Вернер Гильде - Зеркальный мир

Игра в шарики становится особенно увлекательной, когда в строении одного кристалла участвует не менее двух видов атомов. При этом обнаружились два интересных для нас случая. Некоторые кристаллы состоят из одного химического соединения. Наиболее известный пример являет собой наша обыкновенная поваренная соль, имеющая состав NaCl. Ее кристаллы состоят соответственно из ионов Na +радиусом 0,098 нм и иона Сl w-радиусом 0,181 нм. Как рентгенографические исследования, так и модель, построенная из шариков, показали, что в кубической решетке поваренной соли ионы натрия и хлора чередуются между собой (через один). Можно рассматривать эту решетку как единое целое, не проводя различия между Na и Сl .Но структура NaCl может рассматриваться и как совокупность двух вставленных друг в друга гранецентрированных кубических решеток, одна из которых построена из атомов хлора, а другая из атомов натрия. Две равноценные симметрии накладываются друг на друга, что ведет к возникновению новой симметрии решетки. Последняя имеет то преимущество, что положительно и отрицательно заряженные ионы могут в ней электрически взаимно нейтрализоваться. Такую решетку называют ионной.

Схема классического опыта Макса фон Лауэ. Рентгеновский луч проходил сквозь кристалл NaCl и падал на фотопластинку. Поскольку вследствие дифракции луч при этом отклонялся, были одновременно экспериментально доказаны как атомное строение кристалла, так и волновая природа излучения

Иная структура, и она нас особенно интересует, присуща металлам. В предыдущем разделе мы уже говорили о том, что большинство металлов имеет высокосимметричные кристаллические решетки с соответствующей плотностью упаковки атомов.

Как правило, рассматривая отшлифованную и протравленную поверхность металла под микроскопом, мы не обнаружим никакого намека на симметрию. Дело в том, что в процессе затвердевания металла его кристаллы взаимно мешают друг другу расти и приобретать форму, отвечающую их действительной симметрии. Однако металловеды нашли способ получить кубические кристаллы металла. Для этого они используют металлические сплавы, один из компонентов которых кристаллизуется гораздо раньше остальных.

Так, при затвердевании сплава сурьмы, олова и свинца вначале выделяются кристаллы, богатые сурьмой, которые образуют очень красивые кубики. Оставшаяся часть сплава кристаллизуется почти одновременно, при этом возникающие кристаллы мешают друг другу проявить присущую им правильную внешнюю форму.

Рентгенограмма обнаруживает ту же симметрию, что и расположение атомов в кристалле NaCl

Заметим, кстати, что для технических целей почти всегда используются не чистые металлы, а их сплавы с другими веществами. Особые свойства, благодаря которым сплавы и находят применение, определяются именно содержанием в них тех или иных компонентов. Чистые металлы применяются лишь в особых случаях. Когда говорят о железе как о техническом материале, то обычно имеют в виду чугун, содержащий около 5% компонентов-примесей. В составе стали присутствует от 0,5 до 30% различных добавок. Некоторые алюминиевые сплавы содержат присадки магния.

Конечно, для всех сплавов построены красивые модели из цветных шариков. Мы тоже можем, мобилизовав собственную фантазию, мысленно разобрать важнейшие варианты. Допустим, атомы двух металлов значительно разнятся по своим радиусам (обратите внимание: металлы не являются химическими соединениями, и потому мы снова говорим об атомах, а не ионах!). Им трудно или даже невозможно построить общую решетку. Такие металлы «нерастворимы» один в другом. К примеру, атомный радиус железа 0,126 нм, свинца - 0,175 нм. Благодаря этому свинец можно плавить в железном сосуде. Даже наши бабушки использовали это свойство свинца при традиционном гадании в канун Нового года.

Сравните симметрию решетки кристалла и рентгенограммы. Обратите внимание на постоянное чередование ионов Nasup+/sup и Сlsup-/sup в структуре кристалла. Решетка из Nasup+/sup -ионов вставлена в решетку из Сlsup-/sup -ионов

Однако большинству металлов свойственна (в определенных пределах) взаимная растворимость. При этом опять-таки возможны два случая. Либо атомные радиусы металлов столь близки, что их атомы могут подменять друг друга, либо же одни атомы настолько малы, что по своей величине подходят к промежуткам между другими, более крупными атомами.

Железо и никель имеют почти одинаковые атомные радиусы и могут свободно замещать друг друга в решетке. Напротив, атом углерода гораздо меньше атома железа. В силу этого при высоких температурах до 0,1% углерода может размещаться в гнездах кристаллической решетки железа. Если 0,1% покажется вам слишком малой величиной, примите во внимание то обстоятельство, что только человеку присуще вести счет на весовые проценты, природа же процентного исчисления «не знает». Она «считает» просто.

Атомная масса железа около 56, углерода - лишь 12. Следуя в своих подсчетах природе, чтобы получить «поштучные проценты», нам придется выраженное в весовых процентах значение умножить приблизительно на 5. Согласно такому расчету, при температурах порядка 700° С каждый двухсотый атом в решетке может принадлежать углероду. Между тем железо имеет особое свойство: оно меняет свою кристаллическую структуру в зависимости от температуры. Выше 906°С устойчива плотнейшая кубическая гранецентрированная упаковка, в которой и находят себе место атомы углерода. Ниже этой температуры железо приобретает кубическую объемно-центрированную решетку, что сопровождается снижением степени использования объема до 68%. Хотя при этом суммарное процентное содержание пустот в решетке возрастает по сравнению с плотнейшей кубической упаковкой, отдельные реально существующие гнезда становятся меньше. Атомы углерода уже не могут разместиться в них и вытесняются из решетки. С этим связаны явления, наблюдаемые при закалке стали.

Кристаллы молибдена растут от края к середине. Обратите внимание, как некоторые кристаллы после непродолжительного роста 'уничтожаются' их соседями. Здесь ничто не напоминает о кубической симметрии кристаллов молибдена. (Увеличение 200 : 1.)