Аморфное и кристаллическое состояние вещества

Глава 6. Твердые тела

В физике различают аморфные и кристаллические твердые тела. По признаку сохранения формы аморфные тела относят к твердым, во всем остальном они не отличаются от жидкостей. Аморфные тела рассматривают как переохлажденные жидкости с аномально большим коэффициентом вязкости, благодаря которому они при обычной температуре не могут течь. Однако при повышении температуры они постепенно размягчаются, не имея определенной температуры плавления, и приобретают обычную для жидкостей способность течь. Свойства аморфных тел одинаковы по всем направлениям, т. е. они изотропны. К примеру, если из стекла (аморфное тело) изготовить шар, то его свойства окажутся одинаковыми в различных направлениях. Так, при сжатии его с одинаковой силой в разных направлениях, он будет уменьшаться на одинаковую величину. Если измерять теплопроводность стекла, нагревая шар сверху и охлаждая его снизу или нагревая слева и охлаждая справа, найдем, что теплопроводность стекла во всех направлениях также одинакова. Для лучей света, пронизывающих стекло по всем направлениям, показатель преломления также оказывается одинаковым. Если поместить стеклянный шар между двумя пластинами заряженного конденсатора и вращать шар вокруг его центра, то не будет отмечено никакого изменения емкости конденсатора; это значит, что диэлектрическая постоянная не зависит от направления электрического поля внутри его.

Совершенно иначе ведут себя кристаллические твердые тела. Кристаллы имеют определенную, зависящую от внешнего давления температуру плавления. Скорость распространения света, изотермический коэффициент сжатия, коэффициент теплопроводности, модуль упругости, диэлектрическая проницаемость и многие другие физические свойства кристалла сильно зависят от направления в нем.

Кристаллы можно получать различными способами, например, охлаждением жидкости. При таком охлаждении, если не принять специальных мер, в жидкой фазе возникает множество центров кристаллизации, вокруг которых происходит образование твердой фазы. Возникает множество мелких кристалликов, сливающихся друг с другом хаотически и образующих так называемый поликристалл. Хотя каждый из кристаллов, образующих поликристалл, анизотропен, но ввиду хаотичности ориентировки этих кристаллов поликристаллическое тело в целом является изотропным.

Если же в охлажденную жидкость ввести затравку – маленький кристаллик, то кристаллизация начнется на нем, и можно вырастить большой монокристалл правильной формы. Для этого необходимо, чтобы условия роста кристалла были одинаковы на всех его поверхностях, что может быть достигнуто вращением затравки в растворе. При выращивании больших монокристаллов металлов и полупроводников затравку очень медленно со скоростью несколько миллиметров в час выдвигают в вертикальном направлении из нагревательной печи.

Согласно закону, открытому в 1783 г. Роме де Лиллем, во всех кристаллах одного и того же вещества углы между соответственными гранями равны. Так, например, в кристаллах каменной соли (NaCl) все углы между гранями 90˚. Если из такого кристалла выточить шарик и поместить его в насыщенный раствор каменной соли, то кубическая форма кристалла будет стремиться восстановиться. Причиной такого восстановления формы кристаллов является хорошо известное условие устойчивости равновесия термодинамической системы: условие минимума потенциальной энергии. Для кристаллов это условие выражено в принципе, сформулированном Гиббсом, Кюри и Вульфом: поверхностная энергия должна быть минимальной. Этот минимум должен находиться при условии, что заданы углы между гранями кристалла.

При помещении кристалла в насыщенный раствор или в расплав между твердой и жидкой фазами устанавливается динамическое равновесие: атомы из твердой фазы переходят в жидкую фазу, а из жидкой – в твердую; но осаждение из жидкой фазы идет так, что образуется система с минимумом потенциальной энергии, т. е. образуется характерная для данного вещества форма кристалла и все бывшие нарушения этой формы исчезают, потому шарик в описанном опыте стремится превратиться вновь в кубическую структуру или другую характерную кристаллическую форму.

Если условия роста кристалла неодинаковы в разных точках его поверхности, то форма растущего кристалла может быть отлична от характерной формы, хотя углы между основными гранями остаются та­кими, как и при правильной форме.