Файл: Гегузин, Я. Е. Очерки о диффузии в кристаллах.pdf

ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛЕ

Беспорядок, который порядку необходим

В модели кристалла, построенной из деревянных шари­

шарики; каждый из шариков расположен только в ме­ сте пересечения проволок. Эту структуру математики определили бы так: имеется взаимно-однозначное соот­ ветствие между шариками и узлами, в которых пересе­ каются проволоки. Шарик — модель атома, а упорядо­

ченная паутина пересекающихся проволок определяет

закон, которому подчиняется расположение шариков-

атомов в пространстве. Этот закон может быть и очень простым, и очень сложным, но во всех случаях, подчи­ няясь ему, атомы в кристаллических телах располагают­

ся в строгом порядке.

Упорядоченное расположение атомов в кристалле

есть прямое следствие общего закона природы: устойчи­

вым является такое состояние системы, при которой ее

значений энергии выделена своей величиной, и ей соот­ ветствует упорядоченное расположение атомов. Среди множества различных неупорядоченных состояний оно тем-то и выделено, что соответствует определенному

порядку в расположении атомов. Разумеется, может

быть много различных типов упорядоченного располо­ жения атомов. В кристалле, состоящем из атомов опре­

деленного сорта, характер упорядоченного расположения

(рисунок паутины пересекающихся проволок!) опреде­

ляется свойствами атомов. Для нас сейчас неважно,

в каком именно порядке расположены атомы в кристал­ ле, а важно, что расположены они упорядоченно.

9

Идеальный порядок (взаимно-однозначное соответст­ вие), отраженный в модели, сделанной из дерева и про­

волоки, может осуществиться в кристалле при темпера­

туре абсолютного нуля, приближаясь к которому кри­

сталл как бы постепенно замирает.

Замечание о постепенном умирании кристалла с по­

нижением температуры не следует воспринимать как

замечание категорическое. Иные кристаллы, главным

образом те, которые состоят из легких атомов, вблизи аб­

солютного нуля обретают «второе дыхание»: их атомы

фекты в кристаллической решетке. Пунктиром обозначены иска­ женные области решетки.

становятся подвижнее, чем при повышенных темпера­

турах. Этот эффект чисто квантовый. Здесь о нем можно забыть, полагая, что мы имеем дело с обычным «классическим» кристаллом. Но далее, в конце книги, мы специально поговорим о «втором дыхании» кристал­ лов, которое предсказывается и объясняется квантовой

механикой.

При повышении температуры, когда в «оживающем»

кристалле колебания атомов вокруг положения равнове­

сия становятся более энергичными, в нем могут проис­ ходить события, после которых формула «взаимно-одно­

значное соответствие» становится неверной: в кристалле появляются узлы, где нет атомов, и атомы, которые

расположены не в узлах. Узлы, свободные от атомов,

40

кансии и межузельные атомы искажают вокруг себя ре­

шетку на расстоянии, много большем, чем расстояние

между соседними узлами. На рис. 1 это обстоятельство

изображено схематически. Тип порядка в расположении

атомов, или, как говорят, тип кристаллической структу­ ры, остается тем же, а порядок становится менее совер­

шенным. В порядке возникают элементы беспорядка *.

Происходит это вот почему: так как соседние атомы в

кристалле колеблются не строго согласованно, может

оказаться, что вследствие случайного стечения обстоя­ тельств один из них получит от соседей энергию, кото­ рой будет достаточно для того, чтобы, порвав с ними

связи, выскочить из их окружения, оставив один из уз­

лов «вакантным». Об этом процессе физики говорят так: имела место энергетическая флуктуация, достаточная для того, чтобы атом покинул узел. Описанный процесс

подобен испарению атомов с поверхности кристалла с

тем, однако, важным отличием, что, испарившись с по­

«межузельный атом». Они обретут структурную само­ стоятельность лишь тогда, когда удалятся друг от друга

на расстояние, достаточное для того, чтобы для меж­

узельного атома оставленный им узел был бы не «своим», не избранным, а одним из множества других аналогич­ ных вакантных узлов. Вакансию и межузельный атом, потерявших родственную связь, называют «парой Френ­ келя».

Вакансии и межузельные атомы часто объединяют общим названием «точечные дефекты». Название, разу­ меется, очень условное. Они «точечными» не были бы и в том случае, если бы их появление никак не искажало

кристаллическую решетку. А в действительности иска­

жает. О том, что имеется вакантный узел или межузель­

ный атом, известно на большом расстоянии от них. Эта

1 О сосуществовании порядка и беспорядка в природе рассказано в книге профессора А. И. Китайгородского «Порядок и беспорядок в мире ато­ мов» . Прочесть вту книгу должны все, ного интересует строение вещества.

и