Вакансия (физика)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Бездефектный кристалл NaCl
Две вакансии противоположных знаков — дефект по Шоттки
Вакансия Na+дефект по Френкелю

Вака́нсия (от лат. vacans — пустующий, свободный) — дефект кристалла, представляющий собой узел, в котором отсутствует атом (ион). Иначе говоря, вакансия — место, где в случае идеального кристалла должен располагаться атом (ион), но в действительности его в этом положении нет[1][2].

В зависимости от заряда отсутствующего иона говорят о катионных и анионных вакансиях. Если на месте вакансии в идеальном кристалле располагается положительный ион, то вакансия называется катионной, если отрицательный — анионной.

В ионных кристаллах, содержащих вакансии, электронейтральность обеспечивается тем, что дефекты образуются парами. В одном из возможных вариантов образования таких пар вместе с вакансией заряда одного знака возникает вакансия заряда и противоположного знака. Такие вакансии относят к классу дефектов по Шоттки.

Другой вариант состоит в том, что вместе с вакансией образуется междоузельный ион. В этом случае вакансия возникает в результате ухода иона из узла в междоузлие, то есть в такое положение, которое в идеальной решётке ионы не занимают. Дефекты такого типа называют дефектами по Френкелю.

При образовании вакансионных дефектов по Шоттки происходит увеличение объёма кристалла, вследствие чего его плотность понижается, а образование дефектов по Френкелю такого эффекта не вызывает.

В общем случае в кристаллах присутствуют дефекты обоих сортов, однако преобладающими являются те, для образования которых требуется меньшая энергия. Исследования показали, что дефекты по Шоттки характерны для чистых щелочно-галоидных кристаллов, а дефекты по Френкелю — для чистых кристаллов галогенидов серебра.

Вакансии всегда присутствуют в кристалле, находящемся в состоянии теплового равновесия. Количество дефектов по Шоттки n, соответствующее температуре кристалла T, можно оценить с помощью формулы[3]

n \approx N \exp(-\Delta E_S/kT),

где N — число ионов, \Delta E_S — энергия, необходимая для удаления одного иона из узла кристаллической решётки, kпостоянная Больцмана. При Е~1 эВ и Т~1000 К из формулы следует n/N~10-5[2].

Для оценки количества пар дефектов Френкеля служит другая формула[3]:

n \approx \sqrt{N N^\prime} \exp(-\Delta E_F/2kT),

где N и N^\prime — концентрации узлов и междоузельных положений соответственно, а \Delta E_F — энергия, необходимая для перемещения атома из узла решётки в междоузлие.

Количество вакансий в кристалле может быть увеличено искусственно. Например, нагревание щёлочно-галоидных кристаллов в парах щелочных металлов приводит к проникновению в кристаллы щелочных ионов и образованию их избыточного количества, то есть к возникновению анионных вакансий.

Вакансии оказывают существенное или даже определяющее влияние на многие свойства кристаллов и физические процессы в них (плотность, ионная проводимость, оптические свойства, внутреннее трение и т.д.). Так, анионные вакансии, захватившие электрон, способны формировать центры окраски, поглощающие оптическое излучение в видимой области спектра и тем самым окрашивающие кристалл.

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Мейерович А. Э. Вакансия // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1 Ааронова—Бома эффект — Длинные линии. — С. 235. — 704 с. — 100 000 экз.
  2. 1 2 Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. — М.: Наука, 1978. — 792 с.
  3. 1 2 Павлов П. В., Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. — М.: Высшая школа, 2000. — 494 с. — ISBN 5-06-003770-3

Литература[править | править исходный текст]

Глинка Н. Л. Общая химия