Особеннсти атомно-кристаллического строения металлов. Основные типы кристаллических решёток. Понятие об изотропии и анизотропии.

Из всех элементов Периодической системы Д. И. Менделеева 76 составляют металлы. Все металлы имеют общие характерные свойства, отличающие их от других веществ. Это обусловлено особенностями их внутриатомного строения. Согласно современной теории строения атомов каждый атом представляет сложную систему, которую схематично можно представить состоящей из положительно заряженного ядра, вокруг которого на разном расстоянии от него движутся отрицательно заряженные электроны. Притягивающее действие ядра на внешние (валентные) электроны в металлах в значительной степени скомпенсировано электронами внутренних оболочек. Поэтому валентные электроны легко отрываются и свободно перемещаются между образовавшимися положительно заряженными ионами. Слабая связь отдельных электронов с остальной частью атома и является характерной особенностью атомов металлических веществ, обусловливающей их химические, физические и механические свойства. Общее число не связанных с определенным атомом электронов в различных ме таллах неодинаково. Этим объясняется довольно значительное различие в степени "металличности” отдельных металлов. Нали- чием электронного газа объясняют и особый тип межатомной связи, присущей металлам.

Металлический тип связи характеризуется тем, что между решеткой из положительно заряженных ионов и окружающими их свободными валентными электронами возникает электростатическое притяжение.

Наличие в металлах металлической связи придает им ряд ха-рактерных свойств: высокую тепло- и электропроводность; повышенную способность к пластической деформации; термоэлектронную эмиссию, т. е. способность испускать электроны при нагреве; хорошую отражательную способность, г. е. обладают металлическим блеском и непрозрачны; положительный температурный коэффициент электросопротивления, т. е. с повышением тем- пературы электросопротивление метатлов увеличивается.

Последнее свойство присуще только металлам, поэтому:

Металл — это вещество, имеющее металлический тип связи и положительный температурный коэффициент электросопротивления.

Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого, чтобы энергия взаимодействия была минимальной (рис. 1).

Сближение атомов (ионов) на расстояние меньше Ко или удаление их на расстояние больше Ко осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания или притяжения. В качестве модели такого взаимодействия (рис. 1, б) можно принять два шара (ионы), между которыми находится пружина (сила взаимодействия). В состоянии равновесия расстояние между шарами R(j. Если расстояние уменьшить и сжать пружину, то между шарами появится сила отталкивания (F). которая будет стремиться вернуть их в равновесное состояние. При увеличении расстояния появится сила притяжения (-/•)■ В связи с этим атомы в металлах располагаются закономерно на определенном расстоянии друг от Друга, образуя правильную кристаллическую решетку. Ее следует пред стаял ять как мысленно проведенные в пространстве в направлении трех осей координат прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, около которых они совершают колебательные движения. Проведенные линии образуют объемные фигуры правильной геометрической формы.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой.

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами или периодами решетки. Расстояние между центрами соседних атомов измеряется ангстремами (1 А= 1(Г10 м), килоикса- ми (1 кХ = 1,00202 А), нанометрами (1 нм = 10 9 м). Период решетки металлов находится в пределах 1...7 А.

Половину наименьшего расстояния между центрами атомов называют атомным радиусом.

Плотность кристаллической решетки •- объем, занятый атомами — характеризуется координационным числом.

Число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома, называется координационным числом.

Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов. Для кубической ячейки координационное число обозначается буквой "К", а дчя гексагонадьной — "Г".

Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим располохением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны

В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией

Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.

Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.

Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.