空位[物理術語]

由於能量起伏總有一些原子的能量大到足以克服周圍原子對它的束縛,就有可能遷移到別處,這樣在原來的平衡位置上就會出現結點,稱為空位。

缺陷

晶格點缺陷有三種:1)空位;2)間隙原子;3)置換原子。

概述

vacancy

指在晶體結構中本應由質點正常占有的位置,實際上缺失了質點而留下的空位。能使原來無色透明的離子晶體呈現某種顏色的色心(color center),就是一類能夠捕獲自由電子或空穴而對可見光產生選擇吸收的空位。

成因

在晶體中,原子是以格點平衡位置為中心振動著,一個原子的振動和周圍原子的振動有密切的關係。這使原子振動的能量服從麥克斯韋-玻爾茲曼幾率分布,而呈現漲落現象。當某一原子能量大到一定程度,就可能脫離正常的平衡位置,而在原格點處形成空位。

空位是金屬晶體點缺陷的一種,它的熱平衡濃度服從玻爾茲曼分布,濃度隨著溫度的升高而增加。

當溫度升高時,此時集團原子的平均熱能加大,導致全局平均振幅加大,因此,此時由於振動而能脫離金屬鍵結合的原子數量增大,空位濃度增大。

空位類型

1)肖脫基空位:空位原子遷移到晶體表面上;

2)弗蘭克爾空位:空位原子遷移到晶體內部的晶格間隙中;

3)空位型:空位原子遷移到其他空位中。

註:形成肖脫基空位所需的能量較低,所以在固態金屬中,主要形成肖脫基空位。

空位位置

1)由於熱振動,周圍原子與空位置換,形成新空位,造成空位移動。

2)空位遷移至晶體表面,或與間隙原子相遇而消失,但因為濃度不變,在其他地方產生新空位。

註:空位濃度極小,當銅接近熔點的時候,空位平衡濃度為10的-8數量級。

作用

空位與位錯環的關係

由於空位是熱缺陷,其數量與溫度有指數函式關係;在高溫下數量很多,在低溫下數量減少。但是如果晶體從高溫降低到低溫(退火)的速度過快,則將在晶體中保留有許多空位;當數個空位靠近時,即可能結合而成為一個較大的空位;而一旦這種大的空位塌陷下來,就成為了一個位錯環。因此,大量空位可以產生位錯環,這對材料性能將造成很大的影響。

空位影響

1)在固態金屬的擴散中起著極為重要的作用;

2)空位會兩個、三個或更多個的聚集在一起,形成複合空位;

3)由於空位的存在,空位周圍原子的失去力平衡,朝空位移動,偏離了平衡位置,在空位周圍形成一個涉及幾個原子作用間距範圍的彈性畸變區,影響機械性能。

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