1.2 Кристаллическое строение металлов. Кристаллические решетки металлов.
Всякое вещество может находится в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. В чем же их различие?
В газах нет закономерности расположения частиц (атомов, молекул), частицы хаотически двигаются, отталкиваются одна от другой и газ стремится занять возможно больший объем.
В твердых телах порядок расположения атомов определенный, закономерный, силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешены, и твердое тело сохраняет свою форму.
В жидкости частицы (атомы, молекулы) сохраняют лишь так называемый ближний порядок, т.е. в пространстве закономерно расположено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема, как в твердом теле. Ближний порядок неустойчив: он то возникает, то исчезает под действием тепловых колебаний.
Таким образом, жидкое состояние – как бы промежуточное между твердым и газообразным; при соответствующих условиях возможен непосредственный переход из твердого состояния в газообразное без расплавления – сублимации.
Правильное, закономерное расположение частиц (атомов), молекул в пространстве характеризует кристаллическое состояние. Поэтому в физике кристаллическое состояние и твердое состояние – синонимы.
Кристаллическое состояние прежде всего характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве.
Это обусловливает то, что в кристалле каждый атом имеет одно и то же количество ближайших атомов – соседей, расположенных на одинаковом от него расстоянии.
Существует ряд схем и способов описания вариантов взаимного расположения атомов в кристалле.
Воображаемые линии проведенные через центры атомов, образуют решетку, в узлах которых располагаются атомы (положительно заряженные ионы); это так называемая кристаллографическая плоскость. Многократное повторение кристаллографических плоскостей, расположенных параллельно, воспроизводит пространственную кристаллическую решетку, узлы которой являются местом расположения атомов. Расстояние между центрами соседних атомов измеряются ангстремами (1Å = 10-8 см).
Взаимное расположение атомов в пространстве и величину между атомных расстояний определяют рентгеноструктурным анализом.
Расположение атомов в кристалле весьма удобно изображать в виде пространственных схем, в виде так называемых элементарных кристаллических ячеек.
Под элементарной кристаллической ячейкой подразумевается наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решетку.
Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решетка.
В простой кубической решетке атомы расположены недостаточно плотно. Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию решеток других типов.
- кубической объемно-центрированной;
- кубической гранецентрированной;
- гексагональной плотноупакованной.
Рис. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная
Основными типами кристаллических решеток являются:
Объемно - центрированная кубическая (ОЦК), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti,
)Гранецентрированная кубическая (ГЦК), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au,
)Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
Размеры кристаллической решетки характеризуется параметрами или периодами решетки. Параметры имеют величины порядка атомных размеров и измеряются в ангстремах.
Параметр решетки – чрезвычайно важная характеристика. Современные методы рентгеновского исследования позволяют измерить параметр с точностью до четвертого или даже пятого знака после запятой, т.е. одной десятитысячной, одной стотысячной доли ангстрема. Для металлов распространена гексагональная решетка. Существенное значение для свойств данного металла или сплава имеет число атомов, находящихся во взаимном контакте. Это определяется числом атомов, равноотстоящих на ближайшем расстоянии от любого атома.
Число атомов находящихся на более близком и равном расстоянии от данного атома, называется координационным числом.
Базис – количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.
Атомный радиус элемента, определяемый как расстояние между центрами наиболее близко расположенных атомов, является периодическим свойством вещества.