От лат cavitas пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (т н. кавитац пузырьков или каверн). Кавитац
Вид материала | Документы |
- Вывихи. Переломы, 241.71kb.
- От лат evaporo испаряю и греч grapho пишу), метод получения изображений объектов, 2696.94kb.
- Реферат от лат rеfеrо "сообщаю", 198.27kb.
- Абсцесс и гангрена легкого определение заболевания острый абсцесс легкого, 403.26kb.
- Перелом подвздошной кости; перелом вертлужной впадины; перелом лобковой кости; открытая, 1124.91kb.
- Вишнев В. Н. Безродная Н. В. Остеохондроз Профилактика и лечение Введение, 623.65kb.
- Реферат от лат. «сообщать», 61.18kb.
- Лекция. Взаимосвязанные рынки, 285.49kb.
- Реферат Реферат, 36.91kb.
- Предыстория или как мне удалось получить музыкальное образование и чем это обернулось, 2157.21kb.
Рис. 7. Скелетный кристалл шпинели.
320
бер кристалла и меньше в центр. частях грани. Поэтому вершины становятся ведущими источниками слоев роста. Если пересыщение над центр. участками граней достаточно мало, то вершины обгоняют центры граней. Плоская грань перестаёт существовать — возникают скелетные (рис. 7) и т. н. древовидные (дендритные) (рис. 8) формы кристаллов. Их появлению способствуют также нек-рые примеси.
Рис. 8. Дендритный кристалл.
Примесь, содержащаяся в маточной среде, входит в состав кристалла. Отношение концентраций примеси в кристалле и в среде наз. коэфф. распределения примеси. Кол-во захваченной примеси зависит от скорости роста кристалла. Разные грани захватывают при К. разные кол-ва примесей. Поэтому кристалл оказывается как бы сложенным из пирамид, имеющих основаниями грани кристалла и сходящихся своими вершинами к его центру (секториальное строение, рис. 9).
Рис. 9. Зонарное и секториальное строение кристалла алюмокалиевых квасцов.
Такой секториальный захват примеси вызван разл. строением разных граней. Если кристалл плохо захватывает примесь, то избыток её скапливается перед фронтом роста. Время от времени этот обогащённый примесью пограничный слой захватывается растущим кристаллом, в результате чего возникает зонарная структура (полосы на рис. 9).
При очень малых скоростях роста кристалла из расплава распределение примеси перестаёт зависеть от направления и скорости роста и приближается к равновесному значению, определяемому диаграммой состояния. Растущие кристаллы диэлектриков могут захватывать находящиеся в расплаве ионы разных знаков в разных кол-вах. В результате между растущим кристаллом и расплавом возникает разность потенциалов. При К.. льда она достигает многих десятков В. Пропускание тока через границу проводящий кристалл — расплав ведёт к изменению скорости К. и кол-ва захваченной кристаллом примеси.
При росте кристаллов в достаточно больших объёмах в-ва (десятки, сотни см3 и более) перемешивание р-ров и расплавов возникает самопроизвольно. Р-р около растущих граней обедняется, его плотность уменьшается, что в поле тяжести приводит к конвекционным потокам, направленным вверх. По-разному омывая разл. грани, потоки изменяют скорости роста граней и облик кристалла. В расплаве из-за нагревания примыкающей к растущему кристаллу жидкости скрытой теплотой К. также возникают конвекц. потоки. Скорость, темп-pa и концентрация примесей в конвекционных потоках хаотически или регулярно колеблются около ср. значений. Соотв. меняются скорость роста и состав растущего кристалла, в теле к-рого остаются «отпечатки» последоват. положений фронта К. (зонарная структура). Флуктуации темп-ры в расплаве могут быть столь сильны, что рост кристалла сменяется плавлением. В металлич. расплавах магн. поле останавливает конвекцию и уничтожает зонарность. При отсутствии силы тяжести, напр. на искусств. спутниках, конвекция сильно уменьшается, соотв. уменьшается зонарная неоднородность. При К. в невесомости расплав перестаёт смачивать стенки сосуда, что снижает плотность дислокации в вырастающем кристалле.
Если расплав перед фронтом роста сильно переохлаждён, то фронт неустойчив: выступ, случайно возникший на нём, попадает в область большего переохлаждения и скорость роста вершины выступа увеличивается ещё больше и т. д. В результате плоский фронт роста разбивается на округлые купола, имеющие в плоскости фронта форму полос или шести-
угольников: возникает ячеистая структура (рис. 10, а). Линии сопряжения ячеек (канавки) оставляют в теле растущего кристалла дефектные и обогащённые примесью слои, так что весь кристалл оказывается как бы сложенным из гексагональных палочек или пластинок (карандашная структура, рис. 10, б). На более поздних стадиях потери устойчивости возникают дендриты.
Если темп-ра расплава увеличивается при удалении от фронта роста, то фронт устойчив — ячейки и дендриты не возникают.
Если в переохлаждённом расплаве (р-ре) оказывается не плоская поверхность, а маленький кристалл, то выступы на нём (прежде всего вершины) развиваются в разл. кристаллографич. направлениях, отвечающих макс. скорости роста, и образуют многолучевую звезду. Затем на этих главных отростках появляются боковые ветви, на них — ветви след. порядка: возникает дендритная форма кристаллов (рис. 8). Кристаллографич. ориентация дендритного кристалла одинакова для всех его ветвей.
Образование дефектов. Реальные кристаллы всегда имеют неоднородное распределение примесей. Примеси изменяют параметры крист. решётки, и на границах областей разного состава возникают внутр. напряжения. Это приводит к образованию дислокаций и трещин. При К. из расплава дислокации возникают как результат термоупругих напряжений в неравномерно нагретом кристалле, а также нарастания более горячих новых слоев на более холодную поверхность. Дислокации могут «наследоваться», переходя из затравки в выращиваемый кристалл.
Посторонние газы, хорошо растворимые в маточной среде, но плохо захватываемые растущим кристаллом,
321
образуют на. фронте роста пузырьки газа, к-рые захватываются кристаллом, если скорость роста превосходит нек-рую критическую. Так же из маточной среды захватываются и посторонние тв. ч-цы, к-рые становятся затем источниками внутр. напряжений в кристалле и приводят к образованию дислокаций. При К. в невесомости отвод пузырьков затруднён и кристалл обогащается газовыми включениями. Увеличивая плотность пузырьков, можно получать т. н. пенометаллы.
Массовая кристаллизация. При определ. условиях возможен одновременный рост множества кристаллов. Спонтанное массовое появление зародышей и их рост происходят, напр., при затвердевании отливок металлов. Кристаллы зарождаются прежде всего на охлаждаемых стенках изложницы, куда заливается перегретый металл. Зародыши на стенках ориентированы хаотично, однако в процессе роста «выживают» те из них, у к-рых направление макс. скорости роста перпендикулярно стенке. В результате у поверхности возникает т. н. столбчатая зона, состоящая из почти параллельных узких кристаллов, вытянутых вдоль нормали к поверхности.
• Шубников А. В., Образование кристаллов, М.—Л., 1947; Леммлейн Г. Г., Морфология и генезис кристаллов, М., 1973; М а л л и н Дж.-У., Кристаллизация, пер. с англ., М., 1965; Л о д и з Р. А., П а р к е р Р. Л., Рост монокристаллов, пер. с англ., М., 1974; Современная кристаллография, т. 3 — Образование кристаллов, М., 1980; Рост и дефекты металлических кристаллов, К., 1972; Проблемы современной кристаллографии, М., 1975.
А. А. Чернов.
КРИСТАЛЛИТЫ, мелкие монокристаллы, не имеющие ясно выраженной огранки. К. являются крист. зёрна в металлич. слитках, горных породах. минералах, поликрист. образованиях и др. См. Поликристалл.
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЁТКА, присущее крист. состоянию в-ва регулярное расположение ч-ц (атомов, ионов, молекул), характеризующееся периодич. повторяемостью в трёх измерениях. Плоские грани кристалла, образовавшегося в равновесных условиях, соответствуют ат. плоскостям, рёбра — рядам атомов. Существование К. р. объясняется тем, что равновесие сил притяжения и отталкивания между атомами, соответствующее минимуму потенц. энергии системы, достигается при условии трёхмерной периодичности.
Для описания К. р. достаточно знать размещение атомов в её элем. ячейке, повторением к-рой путём параллельных переносов (трансляций) образуется К. р. Элем. ячейка имеет форму параллелепипеда. Она может быть выбрана разл. способами. Но существует основанный на учёте симметрии и геом. соотношений алгоритм приведения к единому описанию. Рёбра элем. параллелепипеда а, b; с наз. постоянными или периодами К. р. либо (в векторной форме) векторами трансляций (рис. 1). Параллелепипед мин. объёма, содержащий наименьшее число атомов, наз. примитивной ячейкой. В элем. ячейке может размещаться от одного атома (хим. элементы) до 102 (хим. соединения) и 103 — 106 атомов (белки, вирусы, см. Биологические кристаллы). В соответствии с этим периоды К. р.
Рис. 1. Элем. ячейка кристаллич. решётки.
различны — от неск. Å до 102—103 Å. Любому атому в данной ячейке соответствует трансляционно-эквивалентный атом в каждой другой ячейке кристалла (рис. 2). По признаку точечной симметрии элем. ячейки (см.
Рис. 2. Расположение атомов в элем. ячейке хим. соединения K2PtCl6.
Симметрия кристаллов) все кристаллы делятся на семь сингоний (см. Сингония кристаллографическая).
Ат. структура К. р., расположение всех её ч-ц описываются т. н. п р о с т р а н с т в е н н ы м и (фёдоровскими) группами симметрии кристаллов, к-рые содержат как операции переносов (трансляций), так и операции поворотов, отражений и инверсии и их комбинации. Всего существует 230 пространств. групп симметрии. В К. р. возможны лишь оси 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядков, а оси 5-го, 7-го и более высоких порядков в кристаллах невозможны. Если к данной точке (узлу) кристалла, напр. к любому её атому, применить только операции переноса данной пространственной группы, то получается геом. трёхмерно-периодич. система узлов, к-рая и характеризует К. р. Таких систем существует всего 14, их наз. Браве решётками. Полное описание К. р. даётся пространств. группой, параметрами элем. ячейки, координатами атомов в ячейке. В этом смысле понятие К. р. эквивалентно понятию ат. структуры кристалла.
Структура реального кристалла отличается от идеализиров. схемы, описываемой понятием К. р. Идеализацией явл. представление о дискретности К. р. В действительности электронные оболочки атомов, составляющих К. р., перекрываются, образуя непрерывное периодич. распределение заряда с максимумами около дискретно расположенных ядер. Идеализацией явл. также неподвижность атомов. Атомы и молекулы К. р. колеблются около положений равновесия, причём хар-р колебаний (динамика К. р.) зависит от симметрии и вз-ствия атомов (см. Колебания кристаллической решётки). Известны случаи вращения молекул в К. р. С повышением темп-ры амплитуда колебаний ч-ц увеличивается, что в конечном счёте приводит к разрушению К. р. и переходу в-ва в жидкое состояние. Атомы в узлах К. р. могут отличаться по ат. номеру Z (изоморфизм) и по массе ядра (изотопич. изоморфизм); кроме того, в реальном кристалле всегда имеются разл. рода дефекты — примесные атомы, вакансии, дислокации и т. д.
• См. лит. при ст. Кристаллография, Симметрия кристаллов.
Б. К. Вайнштейн, А. А. Туш.
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ БЛОКИ, области монокристалла, ориентированные не строго параллельно друг другу. Разориентация К. б. колеблется от угловых с до градусов. Размер К. 6. может колебаться от микрометров до неск. см. Блочный хар-р структуры мн. реальных кристаллов обнаруживается, напр., по расщеплению пятен лауэграмм (см. Кристаллы, Рентгеновский структурный анализ, Дислокации).
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СЧЕТЧИК, прибор для регистрации ч-ц, основанный на появлении в диэлектрич. кристаллах при попадании в них ч-ц заметной электропроводности. К. с. представляет собой монокристалл
Блок-схема крист. счётчика.
(обычно алмаз или CdS), на противоположные грани к-рого нанесены электроды (рис.). Проходя через кристалл, заряж. ч-цы вызывают в нём ионизацию. Образующиеся носители заряда — эл-ны проводимости и дырки — движутся под влиянием электрич. поля к электродам. Отд. ч-ца вызывает в цепи К. с. кратковрев, импульс тока, к-рый после усиления можно зарегистрировать пересчётным прибором или амплитудным анализатором. Амплитуда импульса пропорц. энергии, выделенной ч-цей в кристал-
322
ле. Недостаток К. с.— поляризация диэлектрика. Часть носителей заряда при движении к электродам захватывается дефектами крист. решётки. Возникает внутр. электрич. поле. Кол-во дефектов и внутр. поле возрастают по мере облучения кристалла (см. Радиационные дефекты) и ослабляют действие приложенного внеш. поля. Это приводит к уменьшению амплитуды импульсов и к прекращению счёта (для устранения поляризации применяют нагрев кристалла, его освещение, перем. поля и т. п.). Однако простота конструкции К. с., его малые размеры (неск. мм3) и способность нек-рых кристаллов (напр., алмаза) работать при высоких темп-pax делают К. с. удобным детектором, в частности в дозиметрии.
• Головин Б. М., Осипенко .П., Сидоров А. И., Гомогенные кристаллические счетчики ядерных излучений, «ПТЭ», 1961, № 6, с. 5.
С. Ф. Козлов.
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, то же, что внутрикристаллическое поле.
КРИСТАЛЛОАКУСТИКА, изучает особенности распространения акустич. волн в кристаллах, а также влияние анизотропии физ. св-в кристаллов па хар-ки акустич. волн (особенности их поляризации, поглощения и отражения, дифракции и др.).
Анизотропия фазовых скоростей продольной с, и поперечных с2 и с3 упругих волн в плоскости [100] кристалла Bi12GeO20.
В кристаллах могут распространяться как объёмные, так и поверхностные акустические волны (ПАВ). Объёмные акустич. волны распространяются в кристалле так же, как в газах и жидкостях,— в любом направлении. ПАВ распространяются вдоль свободных поверхностей (границ) кристалла либо вдоль границ раздела двух кристаллов.
Анизотропия упругих св-в кристаллов существенно сказывается на хар-ре распространения акустич. волн. В кристалле, в отличие от изотропного тв. тела, в каждом направлении распространяются три упругие волны: продольная и две поперечных. Каждая из них имеет свою фазовую скорость, к-рая зависит от направления распространения волны в кристалле (рис.). В ряде направлений, соответствующих осям симметрии высокого порядка (см. Симметрия кристаллов), скорости двух поперечных волн могут совпадать. В таких направлениях, наз. акустическими осями кристалла, возможно распространение поперечных волн с произвольной поляризацией, как в изотропном теле. Суперпозиция линейно поляризованных волн позволяет получить эллиптич. и круговую поляризации сдвиговых волн. Анизотропия упругих св-в кристалла приводит к тому, что направление потока энергии акустич. волны Р не совпадает с направлением волн вектора k. Угол между векторами Р и k может составлять десятки градусов. Вследствие этого даже при отсутствии дисперсии групповая скорость в кристаллах может не совпадать с фазовой. Характерно, что даже при распространении волн вдоль направлений высокого порядка симметрии поток энергии для сдвиговых волн может отклоняться от направления распространения волны, причём направление вектора потока энергии зависит от поляризации волны. В случае распространения сдвиговых волн вдоль акустич. осей это явление, по аналогии с оптикой, наз. внутренней конической рефракцией. Угол конич. рефракции в кварце, напр., составляет 17°, в LiNbO3 ~8°, в NaCl~10°, в КСl~21°.
Анизотропия кристаллов усложняет также законы отражения и преломления акустич. волн на границах раздела сред: падающая волна при отражении и преломлении может расщепляться на неск. волн разных типов, в т. ч. и поверхностных. Пространственная дисперсия, обусловленная периодичностью крист. решётки, приводит к вращению плоскости поляризации сдвиговых волн (т. н. акустическая активность). Затухание звука в кристаллах определяется его рассеянием на микродефектах и дислокациях, поглощением вследствие вз-ствия упругой волны с тепловыми колебаниями крист. решётки — фононами, поглощением, обусловленным термоупругими и тепловыми эффектами. В металлах и ПП существует специфич. вид поглощения звука вследствие вз-ствия УЗ с эл-нами проводимости (см. Акустоэлектронное взаимодействие), а в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках дополнит. поглощение связано с доменными процессами.
Нелинейная К. занимается исследованием вз-ствия акустич. волн в кристаллах: генерации акустич. гармоник и волн комбинац. частот, вз-ствий с электрич. полями и эл.-магн. волнами (см. Нелинейное взаимодействие акустических волн). Исследование нелинейного вз-ствия упругих волн в кристаллах имеет значение не только для объяснения поглощения звука, но также для описания тепловых фононных вз-ствий и лежит в основе теории работы нелинейных акустич. устройств — корреляторов, конволюторов. УЗ волны в кристаллах используются для создания ультразвуковых и гиперзвук. линий задержки, акустооптич. устройств и устройств акустоэлектроники.
• Федоров Ф. И., Теория упругих волн в кристаллах, М., 1965; Александров К. С., Акустическая кристаллография, в сб.: Проблемы современной кристаллографии, М., 1975, с. 327; Т а к е р Дж., Р э м п т о н В., Гиперзвук в физике твердого тела, М., 1975; В у ж в а А. Д., Л я м о в В. Е., Акустическая активность и другие эффекты, обусловленные пространственной дисперсией в кристаллах, «Кристаллография», 1977, т. 22, .№1, с. 131; Лямов В. Е., Гончаров К. В., Распространение ультразвука, в кн.: Ультразвук, М., 1979 (Маленькая энциклопедия).
В. Е. Лямов.
КРИСТАЛЛОГРАФИЯ (от кристаллы и греч. grapho — пишу, описываю), наука об атомно-мол. строении, симметрии, физ. св-вах, образовании и росте кристаллов. К. зародилась в древности в связи с наблюдениями над природными кристаллами, имеющими естеств. форму правильных многогранников. К. как самостоят. наука существует с сер. 18 в. В 18—19 вв. К. развивалась в тесной связи с минералогией как дисциплина, устанавливающая закономерности огранки кристаллов (франц. физик Р. Гаюи, 1874). Была развита теория симметрии кристаллов — их внеш. форм (А. В. Га-долин, 1867) и внутр. строения (франц. физик А. Браве, 1848, Е. С. Фёдоров, 1890, нем. математик А. Шёнфлис, 1891). Совокупность методов описания кристаллов и закономерности их огранения составляют содержание геометрической К. На основе геом. К. возникла гипотеза об упорядоченном трёхмерно-периодич. расположении в кристалле составляющих его ч-ц, в совр. понимании — атомов и молекул, к-рые образуют кристаллическую решетку. Матем. аппарат К. основан на дискретной геометрии, теории групп и тензорном исчислении.
Исследования дифракции рентгеновских лучей в кристаллах (нем. физик М. Лауэ, 1918) эксперим. подтвердили их периодич. решётчатое строение. Первые рентгенографич. расшифровки ат. структуры кристаллов NaCl, алмаза, ZnS и др., осуществлённые в 1913 англ. физиками У. Г. Брэггом и У. Л. Брэггом, положили начало структурной К. Изучение прохождения света через кристаллы позволило сформулировать закономерности анизотропии св-в кристаллов (см. Кристаллооптика). Дальнейшее изучение ат. структуры кристаллов связано с именами амер. учёного Л. Полинга, норв. учёного В. Гольдшмидта, англ. учёного Дж. Бернала и сов. учёного Н. В. Белова; исследование роста кристаллов и их физ. св-в — с именами нем. учёного В. Фохта, болг. учёного И. Н. Странского, сов. учёных Г. В. Вульфа, А. В. Шубникова и др.
323
Для совр. К. характерны изучение ат, и дефектной структуры кристаллов, процессов их роста и поиск новых св-в кристаллов как единой комплексной проблемы, направленной на получение новых материалов с важными физ. св-вами. Результаты кристаллографич. исследований широко используются в физике, минералогии, химии, мол. биологии и др. (см. схему, в к-рой собственно К. занимает центр. часть).
В структурной К. исследуется атомно-мол. строение кристаллов методами рентгеновского структурного анализа, электронографии, нейтронографии, опирающимися на теорию дифракции волн и ч-ц в кристаллах; используются также методы оптич. спектроскопии, резонансные методы, электронная микроскопия и др. В результате определена крист. структура неск. десятков тысяч хим. в-в. Изучение законов взаимного расположения атомов в кристаллах и хим. связи между ними, а также явлений изоморфизма и полиморфизма явл. предметом кристаллохимии. Исследования т. н. биологических кристаллов, позволившие определить структуру гигантских молекул белков и нуклеиновых кислот, связывают К. с мол. биологией. При изучении процессов зарождения и роста кристаллов используются общие принципы термодинамики и закономерности фазовых переходов и поверхностных явлений с учётом вз-ствия кристалла со средой, анизотропии св-в и атомно-мол. структуры крист. в-ва (см. Кристаллизация). В К. изучаются также разнообразные нарушения идеальной крист. решётки — точечные дефекты, дислокации и др. дефекты, возникающие в процессе роста кристаллов или в результате разл. внеш. воздействий на них и определяющие многие их св-ва.
Исследования механич., оптич., электрич. и магн. св-в кристаллов явл. предметом кристаллофизики, к-рая смыкает К. с физикой твёрдого тела. Возникший на основе исследования роста кристаллов пром. синтез алмазов, рубина, Ge, Si и др. (см. Синтетические кристаллы) — основа квант. и ПП электроники, оптики, акустики и др.
В К. исследуются также строение и св-ва разнообразных агрегатов из микрокристаллов (поликристаллов, текстур, керамик), а также в-в с ат. упорядоченностью, близкой к кристаллической (жидких кристаллов, полимеров). Симметрийные и структурные закономерности, изучаемые в К., находят применение при рассмотрении общих закономерностей строения и св-в некристаллического конденсиров. состояния в-ва — аморфных тел и жидкостей, полимеров, макромолекул, надмол. структур и т. п. (обобщённая К.).
• Попов Г. М., Шафрановский И. И., Кристаллография, 4 изд., М., 1964; Белов Н. В., Очерки по структурной минералогии, М., 1976; Современная кристаллография, т. 1—4, М., 1979—81.
В. К. Вайнштейн, М. П. Шаскольская.