Volné místo (fyzika)

Vakance (z lat. vacans - prázdný, volný) - krystalová vada , což je uzel, ve kterém není atom ( iont ). Jinými slovy, vakance je místo, kde by se v případě ideálního krystalu měl nacházet atom (iont), ale ve skutečnosti v této poloze není [1] [2] .

Typy pracovních míst

V závislosti na náboji chybějícího iontu se hovoří o kationtových a aniontových vakanciích. Pokud se v ideálním krystalu na místě vakance nachází kladný iont, pak se vakance nazývá kationtová, pokud záporná - aniontová.

V iontových krystalech obsahujících vakance je elektrická neutralita zajištěna tím, že se defekty tvoří ve dvojicích. V jedné z možných variant vzniku takových párů vzniká spolu s nábojovou vakancí stejného znaménka nábojová vakance opačného znaménka. Taková volná místa jsou klasifikována jako Schottkyho vady . Německý fyzik Walter Schottky (1935) jako první zavedl koncept defektů tohoto typu do vědy .

Další možností je, že se spolu s vakancí vytvoří intersticiální iont. V tomto případě vakance vzniká v důsledku pohybu iontu z místa do intersticiálního místa, tedy do polohy, kterou ionty v ideální mřížce nezabírají. Vady tohoto typu se nazývají Frenkelovy vady . Poprvé o nich vznikla zpráva v dílech sovětského fyzika Jakova Frenkela (1926).

Při vzniku defektů vakancí podle Schottkyho dochází ke zvětšení objemu krystalu, v důsledku čehož klesá jeho hustota a vznik defektů podle Frenkela takový efekt nezpůsobuje.

Vlastnosti

V obecném případě jsou v krystalech přítomny oba typy defektů, převládají však ty, které vyžadují ke vzniku méně energie. Studie ukázaly, že Schottkyho defekty jsou charakteristické pro krystaly čistých alkalických halogenidů a Frenkelovy defekty jsou charakteristické pro krystaly čistých halogenidů stříbra .

Volná místa jsou vždy přítomna v krystalu, který je ve stavu tepelné rovnováhy. Počet Schottkyho defektů odpovídající teplotě krystalu lze odhadnout pomocí vzorce [3] $n$ $T$

n\approx N\exp(-\Delta E_{S}/kT),

kde je počet iontů, je energie potřebná k odstranění jednoho iontu z místa mřížky, je Boltzmannova konstanta . Při E~1 eV a T~1000 K vyplývá ze vzorce n/N~10 -5 [2] . $N$ $\Delta E_{S}$ $k$

K odhadu počtu párů Frenkelových defektů se používá jiný vzorec [3] :

n\cca {\sqrt {NN^{\prime }}}\exp(-\Delta E_{F}/2kT),

kde a jsou koncentrace míst a intersticiálních pozic, v tomto pořadí, a je energie potřebná k přesunu atomu z místa mřížky do místa intersticiálního prostoru. $N$ ${\displaystyle N^{\prime ))$ $\Delta E_{F}$

Počet volných míst v krystalu lze uměle zvýšit. Například zahřívání alkalických halogenidových krystalů v parách alkalických kovů vede k pronikání alkalických iontů do krystalů a tvorbě jejich přebytku, to znamená ke vzniku aniontových vakancí.

Volná místa mají významný nebo dokonce rozhodující vliv na mnohé vlastnosti krystalů a fyzikální procesy v nich (hustota, iontová vodivost, optické vlastnosti, vnitřní tření atd.). Aniontová volná místa, která zachytila elektron, jsou tedy schopna tvořit barevná centra , která absorbují optické záření ve viditelné oblasti spektra a tím zbarvují krystal.

Viz také

Poznámky

↑ Meyerovich A. E. Vacancy // Fyzická encyklopedie / Ch. vyd. A. M. Prochorov . - M . : Sovětská encyklopedie , 1988. - T. 1 Aharonov-Bohmův efekt - Dlouhé čáry. - S. 235. - 704 s. — 100 000 výtisků.
↑ 1 2 Kittel C. Úvod do fyziky pevných látek. - M. : Nauka, 1978. - 792 s.
↑ 1 2 Pavlov P.V., Khokhlov A.F. Fyzika pevných látek. - M . : Vyšší škola, 2000. - 494 s. — ISBN 5-06-003770-3 .

Literatura

Glinka N. L. Obecná chemie