Этюды о симметрии - Синг Дж.Л.
Скачать (прямая ссылка):
решеткой с расстоянием 0,000000234 мм между ближайшими соседями обладает
кремний.
тело. (Очень мало известно о том, каким образом микрокристаллы с их
различной ориентацией пристраиваются и примыкают друг к другу. Некоторые
считают, что существует очень тонкий слой некристаллической фазы,
"склеивающий" микрокристаллы, но убедительных данных, подтверждающих
такое мнение, нет.)
Из всех твердых тел, обнаруженных в природе, преобладаю-
¦) В современной кристаллографии правильное расположение атомов в
пространстве называется структурой. Например, говорят структура КС1,
структура алмаза и т. д. - Прим. ред. американского издания.
6. О структуре твердых тел
93
щую часть составляют кристаллы. Практически при ближайшем рассмотрении
кристаллами оказываются все скальные породы, лед, а также все металлы.
Песчинки являются не чем иным, как маленькими кристалликами; жирная глина
также имеет кристаллическое строение. Некристаллических твердых тел, если
не считать стекол и веществ органического происхождения, например
древесину, крайне мало.
2. При исследовании твердых тел приходится выделять различные группы
их свойств и изучать их отдельно. При исследовании газов или жидкостей
такой необходимости не возникало.
Всякому ясно, что рассмотрение правильной решетки намного проще, чем
изучение груды беспорядочно нагроможденных атомов.
Чрезвычайно важно поэтому, что многие свойства поликристаллов совпадают
со свойствами идеальных монокристаллов. Такие свойства связаны с
явлениями, затрагивающими всю массу материала, например с испарением,
плавлением, удельным весом и сжимаемостью.
В понимании именно этих "нечувствительных" свойств нам удалось
продвинуться особенно далеко, и в этой статье основное внимание будет
уделено именно им.
К сожалению, очень многие важные свойства принадлежат ко второму классу -
к классу "чувствительных" свойств. Сопротивление разрушению, например,
определяется наиболее слабой частью кристалла. Одного дефекта иногда
бывает достаточно, чтобы вызвать разрушение образца при очень малой
нагрузке, составляющей Vio или даже '/юо долю той, что может выдержать
идеальный кристалл.
На фиг. 2 показана грубая схема того, как это может произойти:
напряжения, изображаемые в виде линий напряжений, концентрируются в
окрестности дефекта и достигают значений, во много раз превосходящих
величину напряжения в остальном объеме материала. Сильная концентрация
напряжений может привести к расширению трещины, а затем и к разрушению
всего тела. Таким образом, те части тела, которые расположены выше и ниже
трещины, не только не увеличивают прочность материала, но явно уменьшают
ее, т. е. прочность всего тела гораздо меньше, чем прочность его
слабейшей части.
t t
I \
Ф и г. 2.
94
/. Симметрия и другие физические проблемы
Можно провести параллель между электрическим пробоем изолятора и пределом
упругости (наименьшим напряжением, вызывающим остаточную деформацию),
поэтому при изучении "чувствительных" свойств кристаллов необходимо знать
не только кристалл в целом, но и его "патологию", т. е. особо опасные
изъяны и дефекты.
Помимо "чувствительных" и "нечувствительных" существует ряд промежуточных
свойств, связанных с границами. Одни из них, например термоионная эмиссия
электронов, отчасти обусловлены особенностями наружной поверхности тела,
другие, например электропроводность солей под давлением, зависят от
свойств внутренних границ кристаллов. На эти свойства оказывают влияние
даже небольшие примеси. Приняв особые меры предосторожности и проявив
недюжинное искусство, экспериментаторы иногда получают воспроизводимые
результаты и для этого круга явлений. Нередко обнаруженные факты
поддаются теоретической интерпретации так же легко, как
"нечувствительные" свойства.
3. Обратимся теперь к "нечувствительным" свойствам. Оказывается, что
даже эти свойства твердых тел по своему разнообразию намного превосходят
аналогичные свойства газов. С чисто эмпирической точки зрения различают
четыре основных класса веществ, обладающих "нечувствительными"
свойствами:
а) молекулярные кристаллы;
б) металлы;
в) валентные кристаллы;
г) ионные кристаллы.
Между этими классами возможны многие постепенные переходы. Принципы такой
классификации были заложены Гриммом.
а. Молекулярные кристаллы. Из таких кристаллов состоят инертные газы,
например Не, Ne, Аг и т. д., или соединения с насыщенными связями,
например Н2, N2, 02 и т. д., СН4, С2Н6, Н2О, H2S и т. д., а также все
органические соединения. Эти вещества обладают малой теплотой испарения и
конденсируются только при сравнительно низких температурах. Они мягки,
умеренно хрупки, хорошие изоляторы, прозрачны (если не считать тех
областей спектра, в которых образующие их молекулы поглощают свет).
б. Металлы. Свойства металлов во многом противоположны свойствам веществ
класса "а". Для металлов характерны намного большие силы связи между
атомами, они обладают более высокими теплотами испарения и значительно
