Кристаллофизика

Кристаллофизика, физическая кристаллография, изучает физические свойства кристаллов 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 для кристаллических агрегатов (металлов в поликристаллической форме, горных пород, пьезоэлектрических текстур 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 Е и 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, электропроводности, магнитной проницаемости 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 и кристаллохимии. 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 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, дислокации, дефекты упаковки, границы кристаллических блоков, доменов, 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.