Кристаллофизика

физическая кристаллография, изучает физические свойства кристаллов (См. Кристаллы)и кристаллических агрегатов и изменение этих свойств под влиянием различных воздействий. В отношении многих физических свойств дискретность решётчатого строения кристалла не проявляется, и кристалл можно рассматривать как однородную, но анизотропную среду (см. Анизотропия). Понятие однородности среды означает рассмотрение физических явлений в объёмах, значительно превышающих некоторый характерный для данной кристаллической среды объём: объём элементарной ячейки для монокристалла, средний объём кристаллита (См. Кристаллиты) для кристаллических агрегатов (металлов в поликристаллической форме, горных пород, пьезоэлектрических текстур (См. Текстура)и т. д.). Анизотропность среды означает, что её свойства изменяются с изменением направления, но одинаковы в направлениях, эквивалентных по симметрии (см. Симметрия кристаллов).

Некоторые свойства кристаллов, например плотность, характеризуются скалярными величинами. Физические свойства среды, отражающие взаимосвязь между двумя векторными величинами (поляризация среды Р и электрическое поле Е, плотность тока J и электрическое поле Еи т. д.) или псевдовекторными величинами (магнитная индукция В и напряжённость магнитного поля Н и т. д.), описываются полярными тензорами 2-го ранга (например, тензоры диэлектрической восприимчивости (См. Диэлектрическая восприимчивость),электропроводности (См. Электропроводность),магнитной проницаемости (См. Магнитная проницаемость) и др.). Некоторые физические поля в кристаллах, например поле механических напряжений, сами являются тензорными полями. Связь между полем напряжений и др. физическими полями (электрическим, магнитным) или свойствами (тензором деформаций, тензорами оптических констант) описывается тензорами высших рангов, характеризующими такие свойства, как пьезоэлектрический эффект (см. Пьезоэлектричество),Электрострикция, Магнитострикция,Упругость, Фотоупругость и т. д.

Диэлектрические, магнитные, упругие и др. свойства кристаллов удобно представлять в виде геометрических поверхностей. Описывающий такую изобразительную поверхность радиус-вектор определяет величину той или иной кристаллофизической константы для данного направления. Симметрия любого свойства кристалла не может быть ниже его морфологической симметрии (принцип Неймана). Иными словами, группа симметрии, описывающая любое физическое свойство кристалла, неизбежно включает элементы симметрии его точечной группы. Так, кристаллы и текстуры, обладающие центром симметрии, не могут обладать полярными свойствами, т. е. такими, которые изменяются при изменении направления на обратное (например Пироэлектрики). Наличие в среде элементов симметрии определяет ориентацию главных осей изобразительной поверхности и число компонент тензоров, описывающих то или иное физическое свойство. Так, в кристаллах кубической сингонии все физические свойства, описываемые тензорами 2-го ранга, не зависят от направления. Такие кристаллы изотропны. Изобразительной поверхностью в этом случае является сфера. Те же свойства в кристаллах средних сингоний (тетрагональной, тригональной и гексагональной) имеют симметрию эллипсоида вращения. Тензор 2-го ранга содержит в этом случае две независимые константы. Одна из них описывает исследуемое свойство вдоль главной оси кристалла, а другая — в любом из направлений, перпендикулярных главной оси. Для того чтобы полностью описать исследуемое свойство таких кристаллов в заданном направлении, только эти две величины и необходимо измерить. В кристаллах низших сингоний физические свойства обладают симметрией трёхосного эллипсоида и характеризуются тремя главными значениями тензора 2-го ранга (и ориентацией главных осей этого тензора) (см. Кристаллооптика).

Физические свойства, описываемые тензорами более высокого ранга, характеризуются бóльшим числом параметров. Так, упругие свойства, описываемые тензором 4-го ранга для кубического кристалла, характеризуются тремя, а для изотропного тела двумя независимыми величинами. Для описания упругих свойств триклинного кристалла необходимо определить 21 независимую постоянную. Число независимых компонент тензоров высших рангов (5, 6-го и т. д.) для разных классов симметрии определяется методами теории групп (см. Группа).

К. разрабатывает рациональные методы измерений, необходимых для полного определения физических свойств анизотропных сред. Эти методы применимы как при исследовании кристаллов, так и анизотропных поликристаллических агрегатов (текстур). К. занимается также методами измерений разнообразных свойств анизотропных сред с помощью радиотехнических, резонансных, акустических, оптических, диффракционных и иных методов.

Многие физические явления характерны только для анизотропных сред и изучаются К. Это — Двойное лучепреломление и вращение плоскости поляризации света, прямой и обратный пьезоэффекты, электрооптический эффект, генерация световых гармоник (см. Нелинейная оптика)и т. д. Др. явления (электропроводность, упругость и т. д.) наблюдаются и в изотропных средах, но кристаллы имеют особенности, важные для практического применения.

Значительное место в К. занимают вопросы, тесно примыкающие к физике твёрдого тела (См. Твёрдое тело) и кристаллохимии (См. Кристаллохимия). Это — исследование изменений тех или иных свойств кристалла при изменении его структуры или сил взаимодействия в кристаллической решётке (см. Твёрдые растворы, Изоморфизм). К. изучает изменение симметрии кристаллов в различных термодинамических условиях. При этом используется Кюри принцип, который позволяет предсказать точечные и пространственные группы кристаллов, испытывающих фазовые переходы (См. Фазовый переход) в ферромагнитное и сегнетоэлектрическое состояние (см. Ферромагнетизм, Сегнетоэлектрики).

Важное место в К. занимает физика реального кристалла, изучающая различного рода Дефекты в кристаллах (центры окраски, вакансии (См. Вакансия), Дислокации, дефекты упаковки, границы кристаллических блоков (См. Кристаллические блоки),доменов (См. Домены), зёрен и т. д.) и их влияние на физические свойства кристаллов. Такими свойствами, в первую очередь, являются Пластичность, Прочность, электросопротивление, люминесценция, механическая добротность и т. д. К задачам К. относится также поиск новых кристаллов, обладающих физическими свойствами, необходимыми для практических применений.

Лит. см. при ст. Кристаллография,Кристаллы, Симметрия кристаллов.

К. С. Александров.

1. криста́ллофи́зика;
2. криста́ллофи́зики;
3. криста́ллофи́зики;
4. криста́ллофи́зик;
5. криста́ллофи́зике;
6. криста́ллофи́зикам;
7. криста́ллофи́зику;
8. криста́ллофи́зики;
9. криста́ллофи́зикой;
10. криста́ллофи́зикою;
11. криста́ллофи́зиками;
12. криста́ллофи́зике;
13. криста́ллофи́зиках.

КРИСТАЛЛОФИЗИКА - область физики твердого тела, в которой изучаются физические свойства кристаллов, их зависимость от атомно-кристаллической структуры и изменение этих свойств под влиянием внешних воздействий.

КРИСТАЛЛОФИЗИКА

изучает физ. св-ва кристаллов и др. анизотропных сред, влияние разл. внеш. воздействий на эти св-ва и реальную структуру кристаллов. В отношении мн. физ. св-в дискретность решётчатого строения кристалла не проявляется, и кристалл можно рассматривать как сплошную однородную анизотропную среду. Понятие однородности среды означает рассмотрение физ. явлений в объёмах, значительно превышающих объём элем. ячейки кристалла. Св-ва кристаллов зависят от направления (анизотропия), но одинаковы в направлениях, эквивалентных по симметрии (см. СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ).

Для количеств. описания физ. св-в кристаллов в К. используется матем. аппарат матричного и тензорного исчисления и теории групп. Нек-рые св-ва кристаллов, напр. плотность, не зависят от направления и характеризуются скалярными величинами. Фнз. св-ва, характеризующие взаимосвязь между двумя векторными величинами (напр., между поляризацией P и электрич. полем Е, плотностью тока j и электрич. полем Е) или псевдовекторными величинами (напр., между магн. индукцией В и напряжённостью магн. поля Н), описываются тензорами второго ранга (напр., тензоры диэлектрической восприимчивости, электропроводности, магнитной проницаемости). Многие физические поля в кристаллах, напр. электрич. и магн. поля, поле механич. напряжений, сами явл. тензорными (векторными) полями. Связь между физ. полями и св-вами кристаллов или между их св-вами может описываться тензорами высших рангов, характеризующими такие св-ва, как пьезоэлектрич. эффект (см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО), электрострикция, магнитострикция, упругость, фотоупругость и т. д.

Диэлектрич., магн., упругие и др. св-ва кристаллов удобно представлять в виде т. н. указательных поверхностей. Описывающий такую поверхность радиус-вектор характеризует величину той или иной кристаллофиз. константы для данного направления (см. ИНДИКАТРИСА В ОПТИКЕ). Симметрия любого св-ва кристалла не может быть ниже симметрии его внеш. формы (п р и н ц и п Н е й м а н а). Иными словами, группа симметрии G1, описывающая любое физ. св-во кристалла, неизбежно включает элементы симметрии его точечной группы G, т. е. является её надгруппой: G1?G. Так, кристаллы, обладающие центром симметрии, не могут обладать полярными св-вами, т. е. такими, к-рые изменяются при изменении направления на обратное, напр. пироэлектрическими (см. ПИРОЭЛЕКТРИКИ). Наличие элементов симметрии определяет ориентацию гл. осей указательной поверхности и число компонент тензоров, описывающих то или иное физ. св-во. Так, в кристаллах кубич. сингонии все физические св-ва, описываемые тензорами второго ранга, не зависят от направления. Такие кристаллы изотропны относительно этих св-в (указательная поверхность — сфера). Те же св-ва в кристаллах ср. сингонии (тетрагональной, тригональной и гексагональной) характеризуются симметрией эллипсоида вращения, т. е. тензор 2-го ранга имеет две независимые компоненты. Одна из них описывает св-во вдоль гл. оси кристалла, а другая — в любом из направлений, перпендикулярных гл. оси. Для полного описания св-в таких кристаллов в любом направлении только эти две величины и необходимо измерить. В кристаллах низших сингонии физические св-ва, описываемые тензорами второго ранга, обладают симметрией трёхосного эллипсоида и характеризуются тремя гл. значениями (и ориентацией гл. осей этого тензора).

Физ. св-ва, описываемые тензорами более высокого ранга, характеризуются большим числом параметров. Так, упругие св-ва, описываемые тензором 4-го ранга, для кубич. кристалла характеризуются тремя, а для изотропного тела двумя независимыми величинами. Для описания упругих св-в триклинного кристалла необходимо определить 21 независимую компоненту тензора. Число независимых компонент тензоров высших рангов (5-го, 6-го и т. д.) для разных точечных групп симметрии определяется методами теории групп. Полное определение физ. св-в кристаллов и текстур осуществляется радиотехн., акустич., оптич. и др. методами.

В К. исследуются как явления, характерные только для анизотропных сред (двойное лучепреломление, вращение плоскости поляризации света, прямой и обратный пьезоэффекты, электрооптич., магнитооптич. и пьезооптич. эффекты, генерация оптич. гармоник и др.), так и явления, наблюдаемые и в изотропных средах (электропроводность, упругость и т. д.). Последние в кристаллах могут иметь особенности, обусловленные анизотропией.

К. явл. частью кристаллографии и примыкает к физике твёрдого тела и кристаллохимии; задачей К. явл. также исследование изменений св-в кристалла при изменении его структуры или сил вз-ствия в крист. решётке. Мн. задачи К. связаны с изменением симметрии кристаллов в разл. термодинамич. условиях. Кюри принцип позволяет предсказать изменение точечной и пространств. групп симметрии кристаллов, испытывающих фазовые переходы, напр., в ферромагн. и сегнетоэлектрич. состояния (см. ФЕРРОМАГНЕТИЗМ, СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ).

В К. изучаются и различного рода дефекты крист. решётки (центры окраски, вакансии, дислокации, дефекты упаковки, границы крист. блоков, зёрен, домены и т. д.) и их влияние на физ. св-ва кристаллов (на пластичность, прочность, электропроводность, люминесценцию, механич. добротность и т. д.). К задачам К. относится также поиск новых перспективных крист. материалов.

кристаллофи́зика

область физики твёрдого тела, в которой изучаются физические свойства кристаллов, их зависимость от атомно-кристаллической структуры и изменение этих свойств под влиянием внешних воздействий.

* * *

КРИСТАЛЛОФИ́ЗИКА, раздел кристаллографии(см. КРИСТАЛЛОГРАФИЯ), изучающий физические свойства кристаллов и других анизотропных материалов (жидких кристаллов(см. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ), поликристаллических агрегатов). По определению А. В. Шубникова(см. ШУБНИКОВ Алексей Васильевич) «Кристаллофизика исследует закономерности физических явлений в кристаллах, связанные с внутренней симметрией(см. СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ) кристаллов и их дискретной атомной структурой».

Самой характерной особенностью физических свойств кристаллов является их анизотропия(см. АНИЗОТРОПИЯ) и симметрия. Вследствие периодичности и симметрии внутреннего строения в кристаллах обнаруживается ряд свойств, невозможных в изотропных телах. Задачей кристаллофизики является установление общих симметричных и термодинамических закономерностей для физических свойств кристаллов. Кристаллофизика изучает также взаимосвязь физических свойств кристаллов с их симметрией, атомной и реальной структурой. В задачи кристаллофизики входит также изучение взаимосвязи свойств кристаллов и их зависимости от внешних воздействий.

В основе кристаллофизики идеального кристалла лежит общий принцип симметрии Кюри(см. СИММЕТРИИ ПРИНЦИП КЮРИ). В приложении к кристаллам принцип Кюри означает, что все элементы симметрии кристалла являются в то же время элементами симметрии любого его физического свойства. П. Кюри показал, что не только кристаллы и другие вещественные объекты, но и физические явления, поля, воздействия могут иметь симметрию, которая описывается семью предельными группами симметрии(см. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ГРУППЫ СИММЕТРИИ). Симметрия макроскопических свойств кристалла определяется точечной группой его симметрии и не может быть ниже ее (см. Неймана принцип(см. НЕЙМАНА ПРИНЦИП)). Симметрия физического свойства вещества тесно связана с кристаллографической симметрией этого вещества, с его классом симметрии. Чем ниже симметрия кристалла, тем сложнее анизотропия его свойств.

Подход к описанию физических свойств кристаллов в кристаллофизике двойственен. С одной стороны, учитывая атомную периодическую структуру кристалла, кристалл рассматривают как дискретную прерывную среду, свойства которой не могут быть одинаковы там, где частица есть, и там, где частицы нет. С другой стороны, для описания многих свойств кристалла достаточно ограничиться рассмотрением объемов значительно больших, чем собственный объем элементарной ячейки кристалла, и значительно меньших, чем объем кристалла в целом. В этом случае кристалл удобно представлять как сплошную (непрерывную) однородную среду, свойства которой одинаковы во всех его точках, т. е. исследуемый элементарный объем можно взять из любого места кристалла. При рассмотрении макроскопических физических свойств кристаллов его считают сплошной однородной анизотропной средой. Это означает, что зависимость свойств от направления одинакова во всех точках кристалла, а свойство в данном направлении не зависят от выбора испытуемого элементарного объема.

Физические свойства кристаллов принято описывать в декартовых(см. ДЕКАРТОВА СИСТЕМА КООРДИНАТ) (ортогональных нормированных) системах координат. Для однозначности описания физических свойств кристаллов используют декартову систему координат, определенным образом ориентированную относительно кристаллографических осей — кристаллофизическую систему координат(см. КРИСТАЛЛОФИЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ). Математический аппарат кристаллофизики основан на тензорном исчислении и теории групп и устанавливает закономерности, общие для самых различных свойств кристаллов. Чтобы применять на практике физическое свойство кристалла, нужно знать, изотропно оно или анизотропно. Если свойство анизотропно, то необходимо установить характер его анизотропии, найти ранг тензора, характеризующего это свойство, установить связь этого тензора с симметрией кристалла и определить его компоненты. Для графического изображения симметрии и анизотропии свойств используется указательная поверхность(см. УКАЗАТЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ).

Кристаллофизика учитывает взаимную связь физических свойств кристаллов. Под влиянием внешних сил может возникать не одно, а несколько явлений, сложно переплетающихся и взаимодействующих друг с другом. Нагревание кристалла может вызвать не только изменение его энтропии и тепловое расширение, но и термоупругие напряжения, и электрическую поляризацию вследствие пироэлектрического эффекта. Под действием механических напряжений могут возникнуть не только механическая деформация, но и пьезоэлектрический, и пьезооптический эффекты. Одно и то же явление может быть обусловлено разными воздействиями и разными свойствами кристалла. Механическая деформация может быть вызвана упругостью кристалла при механическом воздействии, пьезоэлектрическим эффектом при воздействии электрического поля, тепловым расширением при изменении температуры. Т. е. от условий зависит, что считать воздействием, а что возникающим явлением, но связь между ними всегда осуществляется через физическое свойство кристалла, причем различные свойства проявляются одновременно и в сложном взаимосочетании. Кристаллофизический подход учитывает, что эти свойства могут обладать различной анизотропией, описываться тензорами различных рангов или скаляром, и направления их оптимальных значений не будут совпадать.

Кристаллофизика разрабатывает рациональные методы измерений, необходимых для полного определения физических свойств анизотропных сред. Эти методы применимы как при исследовании кристаллов, так и анизотропных поликристаллических агрегатов(см. ПОЛИКРИСТАЛЛЫ) (текстур). Кристаллофизика занимается также методами измерений разнообразных свойств анизотропных сред с помощью радиотехнических, резонансных, акустических, оптических, дифракционных и иных методов.

Кристаллофизика тесно связана с кристаллохимией и учением о росте кристаллов, потому что физические свойства кристалла зависят от типа структуры и частиц, составляющих эту структуру, а также от условий роста. Кристаллофизика изучает структуру реальных кристаллов: дефекты(см. ДЕФЕКТЫ) кристаллической решетки (точечные дефекты(см. ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ), микродефекты(см. МИКРОДЕФЕКТЫ) и дислокации(см. ДИСЛОКАЦИИ), центры окраски(см. ЦЕНТРЫ ОКРАСКИ), двойники(см. ДВОЙНИКИ) и границы поликристаллов(см. ПОЛИКРИСТАЛЛЫ)). Многие свойства кристаллов являются структурно чувствительными. Дефекты кристаллической решетки влияют на электропроводность в полупроводниках и диэлектриках, на фотопроводимость, люминесценцию, прочность, пластичность, окраску и др. свойства кристаллов. Задачей кристаллофизики является установление зависимости физически свойств кристаллов от их структурного совершенства и поиск способов управления свойствами материалов и создание новых структур.

Анизотропные физические свойства кристаллов чрезвычайно чувствительны к влиянию внешних воздействий. Поэтому подбирая и комбинируя эти воздействия, можно создавать кристаллы с уникальными свойствами, которые применяются в источниках, приемниках, преобразователях, усилителях различных видов энергии. Процессы таких преобразований также изучает кристаллофизика.

раздел кристаллографии, посвящ. изучению физ. св-в кристаллов и др. анизотропных сред и изменению этих св-в под влиянием разл. внеш. воздействий (механич., тепловых и т. д.). Одно из осн. направлений К. - изучение симметрии и анизотропии кристаллов. Матем. аппарат К. осн. на тензорном исчислении и теории групп. К. тесно связана с физикой твёрдого тела и кристаллохимией.

кристаллофи́зика ж.

crystal physics

* * *

crystal physics

ж.

cristallofisica f, fisica f dei cristalli

физ., наук.

кристалофі́зика

физ., наук.

кристалофі́зика

область физики тв. тела, в к-рой изучаются физ. свойства кристаллов, их зависимость от атомно-кристаллич. структуры и изменение этих свойств под влиянием внеш. воздействий.