Вакансия (физика)

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.

Типы вакансий

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. Первым представление о дефектах такого типа в науку ввёл немецкий физик Вальтер Шоттки (1935).

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. Впервые сообщение о них было сделано в работах советского физика Якова Френкеля (1926).

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

Свойства

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 <math>n</math>, соответствующее температуре кристалла <math>T</math>, можно оценить с помощью формулы

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

где <math>N</math> — число ионов, <math>\Delta E_S</math> — энергия, необходимая для удаления одного иона из узла кристаллической решётки, <math>k</math> — постоянная Больцмана. При Е~1 эВ и Т~1000 К из формулы следует n/N~10^-5.

Для оценки количества пар дефектов Френкеля служит другая формула:

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

где <math>N</math> и <math>N^\prime</math> — концентрации узлов и междоузельных положений соответственно, а <math>\Delta E_F</math> — 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

• Дефект по Шоттки
• Дефект по Френкелю
• Центры окраски

Литература

• Глинка Н. Л. Общая химия

Отрывок, характеризующий Вакансия (физика)

В середине лета, княжна Марья получила неожиданное письмо от князя Андрея из Швейцарии, в котором он сообщал ей странную и неожиданную новость. Князь Андрей объявлял о своей помолвке с Ростовой. Всё письмо его дышало любовной восторженностью к своей невесте и нежной дружбой и доверием к сестре. Он писал, что никогда не любил так, как любит теперь, и что теперь только понял и узнал жизнь; он просил сестру простить его за то, что в свой приезд в Лысые Горы он ничего не сказал ей об этом решении, хотя и говорил об этом с отцом. Он не сказал ей этого потому, что княжна Марья стала бы просить отца дать свое согласие, и не достигнув бы цели, раздражила бы отца, и на себе бы понесла всю тяжесть его неудовольствия. Впрочем, писал он, тогда еще дело не было так окончательно решено, как теперь. «Тогда отец назначил мне срок, год, и вот уже шесть месяцев, половина прошло из назначенного срока, и я остаюсь более, чем когда нибудь тверд в своем решении. Ежели бы доктора не задерживали меня здесь, на водах, я бы сам был в России, но теперь возвращение мое я должен отложить еще на три месяца. Ты знаешь меня и мои отношения с отцом. Мне ничего от него не нужно, я был и буду всегда независим, но сделать противное его воле, заслужить его гнев, когда может быть так недолго осталось ему быть с нами, разрушило бы наполовину мое счастие. Я пишу теперь ему письмо о том же и прошу тебя, выбрав добрую минуту, передать ему письмо и известить меня о том, как он смотрит на всё это и есть ли надежда на то, чтобы он согласился сократить срок на три месяца».
После долгих колебаний, сомнений и молитв, княжна Марья передала письмо отцу. На другой день старый князь сказал ей спокойно:
– Напиши брату, чтоб подождал, пока умру… Не долго – скоро развяжу…
Княжна хотела возразить что то, но отец не допустил ее, и стал всё более и более возвышать голос.
– Женись, женись, голубчик… Родство хорошее!… Умные люди, а? Богатые, а? Да. Хороша мачеха у Николушки будет! Напиши ты ему, что пускай женится хоть завтра. Мачеха Николушки будет – она, а я на Бурьенке женюсь!… Ха, ха, ха, и ему чтоб без мачехи не быть! Только одно, в моем доме больше баб не нужно; пускай женится, сам по себе живет. Может, и ты к нему переедешь? – обратился он к княжне Марье: – с Богом, по морозцу, по морозцу… по морозцу!…
После этой вспышки, князь не говорил больше ни разу об этом деле. Но сдержанная досада за малодушие сына выразилась в отношениях отца с дочерью. К прежним предлогам насмешек прибавился еще новый – разговор о мачехе и любезности к m lle Bourienne.
– Отчего же мне на ней не жениться? – говорил он дочери. – Славная княгиня будет! – И в последнее время, к недоуменью и удивлению своему, княжна Марья стала замечать, что отец ее действительно начинал больше и больше приближать к себе француженку. Княжна Марья написала князю Андрею о том, как отец принял его письмо; но утешала брата, подавая надежду примирить отца с этою мыслью.
Николушка и его воспитание, Andre и религия были утешениями и радостями княжны Марьи; но кроме того, так как каждому человеку нужны свои личные надежды, у княжны Марьи была в самой глубокой тайне ее души скрытая мечта и надежда, доставлявшая ей главное утешение в ее жизни. Утешительную эту мечту и надежду дали ей божьи люди – юродивые и странники, посещавшие ее тайно от князя. Чем больше жила княжна Марья, чем больше испытывала она жизнь и наблюдала ее, тем более удивляла ее близорукость людей, ищущих здесь на земле наслаждений и счастия; трудящихся, страдающих, борющихся и делающих зло друг другу, для достижения этого невозможного, призрачного и порочного счастия. «Князь Андрей любил жену, она умерла, ему мало этого, он хочет связать свое счастие с другой женщиной. Отец не хочет этого, потому что желает для Андрея более знатного и богатого супружества. И все они борются и страдают, и мучают, и портят свою душу, свою вечную душу, для достижения благ, которым срок есть мгновенье. Мало того, что мы сами знаем это, – Христос, сын Бога сошел на землю и сказал нам, что эта жизнь есть мгновенная жизнь, испытание, а мы всё держимся за нее и думаем в ней найти счастье. Как никто не понял этого? – думала княжна Марья. Никто кроме этих презренных божьих людей, которые с сумками за плечами приходят ко мне с заднего крыльца, боясь попасться на глаза князю, и не для того, чтобы не пострадать от него, а для того, чтобы его не ввести в грех. Оставить семью, родину, все заботы о мирских благах для того, чтобы не прилепляясь ни к чему, ходить в посконном рубище, под чужим именем с места на место, не делая вреда людям, и молясь за них, молясь и за тех, которые гонят, и за тех, которые покровительствуют: выше этой истины и жизни нет истины и жизни!»