Использование дефектной структуры в твердых телах

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кубанский государственный университет»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Экономический факультет

Кафедра экспертизы и управления недвижимостью

Реферат по предмету:

«Физико-математические основы состояния объектов недвижимости»

По теме:

«Использование дефектной структуры в твердых телах»

Краснодар 2013

Содержание

Введение

Твердые тела

Точечные дефекты

Линейные дефекты

Поверхностные дефекты

Объемные дефекты

Заключение

Введение

Все вещества по своему агрегатному состоянию могут находиться в твердом, жидком, газообразном и плазменном состояниях. Анализ причин существования различных агрегатных состояний вещества позволяет выделить две противоборствующие тенденции. Одна из них - это тенденция к упорядочению, заключающаяся в том, что частицы под влиянием действующих между ними сил располагаются по определенному закону (упорядочиваются).

Другая тенденция противодействует первой и направлена на разупорядочение, вследствие того, что собственная энергия частиц превосходит энергию взаимодействия между ними. То есть строение любых систем определяется силами межмолекулярного взаимодействия и тепловым движением частиц.

Полностью упорядоченное состояние вещества может быть реализовано только при низких температурах и высоких давлениях (идеальные кристаллы).

Другое предельное состояние, характеризуемое отсутствием какого-либо порядка и взаимодействия движущихся частиц, - это идеальные газы.

Реальное состояние вещества находится между этими двумя предельными состояниями. Преимущественное влияние тенденции упорядочения обнаруживается у твердых кристаллических тел. Для твердого состояния потенциальная энергия, в расчете на одну частицу, превышает кинетическую, благодаря чему частицы располагаются в пространстве упорядоченным образом.

Твердые тела

Твердые тела можно классифицировать по различным признакам:

1) По структурному признаку их можно разделить на три класса: аморфные, кристаллические и нанодисперсные твердые вещества.

Аморфные вещества - это вещества в конденсированном состоянии, структура которых имеет ближний порядок и не имеет дальнего порядка, характерного для кристаллических структур.

Аморфные вещества, как правило, обладают изотропией свойств, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях, не имеют определенной точки плавления: при повышении температуры аморфные тела постепенно размягчаются и выше температуры стеклования переходят в жидкое состояние. Аморфные вещества подразделяют на витроиды (стекла), дисперсные системы и полимеры.

Витроиды - это твердые тела в аморфном состоянии, имеющие стекловидную структуру. Стекла образуются в результате быстрого охлаждения, преимущественно силикатных расплавов. Быстрое охлаждение препятствует созданию упорядоченной структуры. Особенно, если молекулы громоздки, а скорость охлаждения велика.

Дисперсные системы - мельчайшие частицы размером 10-7-10-9 м. к ним относятся коллоиды, золи (органозоли, гидрозоли), пасты, клеи, мастики, краски, латексы и пр. К дисперсным аморфным системам относятся также некоторые горные породы

Полимеры - вещества, характерной особенностью которых является большой размер и большая молекулярная масса молекул. Кроме того, молекулы объединены в структурные единицы, включающих 103-105 молекул-мономеров. Кристаллические вещества - твердые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решётку Нанодисперсные порошки - особое состояние веществ, размер частиц которых соизмерим с молекулярными размерами. Эти малые частицы (диаметром от 3 до 50 нм) обладают уникальными свойствами, зачастую существенно отличающимися от свойств того же вещества в конденсированной фазе и могут иметь различные технологические приложения

Структурными элементами в твердых телах могут быть атомы, ионы или молекулы. По природе частиц и по типу химической связи твердые вещества разделяют на молекулярные, ионные, атомные (ковалентные) и металлические.

В узлах молекулярных решеток располагаются молекулы, причем энергия взаимодействия между атомами в молекуле намного превышает энергию взаимодействия между молекулами. Фазовые переходы молекулярных кристаллов (плавление, возгонка, полиморфные переходы) происходят, как правило, без разрушения отдельных молекул. Вещества, имеющие молекулярные решетки, обычно обладают низкими температурами плавления и кипения, высоким давлением насыщенного пара. К такому типу относятся, например: H2, O2, N2, галогены, благородные газы при низких температурах и многие органические вещества.

В узлах ионных решеток находятся ионы противоположных зарядов. Связь между частицами осуществляется за счет электростатических сил притяжения, хотя может налагаться и сила взаимодействия перекрывающихся орбиталей. Ионные кристаллы отличаются высокой температурой плавления. Такую решетку имеют кристаллы солей металлов. В узлах атомной решетки находятся связанные друг с другом ковалентной связью атомы. Вещества с такого типа решетками имеют высокую температуру плавления и низкое давление насыщенного пара. Характерным примером является алмаз, в кристаллической решетке которого все межъядерные расстояния и все узлы между связями равны. Это обуславливает его очень низкую энергию и, как следствие, - высокую твердость.

Металлическая решетка является разновидностью атомной и отличается тем, что в ее узлах находятся атомы и положительно заряженные ионы. В8 пространстве между узлами перемещаются электроны, обеспечивающие электронейтральность вещества. Эти подвижные электроны придают металлам характерные свойства: металлический блеск, высокую электропроводность, теплопроводность, пластичность.

Помимо рассмотренных выше различных вариантов классификации твердых тел, для кристаллических веществ существует своя иерархия.

Рассматривают три уровня структурной организации частиц в кристаллах.

а) идеальная структура (структура отдельных кристаллов);

б) реальная структура (дефектные структуры реальных кристаллов, включая структуру поверхностных слоев);

в) микроструктура (текстура поликристаллических твердых тел)

Идеальным называется кристалл, каждый атом которого имеет идентичное окружение соседних атомов, то есть определенное их число и на строго фиксированном расстоянии. При смещении идеального кристалла на величину трансляционного вектора он совмещается сам с собой. В результате такого единичного сдвига полностью восстанавливается исходная кристаллографическая конфигурация атомов и, следовательно, сохраняется прежняя кристаллическая структура

Кристалл, часть атомов которого не имеет идентичного окружения, является несовершенным, реальным. Области нарушения правильного, идеального строения кристаллической решетки называют дефектами. Инымисловами, под дефектами кристаллического строения можно понимать нарушения в периодичности расположения атомов в пространстве, в результате которого не все атомы имеют одинаковое окружение. Отклонения атомов от равновесных положений вследствие тепловых колебаний или упругих смещений к дефектам кристаллической решетки не относятся.

Полностью упорядоченное кристаллическое состояние реально не может быть осуществлено, приближение к нему (идеальный кристалл) имеет место при стремлении температуры к 0 К. Реальные тела в кристаллическом состоянии всегда содержат некоторое количество дефектов, нарушающих как ближний, так и дальний порядок. Особенно много дефектов наблюдается в твердых растворах, в которых отдельные частицы и их группировки статистически занимают различные положения в пространстве.

Некоторые свойства веществ на поверхности кристаллов и вблизи нее существенно отличаются от этих свойств внутри кристаллов, в частности, из-за нарушения симметрии Структурные дефекты - это энергетически возбужденные состояния кристаллической решетки, связанные с нарушением строгой регулярности и способа заполнения узлов кристаллической решетки. Существует несколько способов классификации дефектов. Самые простые из них следующие: деление дефектов на собственные и примесные, а также рассмотрение дефектов с позиций равновесия в системе (равновесные и неравновесные).

Примесные дефекты, как следует из определения, обусловлены присутствием чужеродных атомов или молекул. Собственные дефекты не меняют качественного состава кристалла (меняться может лишь количественный состав). Их возникновение связано с влиянием температуры, механических радиационных и других видов воздействия на твердую фазу.

Концентрация равновесных дефектов для конкретного кристалла однозначно зависит от температуры. При повышении температуры концентрация таких дефектов возрастает, а при ее снижении - уменьшается. Причем при возвращении кристалла в исходное состояние (к исходной температуре) концентрация в точности будет соответствовать исходной, которая для данной системы определяется только температурой. Следует, однако, учитывать кинетический фактор, так как перемещение атомов в твердых телах даже при высоких температурах осуществляется достаточно медленно. Поэтому точное соответствие должно учитывать время достижения равновесного состояния

Неравновесные дефекты также подвержены влиянию температуры.

Например, если выдерживать кристалл с дефектами при постоянной (обычно, повышенной) температуре достаточно длительное время, может происходить так называемый температурный отжиг дефектов, в процессе которого концентрация неравновесных дефектов уменьшается. Это происходит за счет возрастания их подвижности. Однако, при возвращении кристалла к исходной (пониженной) температуре концентрация таких дефектов не восстанавливается, то есть отсутствует прямая связь концентрации дефектов с температурой, которая имеет место в случае равновесных дефектов.

Наиболее детальной является классификация дефектов по геометрическим признакам. Тогда выделяют 4 класса дефектов: точечные, линейные, поверхностные и объемные.

1) Точечные (нульмерные) дефекты малы во всех измерениях, их размеры по всем направлениям не превышают нескольких атомных диаметров. Они состоят из одного атома (если это атом примеси) или дефектной позиции (если кристалл не содержит примесных атомов).

2) Линейные (одномерные) дефекты - это нарушение линейной последовательности узлов решетки, вдоль которой обрывается периодичность структуры.

3) Поверхностные (двумерные) дефекты - это ошибки в наложение слоев атомов, а также границы, отделяющие различные области идеальной или близкой к идеальной периодической структуры кристалла.

4) Объёмные (трёхмерные дефекты) имеют в трех измерениях сравнительно большие размеры, несопоставимые с величинами атомных диаметров. К ним относятся икропустоты, включения другой фазы, поры, трещины.

Точечные дефекты

В кристаллах наиболее распространены два типа точечных дефектов: вакансии и междоузлия (рис. ) Вакансией называется дефект, который образуется, когда один из узлов решетки оказывается не занятым атомом. В результате образования вакансии происходит некоторое перемещение соседних с дефектом атомов, и решетка оказывается напряженной.

Противоположным случаем является точечный дефект, связанный с внедрением атома в междоузлие. Межузельные атомы являются как бы избыточными, лишними атомами и располагаются между регулярными узлами решетки. Ими могут быть примесные атомы внедрения (в твердых растворах внедрения), замещения (в твердых растворах замещения, если их размеры превышают размеры основных атомов) и атомы, покинувшие свои позиции в кристаллической решетки с образованием вакансии. Причем если вакансии и примесные атомы замещения могут находиться в любых узлах решетки, то примесные атомы внедрения располагаются преимущественно в таких микропорах, где для них имеется достаточно свободного пространства.

Линейные дефекты

Такие дефекты характеризуются большой протяжённостью (во много периодов кристаллической решётки) нарушения периодичности в одном направлении. При этом нарушения периодичности в двух других направлениях редко превышают несколько параметров кристаллической решётки и обусловлены релаксационными процессами, то есть частичным смещением атомов относительно равновесного положения при возникновении линейного дефекта.

К линейным дефектам относят дислокации, микротрещины, неустойчивые образования в виде цепочки точечных дефектов.

Дислокации возникают при пластической деформации кристаллов и при их дальнейшей механической обработке. Это устойчивые линейные дефекты, для них не наблюдается явной зависимости концентрации дефектов от температуры. Основные разновидности дислокаций - краевые и винтовые

Поверхностные дефекты

Такие дефекты малы только в одном измерении и имеют в двух измерениях размеры, во много раз превышающие параметр решётки. К ним относятся границы зёрен, кристаллических двойников, блоков мозаики, дефекты упаковки, а также поверхность самого кристалла Твердые тела имеют не только внешние поверхности, но содержат и внутренние границы, которые зачастую в заметно большей степени способны влиять на свойства металлических материалов.

Применяемые в технике металлы и сплавы обычно относятся к поликристаллическим телам, поскольку состоят из множества отдельных кристалликов неправильной формы, жестко связанных между собой. Их

принято называть кристаллитами или зернами. Таким образом, в любом поликристаллическом материалы существуют внутренние границы (поверхности), разделяющие соседние зерна. Они представляют собой области несовершенного контакта, где имеется нарушение непрерывности кристаллической структуры. Два соседних зерна в общем случае имеют несовпадающую кристаллографическую ориентировку

Объемные дефекты

Такие дефекты обычно возникают при быстром росте кристаллов из раствора или расплава, содержащего большое количество примесей. Они могут также образовываться путём кооперирования дефектов меньшей размерности, например, дислокаций, или агрегации примесных атомов.

Наиболее распространенным видом объемных дефектов являются нарушения сплошности материала, существующие в виде пор и трещин.

Нарушением сплошности называется дефект (полость) в кристалле, наименьший размер r которого превышает радиус действия межатомных сил сцепления. Фактически это означает, что размер r превосходит 2-3 межатомных расстояния, и противоположные участки полости можно рассматривать в качестве свободных поверхностей.

По происхождению полости подразделяют на структурные и технологические.

К структурным относят такие, которые возникают в результате эволюционного развития других дефектов, уже существующих в решетке - точечных или линейных. Указанное развитие дефектной структуры может происходить вследствие внешнего воздействия (например, механического, теплового) или же из-за внутренних возмущений решетки (полиморфные реакции, фазовые превращения).

Технологическими считаются несплошности, появление которых целиком обусловлено особенностями осуществления технологических операций - например, прессованием порошковых материалов, кристаллизацией.

Заключение

твердое тело дефект поверхностный

Проблема дефектного состояния твердых тел различной природы в настоящее время является одной из важнейших в современной физике и химии твердого тела. Представления о дефектности атомной и электронной структур кристалла лежат в основе описания процессов химических взаимодействий с участием твердых тел, явления электро- и массопереноса, характеристики всех структурно-чувствительных свойств твердых тел.

Размещено на http://www.allbest.ru