§ 266. Кристаллическая решетка

Как объясняет свойства кристаллов молекулярная теория? В начале XIX века впервые было высказано предположение, что внешне правильная форма кристаллов обусловлена внутренне правильным расположением частиц, из которых состоят кристаллы, т. е. атомов. На основании исследований посредством рентгеновских лучей было выяснено, что это предположение справедливо.

Частицы, составляющие кристаллы, расположены друг относительно друга в определенном порядке, на определенных расстояниях друг от друга. Конечно, вследствие теплового движения расстояния между частицами все время немного меняются, но можно говорить о некотором среднем для каждой температуры расстоянии. Совокупность узлов, т. е. точек, соответствующих средним положениям частиц, составляющих кристалл, называют пространственной решеткой этого кристалла.

Частицами, из которых состоят кристаллы, в некоторых случаях являются электрически заряженные частицы — ионы. Ионами называют атомы (или группы атомов), потерявшие или, наоборот, присоединившие к себе один, два или больше электронов. Если атом потерял электроны, он является положительно заряженной частицей — положительным ионом. Если же к атому присоединились электроны, то он является отрицательным ионом. Кристаллы, состоящие из ионов, называют ионными кристаллами.

Простой пример пространственной решетки ионного кристалла представляет собой решетка кристалла хлористого натрия (поваренной соли). Молекулу этого вещества мы представляем себе состоящей из одного атома хлора и одного атома натрия . Такими являются эти молекулы в парах соли. Экспериментальное исследование показало, что в твердом кристалле нет молекул  в том смысле, как это упоминалось выше. Кристаллическая решетка хлористого натрия состоит не из молекул хлористого натрия, а из чередующихся ионов хлора и натрия (рис. 444). Каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора, расположенными по трем взаимно перпендикулярным направлениям, а каждый ион хлора в свою очередь окружен шестью ионами натрия.

Рис. 444. Схема расположения узлов в пространственной решетке кристалла хлористого натрия

Подобные решетки имеют многие соли, состоящие из двух атомов (бромистое и хлористое серебро, йодистый калий, многие сернистые металлы и т. д.). Расстояния между средними положениями ионов в решетках разных веществ неодинаковы. У хлористого натрия расстояние между соседними ионами равно , у хлористого серебра , у йодистого калия  и т.д.). Существуют и более сложные ионные кристаллы. Так, например, решетка исландского шпата  состоит из ионов  и ионов .

Кроме ионных кристаллов, существуют также кристаллы, состоящие из незаряженных частиц — атомов или молекул. Например, решетка алмаза состоит из атомов углерода, решетка кристаллов льда — из молекул воды , решетка нафталина — из больших молекулярных групп  и т. д. Расстояния между атомами таких кристаллов также порядка .

Далеко не всегда атомы или ионы расположены в решетке, представляющей совокупность кубов (кубические решетки), как это имеет место у  и др. Большинство решеток имеет гораздо более сложный вид. Примером является решетка льда (рис. 445). Как же объяснить зависимость физических свойств кристаллов от направления?

Рис. 445. Пространственная решетка кристаллов льда: а) вид сверху; б) вид сбоку. Шарики изображают атомы кислорода; положения атомов водорода не показаны

Пусть на рис. 446, а кружки изображают атомы жидкости (например, ртути), расположенные в некоторой плоскости. Выберем некоторый атом  и проведем через него прямые линии по разным направлениям. Ясно, что благодаря полной хаотичности расположения атомов на одинаковых отрезках любой из этих прямых будет находиться практически одно и то же число атомов. Это значит, что при хаотическом расположении атомов все направления равноправны.

Рис. 446. а) Беспорядочное расположение частиц в жидкости. Любая прямая , проведенная через молекулу , встречает одинаковое число частиц (они отмечены черными кружками), б) Упорядоченное расположение атомов в кристалле. Различные прямые , проведенные через молекулу , встречают различное число атомов

Не то будет, если мы произведем такое же построение при правильном расположении атомов, характерном для кристалла, например таком, какое изображено на рис. 446, б. Видно, что прямые, проведенные по направлениям  или , встретят много атомов, по направлению  — несколько меньше, а по направлению  — совсем мало. Это и объясняет, почему физические свойства кристалла зависят от направления. Так, например, в решетке поваренной соли раскалывание происходит легче всего по плоскостям, параллельным  или  (рис. 447). Поэтому, ударив молотком по кубику кристалла поваренной соли, мы разобьем его снова на правильные кубики, в то время как удар по куску аморфного стекла разбивает его на осколки самой разнообразной формы.

Рис. 447. В кристалле поваренной соли раскалывание происходит легче по плоскостям, параллельным  или , чем по любым другим плоскостям, например

В заключение отметим, что в реальных кристаллах решетка обычно не является правильной во всем объеме кристалла. Кое-где решетка искажена, имеются участки, где атомы расположены в беспорядке, кое-где присутствуют вкрапления посторонних атомов. Эти местные искажения играют немаловажную роль для объяснения некоторых свойств реальных кристаллов.