Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Такой характер структуры ковалентных кристаллов обусловлен тем, что ковалентная связь образуется обычно двумя электронами, по одному от каждого из соединяющихся атомов. Атому углерода, кремния или германия не хватает четырех электронов для образования целиком заполненной внешней оболочки. Поэтому они в состоянии образовать именно четыре направленные связи с соседями в решетке. Этим объясняется направленность и насыщаемость связей в ковалентных кристаллах. Кристаллы с ковалентными и ионными типами связи можно рассматривать как некоторые предельные случаи, между которыми имеется целый ряд кристаллов, обладающих промежуточными типами связи. Сюда относятся многие полупроводниковые материалы (GaAs, InSb, ZnS).
Металлические кристаллы. Металлы образуют еще один тип характерных кристаллических структур. Они отличаются высокой электропроводностью, и поэтому можно думать, что в значительной части электроны в металле должны быть свободными, не связанными с определенными атомами, чтобы иметь возможность перемещаться по кристаллу на макроскопические расстояния. Такие способные принимать участие в электропроводности электроны называются электронами проводимости.
Металлическая связь, как правило, возникает между атомами, имеющими один—два электрона на рыхлой внешней оболочке, которые сравнительно слабо связаны с компактным остовом атома,
Рис. 42. Пространственное расположение атомов в решетке типа алмаза. Атом О находится в центре тетраэдра, образованного его ближайшими соседями — атомами А, В, С и D
112
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
содержащим заполненные электронные оболочки. Сюда прежде всего относятся щелочные и щелочноземельные металлы. Кристаллы щелочных металлов можно представлять себе в виде правильно расположенных положительных ионов, погруженных в более или менее однородную отрицательно заряженную «жидкость» из электронов.
В отличие от ковалентных кристаллов, связи атомов в металлах не обладают свойствами направленности и насыщаемости. Поэтому металлы, как и молекулярные кристаллы инертных газов, имеют тенденцию кристаллизоваться в плотноупакованные и близкие к ним структуры. Например, гексагональную плотную упаковку образуют кристаллы бериллия, кобальта, цинка. Кубическую гранецен-трированную решетку с таким же коэффициентом заполнения образуют кристаллы алюминия, меди, золота и кобальта (другой кристаллической модификации). Кубическую объемноцентрированную решетку образуют кристаллы хрома, лития, молибдена и ферромагнитного железа.
Водородная связь. Рассмотренная выше классификация кристаллов по четырем основным типам по характеру сил связи не охватывает всех случаев. В частности, из нее выпадают кристаллы с так называемыми водородными связями. Водородная связь имеет преимущественно ионный характер. В предельном случае такой связи атом водорода теряет свой единственный электрон, отдавая его одному из двух атомов молекулы, и превращается в «голый»
протон, имеющий ничтожно малые размеры по сравнению с исходным атомом водорода. Протон может уместиться в узкой «щели» между атомами, осуществляя связь между ними. Именно так обстоит дело в отрицательном ионе HF2 (рис. 43).
Водородная связь ответственна за взаимодействие между молекулами воды (Н20) и обусловливает вместе с электростатическим притяжением электрических дипольных моментов этих молекул удивительные физические свойства воды и льда.
• Чем отличаются поликристаллы и монокристаллы с точки зрения их строения и физических свойств?
• Что такое элементарная ячейка кристалла?
• В чем заключается трансляционная симметрия кристаллической решетки?
• Почему в кристаллах могут существовать оси симметрии только второго, третьего, четвертого и шестого порядков?
Рис. 43. Схема образования водородной связи между ионами фтора в HFf
13. КРИСТАЛЛЫ
113
• Покажите, что одинаковыми плитками в виде правильных пятиугольников нельзя настлать паркетный пол. Почему это невозможно в случае плиток в виде семиугольников, восьмиугольников, и т. д.
• Почему для видимого света, т. е. электромагнитных волн с длиной волны от 400 до 700 нм, нельзя наблюдать дифракцию на кристаллической решетке?
• Поясните, каким образом плотно упакованные шары могут образовать гексагональную структуру, учитывая, что центры трех соприкасающихся шаров лежат в вершинах правильного треугольника.
• Почему одно лишь электростатическое взаимодействие не в состоянии объяснить устойчивость решетки ионных кристаллов?
• Какие особенности заполнения электронных оболочек ионов дают возможность рассматривать их в моделях решеток ионных кристаллов как твердые непроницаемые шары?
• Почему для ковалентных кристаллов характерны структуры с малым числом ближайших соседей?
• Чем объясняется существование электронов проводимости в металлических кристаллах?
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
§ 14. Основные понятия термодинамики
Окружающий нас мир, воспринимаемый нами через ощущения, состоит из макроскопических объектов, т. е. тел, которые велики по сравнению с атомными размерами и содержат огромное число атомов и молекул. Этот мир необычайно разнообразен и сложен; он включает в себя газы, плазму, жидкости, твердые тела, биологические организмы разных степеней развития. Изучением этих объектов занимаются разные естественные науки — химия, биология, геология и т. д. Роль физики заключается в установлении наиболее общих, фундаментальных законов, лежащих в основе всего сущего и характеризующих любые макроскопические системы. Главная цель — выяснить, каким образом, исходя из небольшого числа твердо установленных простых физических законов, прийти к пониманию наблюдаемого на опыте чрезвычайно разнообразного поведения макроскопических систем.
