Особенности стеклообразного состояния

Стекла рентгеноаморфны, в них отсутствует дальний порядок расположения атомов. В отличие от кристаллов, структуру стекла нельзя создать повторением элементарных структурных единиц. Изучили рассеяние рентгеновских лучей кварцевым стеклом и кристаллическими модификациями SiO₂ (рис. 1.2).

а	б	в

Рис. 1.2. Рентгенограммы кристаллического кварца (а), кристобалита (б), кварцевого стекла (в)

I – интенсивность рассеяния рентгеновских лучей веществом.

q - угол скольжения.

Возможные направления возникновения максимумов интенсивности упруго рассеянного на кристалле рентгеновского излучения при дифракции рентгеновских лучей определяются уравнением Вульфа-Брэгга:

n∙l = 2d∙sinq,

где n – порядок отражения;

l – длина волны рентгеновского излучения;

d – межплоскостное расстояние.

Дифракционные максимумы возникают в тех направлениях, в которых все отражённые атомными плоскостями волны находятся в одной фазе. Это соответствует углам 2q к направлению первичного луча, для которых разность хода между двумя лучами, отражёнными от соседних плоскостей, равная 2d∙sinq, кратна целому числу длин волн l. Уравнение позволяет определять межплоскостные расстояния в кристаллах, поскольку длина волны l обычно известна, а угол скольжения q (называемый также брэгговским углом) можно измерить экспериментально.

Максимум аморфного гало в кварцевом стекле соответствует основному межплоскостному расстоянию в кристобалите. Однако в стекле частицы находятся не на строго определенных расстояниях, а на расстояниях больше или меньше некоторого среднестатистического расстояния. Отсутствие рассеивания рентгеновских лучей при малых углах свидетельствует об однородном и непрерывном строении стекла.

Анализ кривых радиального распределения электронной плотности (рис. 1.3) позволил определить среднее число соседних атомов у некоторого произвольно выбранного атома кремния.

,

r – радиальная электронная плотность.

Рис. 1.3. Функция радиального распределения

электронной плотности в стекле

Максимумы указывают на наличие ближнего порядка в стекле. Первый пик расположен на расстоянии 0,162 нм и характеризует межатомное расстояние между Si и O в кристаллических силикатах. По площади под первым максимумом рассчитали координационное число кремния. Оказалось, что в стекле атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода, то есть элементарная структурная единица силикатного стекла – это кремнекислородный тетраэдр SiO₄. Следующие максимумы соответствуют расстояниям O-O и Si-Si. Однако на больших расстояниях кривая электронной плотности сглаживается, максимумы исчезают. Следовательно, при удалении от выбранного атома кремния в структуре стекла взаимная ориентация кремнекислородных тетраэдров меняется независимо от центрального атома.

Стёкла изотропны, если они однородны по составу, не имеют дефектов и механических напряжений. Изотропия стёкол обусловлена отсутствием направленной в пространстве ориентации частиц. Свойства стекла одинаковы в любой точке. Свойства кристалла зависят от кристаллографического направления.

1.3. Интервал стеклования