Кристаллическая решетка галогенидов серебра
В твердом состоянии все галогениды серебра представляют собой ионные кристаллы. Это значит, что их кристаллическая решетка образована правильным чередованием катионов серебра Ag+ и анионов галогена Hal-, которые удерживаются на своих местах по преимуществу электрическими силами притяжения разноименных зарядов.
Решетки бромида и хлорида серебра AgBr и AgCl относятся к простейшим из возможных—кубическим типа поваренной соли, т. е. ионы в них расположены по трем взаимно перпендикулярным направлениям и расстояние между парой соседних ионов (так называемая постоянная решетки) по всем трем направлениям одинаково (рис. 1). Это расстояние составляет 2,88 А между ионами Ag+ и Вг- и вдвое больше между двумя последовательными ионами Ag+ или Вг-. В хлориде, оно составляет 2,77 А между ионами Ag+ и С1.- Что же касается нодида серебра Agl, то решетка его более сложна и меняется с изменением температуры; только выше 146 °С она становится кубической, но такие температуры для фотографии не представляют интереса.
В случае совместной кристаллизации нескольких галогенидов серебра в единой решетке все определяется тем, относятся, ли., их решетки к одному и тому же типу. В случае AgBr + AgCl, когда обе решетки однотипны и постоянные обеих решеток близки, решетка смешанных кристаллов любого состава относится к тому же типу, что и чистых, т. е. является кубической, причем постоянная ее меньше, чем у бромида, но больше, чем у хлорида. Среди анионов в решетке встречаются как Вг-, так и С1~, расположенные вполне случайно, но в пропорциях, соответствующих химическому составу кристалла. В случае разнотипных решеток, как это имеет место, например, для AgBr + AgI, картина более сложна. Пока примесь AgI невелика, решетка смешанного кристалла, остается такой, как у основного вещества, в данном случае кубической, но в равномерной .заменой части ионов Вг- ионами I- в решетке в количестве, соответствующем доле примеси. При этом вероятность двум ионам I- оказаться рядом очень мала, а значит, вероятность образования малого участка чистого Agl в большом кристалле AgBr тоже пренебрежимо мала. Однако по мере увеличения доли Agl эта вероятность растет, и при достаточно большой доле выделение: Agl из общего кристалла в самостоятельные участки вместо равномерного смешивания с AgBr становится почти неизбежным; вот почему возможности добавления иодида серебра к другим галогенидам ограничены.
Каждый ион в решетке обладает энергией, которая складывается из кинетической и потенциальной энергии его беспорядочных колебаний вокруг среднего равновесного положения. При наибольшем отклонении иона от среднего положения вся кинетическая энергия переходит в потенциальную, а величина последней равна работе, совершенной при перемещении иона в крайнее положение. Силы, удерживающие ион, являются силами притяжения и отталкивания зарядов по закону Кулона, за их счет и совершается ра” бота. Поскольку эти силы обратно пропорциональны квадрату расстояния, наибольшую роль играют силы-взаимодействия данного иона с ближайшими соседями, а их у каждого иона в кубической решетке шесть — сверху и снизу, спереди и сзади, справа и слева, причем действие их попарно уравновешивается.
Энергия решетки кристалла в целом складывается из энергий всех составляющих ее ионов, и хотя зависит от всех сил взаимодействия в решетке, но так как главный вклад в общую энергию вносят силы взаимодействия ближайших соседей, то именно на этой части энергии мы сосредоточим внимание; Если решетка идеальна, т. е. последовательность чередования и взаиморасположения ионов нигде не нарушена, то энергия решетки распределена. в среднем поровну между всеми ионами. Любое же нарушение решетки, т. е. правильного расположения ионов, означает нарушение попарного равновесия сил, и оно неизбежно облегчает ионам смещение из равновесного положения — притяжение со стороны одного соседа не уравновешивается полностью притяжением с противоположной стороны. Следовательно, вблизи нарушения всегда происходит местное отклонение энергии от средней в сторону уменьшения.
Как известно, если в данной точке пространства потенциальная энергия меньше, чем в окружающих точках, то попавшее в нее тело обладает большей устойчивостью. Так, шарик, вкатившийся в ямку, не израсходовал для этого никакой энергии извне, но выбраться из нее может только за счет внешнего воздействия; поэтому на дне ямки его положение более устойчиво, чем вблизи ее края или за ее пределами. Не случайно в кристаллах места с меньшей потенциальной энергией называют потенциальными ямами, а сравнивая их друг с другом, говорят об их глубине. Эти термины нам понадобятся в дальнейшем.
Нарушения, или, как их чаще называют, дефекты, решетки весьма разнообразны. Их подразделяют обычно по двум важнейшим признакам: во-первых, они бывают точечными, если затрагивают только один ион, и протяженными, если затрагивают несколько (иногда очень много) последовательных ионов, и, во-вторых, они бывают примесными, если обусловлены посторонними ионами, атомами, молекулами, находящимися либо внутри, либо на поверхности кристалла, и собственными, если присущи также химически чистым кристаллам. Начнем с последнего признака.
Из протяженных собственных дефектов назовем, прежде всего, дислокации, т. е. частичный сдвиг одного ряда атомов или ионов относительно соседнего — примеры есть на рис. 2. Далее, нередки случаи, когда кристалл формируется за счет сращивания нескольких более мелких и состоит из отдельных блоков, решетки которых образовывались независимо друг от друга и не согласованы между собой; границы между блоками также являются протяженными дефектами (рис. 3). Сходная картина наблюдается и в трещинах кристалла, когда решетки по обе стороны не совпадают. Наконец, можно отнести к протяженным дефектам и поверхность кристалла: ведь на ней в направлении, перпендикулярном к поверхности, ион всегда имеет соседа только с одной стороны и oi равновесии речи быть не может.
Из точечных собственных дефектов мы не станем обсуждать дефекты на поверхности еще не полностью достроенной, когда в каких-то ее точках просто недостает атома или иона. Нам интересны так называемые тепловые дефекты в завершенной решетке, возникновение которых связано с излишне большой амплитудой колебаний отдельных ионов в решетке. Поскольку энергия колебаний распределена равномерно между всеми ионами только в среднем, то в каждый момент имеются ионы с амплитудой (а значит и энергией) колебаний больше и меньше средней. В числе первых могут оказаться (хотя их и мало) такие, которые, уйдя от равновесного положения, уже не вернутся к нему — слишком далеко ушли. В результате связь их с решеткой нарушается, и они начинают свободно перемещаться по кристаллу между нормально расположенными ионами, не выходя, разумеется, за пределы кристалла; их называют межузельными ионами, поскольку нормальные положения принято называть узлами решетки. Место, которое такой ион занимал прежде, остается вакантным — это значит, что любой из ионов, соседних с этим местом, потерял соседа и равновесие вокруг него нарушено. Оба дефекта — межузельный ион и вакансия — важны для электропроводности кристалла, что вскоре выяснится при рассмотрении электрических свойств галогенидов серебра. Поскольку число таких дефектов тем значительнее, чем больше средняя амплитуда колебаний, а она растет, в свою очередь, с температурой кристалла, точечные тепловые дефекты играют тем более важную роль, чем температура выше.
Отметим здесь одну особенность бромида и хлорида серебра, не свойственную другим ионным кристаллам: в них точечные тепловые дефекты встречаются почти исключительно среди катионов, причем в довольно большом количестве. Так, при комнатной температуре до 0,01% всех ионов Ag+ переходит из узлов решетки в межузлия, т. е. по каждому из трех направлений почти каждый 20-й по порядку ион Ag+ отсутствует на своем месте. Среди анионов этого не наблюдается не только при комнатной температуре, но и при более высоких; даже вблизи точки плавления число анионных вакансий меньше числа катионных во многие тысячи раз.
Точечные дефекты возникают и за счет примесей. Если примесь присутствует в ионной форме, она может встроиться в ионную решетку, заняв там место катиона или аниона (возможно, того и другого), в зависимости от ее знака. Если заряд примесного. иона такой же, как основного (например, ион Na+ или I- в решетке AgBr), то влияние его на энергию и другие свойства решетки обычно невелико, хотя энергия взаимодействия в этом месте решетки слегка изменяется и возникает мелкая потенциальная яма (теперь эти термины вам уже известны). Более значительно влияние ионов с валентностью иной, чём у основных. Так, ионы Cd2+ или Рb2+ (а их вводят в AgBr в некоторых Специальных эмульсиях), занимая место одного катиона, сообщают решетке заряд двух катионов Ag+. Чтобы она осталась в целом нейтральной, как было без примесей, один из ближайших ионов Ag+ должен покинуть свое место и перейти на положение межузельного. Вместо двух узлов, заполненных одновалентными катионами, получится один, заполненный двухвалентным катионом, одна катионная вакансия и один межузельный катион, т. е. довольно значительное нарушение порядка в решетке.
С точечными примесными дефектами могут быть связаны и более сложные образования. Так, могут образовываться конгломераты из нескольких вакансий, межузельных и примесных ионов, а на поверхности кристаллов ионы Ag+, находясь на своих местах в узлах решетки AgBr, могут одновременно участвовать в образовании нароста, например другой соли серебра, скажем сульфида AgS или бромида другого металла (примесного); разумеется, такое соседство вызывает значительные нарушения порядка в соответствующих местах кристалла. Указанным путем, а возможно и другими, на поверхности могут возникать не только точечные, но и протяженные примесные дефекты, но даже самые крупные из них оказываются малы по сравнению с линейными размерами обычных фотоэмульсионных кристаллов.