными атомами точно отвечают стехиометрической формуле вещества. Физические свойства идеального кристалла определяются его химическим составом, силами связи между частицами и симметрией кристалла, т.е. категорией, сингонией, классом симметрии.

Эти свойства структурно-нечувствительны. Небольшие отклонения от правильности и периодичности, дефекты кристаллической структуры мало сказываются на общих закономерностях структурно-нечувствительных свойств. В реальных кристаллах многие свойства существенно зависят не только от типа равновесной кристаллической структуры, но и от дефектов этой структуры – нарушений периодичности и равновесия.

Структурно-чувствительными свойствами кристаллов являются ионная и полупроводниковая электропроводность, фотопроводимость, люминесценция, прочность и пластичность, окраска и ряд других свойств. Структурно-чувствительны, т.е. зависят от дефектов структуры, процессы роста кристаллов, рекристаллизации, пластической деформации, диффузии. Идеальная периодичность структуры кристалла расстраивается, прежде всего, тепловыми колебаниями атомов и нарушениями электронной плотности.

Из-за наличия сил связи между частицами кристалл представляет собой систему взаимно связанных вибраторов со спектром колебаний от акустических до инфракрасных частот. Амплитуды колебаний частиц тем больше, чем сильнее нагрет кристалл. При температурах, близких к точке плавления, амплитуды могут достигать 10 – 12% от междуатомных расстояний; при температурах, далёких от точки плавления, тепловые смещения можно считать малыми. Измеряются эти смещения рентгено-дифракционными методами.

В кристаллах с резко выраженной анизотропией (неоднородностью) структуры и сил связи, особенно в слоистых и цепочечных, заметна анизотропия колебаний, т.е. частоты колебаний в разных направлениях различны. Увеличение амплитуды колебаний и, следовательно, рост энергии колебаний частиц происходит вследствие поглощения тепла при нагреве. Увеличение энергии колебаний частиц вносит основной вклад в теплоёмкость твёрдого тела. Поскольку тепловые колебания атомов происходят около их положений равновесия, в среднем можно полагать, что атом находиться в положении равновесия.

Именно в таком приближении считают, что тепловые колебания в среднем не нарушают идеальной периодичности структуры кристалла. Нарушения в распределении электронной плотности, отклонения от нормальной периодичности в распределении зарядов или уровней энергии атома играют решающую роль в явлениях проводимости и люминесценции.