Глава 3. Зависимость физических свойств твердых веществ от строения кристаллов

Физические свойства кристаллов определяются в первую очередь природой химических элементов, входящих в их состав, то есть определяющую роль играет тип химической связи. Также проявление тех или иных физических свойств связано с геометрическим характером структуры, с взаимным расположением атомов в кристаллической структуре веществ, а также с несовершенствами структур реальных кристаллов, отражающих условия их образования. В зависимости от колебаний химического состава физические свойства одного и того же вещества могут варьировать в более или менее широких пределах.

Самой характерной особенностью физических свойств кристаллов является их симметрия и анизотропия. Вследствие периодичности и симметрии внутреннего строения кристаллов в них обнаруживается ряд свойств, невозможных в изотропных телах. Анизотропные физические свойства кристаллов чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям. Поэтому, подбирая и комбинируя те или иные воздействия, можно создавать кристаллы с уникальными, необычными свойствами, которые используются в источниках, приемниках, преобразователях и усилителях различных видов энергии.

Проявление ряда физических свойств, таких как масса, плотность, теплоемкость, температура плавления и др., зависит от межатомных расстояний в структурах кристаллов. В этом случае кристалл можно рассматривать как дискретную среду. Однако в отношении целого ряда макроскопических свойств, таких как тепло- и электропроводность, оптические и другие свойства, можно отвлечься от дискретного строения и рассматривать кристаллическое вещество как сплошную однородную анизотропную среду, и оперировать расстояниями и объемами, значительно превышающими параметры, а, следовательно, и объем элементарных ячеек кристаллических структур. Поэтому с некоторой степенью приближения можно считать, что, поскольку свойства кристалла одинаковы во всем его объеме, во всех его точках, кристалл как однородная среда характеризуется неизменностью физического свойства по отношению к трансляциям. Но поскольку проявление многих физических свойств зависит от направления в кристалле, то кристалл можно считать сплошной анизотропной средой.

Для описания физических свойств кристаллов используют скалярные, векторные и тензорные величины, поэтому и свойства кристаллов подразделяются на скалярные векторные и тензорные свойства.

3.1. Плотность кристаллов

Плотность вещества (r) – фундаментальное физическое свойства, которое определяется как отношение массы вещества к его объему:, выражается в г/см³ (или в кг/м³).

Зависит плотность от типа кристаллической структуры вещества, его химического состава, коэффициента упаковки атомов, валентностей и радиусов слагающих его частиц.

Изменяется плотность с изменением температуры и давления, так как эти факторы вызывают расширение или сжатие вещества.

С увеличение коэффициента упаковки кристаллической структуры возрастает плотность вещества. Например, при полиморфном переходе углерода графита в алмаз – с изменением координационного числа атомов углерода с 3 до 4 соответственно повышается и плотность от 2,2 до 3,5 г/см³.

Плотность реальных кристаллов обычно меньше, чем расчетная плотность (идеальных кристаллов) из-за присутствия дефектов в их структурах. Плотность алмаза, например, колеблется в пределах 2,7-3,7 г/см³. Таким образом, по уменьшению реальной плотности кристаллов можно судить о степени их дефектности.

Плотность меняется с изменением химического состава вещества при изоморфных замещениях при переходе от одного члена изоморфного ряда к другому.