Образование смесей газов, жидких и твёрдых растворов (к коим относятся металлические сплавы) невозможно без такого явления, как диффузия. Слово «диффузия» произошло от латинского diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие и означает процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого. Диффузия — один из видов теплового движения атомов. Книга «Очерки о диффузии в кристаллах», написанная известным кристаллофизиком, профессором Яковом Евсеевичем Гегузиным, содержит около восьмидесяти рассказов-очерков о различных процессах и явлениях, связанных с диффузией в кристаллических твёрдых телах. За полвека, прошедшие с момента выхода первого издания, книга не утратила актуальности, и в издательстве «Интеллект» вышло третье её издание. Отрывок из книги, который мы приводим, посвящён понятию точечных дефектов в кристалле — важному пути диффузии.
В модели кристалла, построенной из деревянных шариков и металлической проволоки, обычно всё в полном порядке: в тех местах, где проволоки пересекаются, находятся шарики; каждый из шариков расположен только в месте пересечения проволок. Эту структуру математики определили бы так: имеется взаимно-однозначное соответствие между шариками и узлами, в которых пересекаются проволоки. Шарик — модель атома, а упорядоченная паутина пересекающихся проволок определяет закон, которому подчиняется расположение шариков-атомов в пространстве. Этот закон может быть и очень простым, и очень сложным, но во всех случаях, подчиняясь ему, атомы в кристаллических телах располагаются в строгом порядке.
Упорядоченное расположение атомов в кристалле есть прямое следствие общего закона природы: устойчивым является такое состояние системы, при которой её энергия будет минимальной. В нашем случае «система» — это кристалл. Минимальной энергии соответствует упорядоченное расположение атомов. Среди множества различных неупорядоченных состояний упорядоченное расположение атомов тем-то и выделено, что соответствует определённому порядку в расположении атомов. Разумеется, может быть много различных типов упорядоченного расположения атомов. В кристалле, состоящем из атомов определённого сорта, характер упорядоченного расположения (рисунок паутины пересекающихся проволок) определяется свойствами атомов. Для нас сейчас неважно, в каком именно порядке расположены атомы в кристалле, а важно, что расположены они упорядоченно. Идеальный порядок (взаимно-однозначное соответствие), отражённый в модели, сделанной из дерева и проволоки, может осуществиться в кристалле при температуре абсолютного нуля, приближаясь к которому кристалл как бы постепенно замирает.
Замечание о постепенном умирании кристалла с понижением температуры не следует воспринимать как категорическое. Иные кристаллы, главным образом те, которые состоят из лёгких атомов, вблизи абсолютного нуля обретают «второе дыхание»: их атомы становятся подвижнее, чем при повышенных температурах. Этот эффект чисто квантовый. Здесь о нём можно забыть, полагая, что мы имеем дело с обычным «классическим» кристаллом.
При повышении температуры, когда в «оживающем» кристалле колебания атомов вокруг положения равновесия становятся более энергичными, в нём могут происходить события, после которых формула «взаимно-однозначное соответствие» становится неверной: в кристалле появляются узлы, где нет атомов, и есть атомы, которые расположены не в узлах. Узлы, свободные от атомов, называются вакансиями, а атомы, которые находятся не в узлах, называются межузельными. Вакансии и межузельные атомы искажают вокруг себя решётку на расстоянии, много большем, чем расстояние между соседними узлами. На рисунке это обстоятельство изображено схематически. Тип порядка в расположении атомов или, как говорят, тип кристаллической структуры остаётся тем же, а порядок становится менее совершенным. В порядке возникают элементы беспорядка*. Происходит это вот почему: так как соседние атомы в кристалле колеблются не строго согласованно, может так случиться, что один из них получит от соседей энергию, достаточную для того, чтобы, порвав с ними связи, выскочить из их окружения, оставив один из узлов вакантным. Об этом процессе физики говорят так: имела место энергетическая флуктуация, достаточная для того, чтобы атом покинул узел. Описанный процесс подобен испарению атомов с поверхности кристалла с тем важным отличием, что, испарившись с поверхности, атом уходит в пространство, окружающее кристалл, а покинув внутренний узел решётки, атом «испаряется» в свободное, межузельное пространство в кристалле.
Таким образом возникают вакансия и межузельный атом. Они обретут структурную самостоятельность лишь тогда, когда удалятся друг от друга на расстояние, достаточное для того, чтобы для межузельного атома оставленный им узел был бы не «своим», не избранным, а одним из множества других аналогичных вакантных узлов. Вакансию и межузельный атом, потерявших родственную связь, называют парой Френкеля.
Вакансии и межузельные атомы часто объединяют общим названием «точечные дефекты». Название, разумеется, очень условное. Они «точечными» не были бы и в том случае, если бы их появление никак не искажало кристаллическую решётку. А в действительности искажает. О том, что имеется вакантный узел или межузельный атом, известно на большом расстоянии от них. Эта информация проявляется в том, что многие атомы вокруг «точечного дефекта» несколько смещаются из положений, в которых они были до его возникновения.
Почему же возникают вакансии и меж-узельные атомы? Это происходит потому, что случайно в разных местах кристалла появляются случайные сгустки энергии, так называемые энергетические флуктуации, достаточные для образования очагов беспорядка. Так как их образование вызывается тепловым движением, число образующихся очагов беспорядка — вакансий и межузельных атомов — должно расти с увеличением температуры.
Может показаться, что самопроизвольный процесс образования очагов беспорядка противоречит законам природы. С каждым из них связана некоторая дополнительная энергия, и, следовательно, энергия всего кристалла не будет минимальной. В действительности это не так. Для того чтобы при повышенной температуре сохранить идеальный порядок в кристалле, надо было бы тратить энергию на то, чтобы гасить энергетические флуктуации. Эта энергия, привнесённая в кристалл извне, делала бы его энергию неминимальной. Значит, очаги беспорядка возникнут обязательно, не возникать они не могут. Кристаллу необходимы различные формы этих очагов — и вакансии, и межузельные атомы. Это тот беспорядок, который порядку необходим.
Информация о книгах Издательского дома «Интеллект» — на сайте www.id-intellect.ru.
Комментарии к статье
* О сосуществовании порядка и беспорядка в природе рассказано в книге профессора А. И. Китайгородского «Порядок и беспорядок в мире атомов». Прочесть эту книгу должны все, кого интересует строение вещества.
