Физическая энциклопедия - кристаллы

(от греч. krystallos, первоначальное значение лёд), твёрдые тела, обладающие трёхмерной периодич. ат. структурой и, при равновесных условиях образования, имеющие естеств. форму правильных симметричных многогранников (рис. 1). К.равновесное состояние твёрдых тел. Каждому хим. в-ву, находящемуся при данных термодинамич. условиях (темп-ре, давлении) в крист.

состоянии, соответствует определённая атомно-крист. структура. К., выросший в неравновесных условиях и не имеющий правильной огранки (или потерявший её в результате обработки), сохраняет осн. признак крист. состояния решётчатую ат. структуру (кристаллическую решётку) и все определяемые ею св-ва. Рис. 1, а. Природные кристаллы турмалина.

Рис. 1, б. Монокристалл сегнетовой соли. Рис. 1, в. Микромонокристалл германия (увеличение в 4000 раз). Большинство тв. материалов явл. поликристаллическими; они состоят из множества отдельных беспорядочно ориентированных мелких крист. зёрен (кристаллитов). Таковы, напр., многие горные породы, техн. металлы и сплавы. Крупные одиночные кристаллы наз. монокристаллами. К. образуются и растут чаще всего из жидкой фазы р-ра или расплава; возможно получение К. из газовой фазы или при фазовом превращении в тв. фазе (см. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ).

В природе встречаются монокристаллы разл. размеров от громадных (до сотен кг) К. кварца (горного хрусталя), флюорита, полевого шпата до мелких К. алмаза и др. Для науч. и пром. целей К. выращивают (синтезируют) в лабораториях и на заводах (см. СИНТЕТИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ). К. образуются и из таких сложных природных в-в, как белки и даже вирусы (см.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ). Геометрия кристаллов. Выросшие в равновесных условиях К. имеют форму правильных многогранников той или иной симметрии, грани К.плоские, рёбра между гранями прямолинейные, углы между соответствующими гранями К. одного и того же в-ва постоянны. Измерение межгранных углов (гониометрия) позволяет идентифицировать К.

Ат. структура К. описывается как совокупность повторяющихся в пр-ве одинаковых элементарных ячеек, имеющих форму параллелепипеда с рёбрами а, b, с (периодами крист. решётки). Всякая ат, плоскость крист. решётки (к-рой может соответствовать грань К.) отсекает на осях координат целые числа периодов решётки (Гаюи закон). Обратные им числа (h, k, l) наз.

индексами кристаллографическими граней и ат. плоскостей. Как правило, К. имеет грани с малыми значениями индексов, напр. (100), (110), (311). Длины рёбер а, b, с и углы a, b, g между ними измеряются рентгенографически. Выбор осей координат производится по определённым правилам в соответствии с симметрией кристаллое. По хар-ру симметрии любой крист.

многогранник принадлежит к одному из 32 классов (или точечных групп симметрии), к-рые группируются в семь сингоний: триклинную, моноклинную, ромбическую (низшие сингонии), тетрагональную, гексагональную, тригональную (средние) и кубическую (высшая). Совокупность кристаллографически одинаковых граней (т. е. совмещающихся друг с другом при операциях симметрии данной группы) образует т.

н. простую форму К. Всего существует 47 простых форм К., но в каждом классе могут реализоваться лишь нек-рые из них. К. может быть огранён гранями одной простой формы (рис. 2, а), но чаще комбинацией этих форм (рис. 2, б, в). Если К. принадлежит к классу, содержащему лишь простые оси симметрии (не содержащему плоскостей, центра симметрии или инверсионных осей), то он может кристаллизоваться в зеркально разных формах правой и левой (т.

н. э н а н т и о м о р ф и з м). Рис. 2. а нек-рые простые формы кристаллов; б комбинации простых форм; в наблюдаемые огранки кристаллов. Рис. 3. Нитевидные кристаллы (электронно-микроскопич. изображение, увеличено в 3000 раз). Неравновесные условия кристаллизации приводят к разл. отклонениям формы кристалла от правильного многогранника к округлости граней и рёбер (вицинали), возникновению пластинчатых, игольчатых, нитевидных (рис.

3), ветвистых (дендритных) К. типа снежинок. Это используется в технике выращивания К. разнообразных форм (дендритных лент Ge, тонких плёнок разл. полупроводников). Нек-рым К. уже в процессе выращивания придаётся форма требуемого изделия трубы, стержня (рис. 4), пластинки. Если в объёме расплава образуется сразу большое число центров кристаллизации, то разрастающиеся К., встречаясь друг с другом, приобретают форму неправильных зерен. Рис. 4. Монокристальная «буля» рубина (реальная длина 20 см). Атомная структура кристаллов. Методы структурного анализа К. (рентгеновский структурный анализ, электронография, нейтронография) позволяют определить расположение атомов в элем.

ячейке К. (расстояния между ними), параметры тепловых колебаний кристалла, распределение электронной плотности между атомами, ориентацию их магн. моментов и т. п. Рис. 5. Ат. структура меди (a), NaCl (б), CuO (в), графита (г), KPtCl6 (д), фталоцианина (е). ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЯЧЕЙКИ НЕКОТОРЫХ КРИСТАЛЛОВ Уже изучена атомно-крист. структура более чем 30 тыс.

соединений от К. хим. элементов до сложнейших биол. К. (рис. 5, табл.). Крист. структуры классифицируют по их хим. составу, в осн. определяющему тип хим. связи, по соотношению компонент, по взаимной координации атомов (слоистые, цепные, каркасные, координац. решётки; (см. КРИСТАЛЛОХИМИЯ)). При изменении темп-ры или давления структура К.

может изменяться. Нек-рые крист. структуры (фазы) явл. метастабильными. Существование у данного в-ва неск. крист. фаз наз. полиморфизмом. Наоборот, разные соединения могут иметь одинаковую крист. структуру (см. ИЗОМОРФИЗМ). Распределение К. по пространств. группам симметрии соотв. по точечным группам (классам) и сингониям неравномерно.

Как правило, чем проще хим. ф-ла в-ва, тем выше симметрия его К. Так, почти все металлы имеют кубическую или гексагональную структуру, основанную на т. н. плотной упаковке атомов, то же относится к простым хим. соединениям, напр. к галогенидам щелочных металлов. Усложнение хим. ф-лы в-ва ведёт к понижению симметрии его К. Органические (молекулярные) К. почти всегда относятся к низшим сингониям. Тип хим. связи между атомами в К. определяет многие их св-ва. К о в а л е н т н ы е К. с локализованными на прочных связях эл-нами имеют высокую твёрдость, малую электропроводность, большие показатели преломления. Металлич. К. с высокой концентрацией эл-нов проводимости хорошо проводят электрич. ток и теплоту, пластичны, непрозрачны (см. МЕТАЛЛЫ). Промежуточные хар-ки у ионных К. Наиболее слабые (ван-дер-ваальсовы) связи в молекулярных К. Они легкоплавки, механич. хар-ки их низки. Более низкую ат.

упорядоченность, чем у К., имеют жидкие кристаллы и аморфные тела (см. АМОРФНОЕ СОСТОЯНИЕ, НЕУПОРЯДОЧЕННЫЕ СИСТЕМЫ). Структура реальных кристаллов. Вследствие нарушения равновесных условий роста и захвата примесей при кристаллизации, а также под влиянием различного рода внеш. воздействий идеальная структура К. всегда имеет те или иные нарушения.

К ним относят точечные дефекты вакансии, замещения атомов осн. решётки атомами примесей, внедрение в решётку инородных атомов, дислокации и др. (см. ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ). Дозируемое введение небольшого числа атомов примеси, замещающих атомы осн. решётки, широко используется в технике для изменения св-в К., напр. введение в кристаллы Ge и Si атомов III и V групп периодич. системы элементов позволяет получать крист. полупроводники с дырочной и электронной электропроводностями. Другие примеры примесных кристаллов рубин, состоящий из Al2O3 и примеси (0,05%) Cr; иттриево-алюминиевый гранат, состоящий из Y3Al5O2 и примеси (до 1%) Nd. При росте К. их грани по-разному захватывают атомы примесей. Это приводит к секториальному строению К. Может происходить и периодич. изменение концентрации захватываемой примеси, что даёт зонарную структуру.

Кроме того, в процессе роста К. почти неизбежно образуются макроскопич. дефекты включения, напряжённые области и т. п. Все реальные К. имеют мозаичное строение: они разбиты на блоки мозаики небольшие (=10-4 см) области, в к-рых порядок почти идеален, но к-рые разориентированы по отношению друг к другу на малые углы (приблизительно неск.

минут). Физические свойства кристаллов. Для К. данного класса можно указать симметрию его св-в. Так, кубич. К. изотропны в отношении прохождения света, электрои теплопроводности, теплового расширения, но анизотропны в отношении упругих, электрооптич., пьезоэлектрич. св-в. Наиболее анизотропны кристаллы низших сингоний (см. КРИСТАЛЛОФИЗИКА).

Все св-ва К. связаны между собой и обусловлены атомно-крист. структурой, силами связи между атомами и энергетич. спектром эл-нов (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ). Нек-рые св-ва, напр. тепловые, упругие, акустические, зависят непосредственно от межат. вз-ствий. Электрич., магн. и оптич. свойства существенно зависят от распределения эл-нов по уровням энергии.

В нек-рых К. ионы, образующие решётку, располагаются так, что К. оказывается самопроизвольно поляризованным (пироэлектрики). Большая величина такой поляризации характерна для сегнетоэлектриков. Многие св-ва К. решающим образом зависят не только от симметрии, но и от кол-ва и типов дефектов (прочность и пластичность, окраска, люминесцентные св-ва и др.). В бездислокационных К. прочность в 10-100 раз больше, чем в обычных. Применение. Многие монокристаллы, а также поликрист. материалы имеют широкое практич. применение. Пьезои сегнетоэлектрич.. К. применяются в радиотехнике. Устройства полупроводниковой электроники (транзисторы, ЭВМ, фотоприёмники и т. д.) основаны на полупроводниковых К. (Ge, Si, GaAs и др.) или микросхемах на них (см. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА). Рис. 6. Нек-рые технически важные кристаллы и изделия из них: кристаллы кварца, граната KDP и др., стержни рубина для лазеров, сапфировые пластины.

В запоминающих устройствах громадной ёмкости используются К. магнитодиолектриков и разл. типов ферритов. Исключит. значение имеют для квантовой электроники К. рубина, пттриево-алюминиевого граната и др. В технике управления световыми пучками используют К., обладающие электрооптич. св-вами. Для измерения слабых изменений температуры применяются пироэлектрич.

К., для измерения механич. и акустич. воздействий пъезоэлектрики, пьезомагнетики (см. ПЬЕЗОМАГНЕТИЗМ) и т. п. Высокие механич. св-ва сверхтвёрдых К. (алмаз и др.) используются в обработке материалов и в бурении; К. рубина, сапфира и др. служат опорными элементами в часах и др. точных приборах. Номенклатура пром. произ-ва разл. синтетич.

кристаллов исчисляется тысячами наименований (рис. 6). .