От лат cavitas пу­стота), образование в капельной жид­кости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (т н. кавитац пузырьков или каверн). Кавитац

Вид материалаДокументы

Содержание


Рис. 7. Скелетный кристалл шпинели.
Рис. 8. Дендритный кристалл.
Рис. 9. Зонарное и секториальное строение кристалла алюмокалиевых квасцов.
Образование дефектов.
А. А. Чернов.
Кристаллическая решётка
Рис. 1. Элем. ячей­ка кристаллич. ре­шётки.
Рис. 2. Расположение атомов в элем. ячейке хим. соединения K
Кристаллические блоки
Кристаллический счетчик
Блок-схема крист. счётчика.
Кристаллическое поле
Анизотропия фазовых скоростей продольной с, и поперечных с
В. Е. Лямов.
В. К. Вайнштейн, М. П. Шаскольская.
Подобный материал:
1   ...   19   20   21   22   23   24   25   26   27
Формы роста кристаллов. Простей­шая форма роста — многогранник, причём размеры отд. граней сильно за­висят от условий роста. Отсюда — пластинчатые, игольчатые, нитевид­ные и др. формы кристаллов. При росте больших огранённых кристаллов из неподвижного р-ра (без перемешива­ния) пересыщение выше у вершин и рё-



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.