جای خالی اتمی (Vacancy)
محل های جای خالی اتمی (Vacancy) در شبکه کریستالی از مهم ترین و ساده ترین عیوب نقطه ای هستند. چنین عیوبی می توانند در موقع {{انجماد}} (به خصوص سرد کردن با سرعت زیاد از درجه حرارت های بالا)، تغییر شکل، اشعه دادن با اشعه ای که داراری انرژی زیاد است و یا درجه حرارت های بالا به وجود آید. محل خالی را در شبکه کریستالی معمولا با علامت 
مشخص می کنند. البته هر کریستال در شرایط تعادلی خود دارای تعدادی جای خالی است که تعداد این جاهای خالی قابل محاسبه است. برای بدست آوردن یک جای خالی باید یک اتم را به طریقی از محل خود در شبکه خارج ساخت. به این منظور مقداری انرژی لازم است که انرژی تشکیل محل خالی نامیده می شود.
جای خالی در حالت تعادل ترمودینامیکی در موقع گرم کردن کریستال ها به وجود می آید. به این صورت که می تواند در اثر ارتعاشات حرارتی اتم ها، در درجه حرارت های بالا به وجود آید، زیرا که در اثر این افزایش انرژی حرارتی احتمال خارج شدن بعضی از اتم ها از موقعیت پایینترین سطح انرژی خود بیشتر می شود. بنابراین ایجاد یک محل خالی نه فقط با افزایش انرژی داخلی سیستم، بلکه هم چنین با افزایش {{آنتروپی}} همراه است به طوری که یک کریستال معیوب در مقایسه با یک کریستال ایده آل، انرژی آزاد کمتری دارد. هر گاه کریستالی را با حجم معین، در درجه حرارت مشخص در نظر بگیریم، طبق قوانین ترمودینامیک این کریستال موقعی در پایدارترین حالت خود است که انرژی آزاد آن به حداقل ممکن برسد. در ترمودینامیک طبق تعریف، انرژی آزاد برابر است با:
در این رابطه
F: انرژی آزاد کریستال
U: انرژی کریستال
T: درجه حرارت کریستال و
S: آنتروپی است.
تاثیر تعداد جاهای خالی بر هر یک از عوامل طرف راست رابطه فوق را می توان به طور کمی محاسبه کرد. مسئله عمده، یافتن تعداد جاهای خالی در شرایطی است که کریستال دارای حداقل مقدار انرژی F و T ثابت است. زیرا درجه حرارت کریستال ، درجه حرارت مشخصی در نظر گرفته شده است. مقدار آنتروپی (S) به میزان بی نظمی کریستال بستگی دارد. هر چه درجه بی نظمی بالاتر باشد، آنتروپی بیشتر است. اما وجود محل های خالی در کریستال ایجاد بی نظمی می کند و افزایش تعداد محل های خالی موجب بالا رفتن آنتروپی می شود. بنابراین افزایش تعداد محل های خالی کمیت TS را افزایش می دهد و افزایش S چنانچه از رابطه نتیجه می شود موجب کاهش انرژی آزاد (F) خواهد شد.
چنانچه مقدار انرژی لازم برای به دست آوردن یک محل خالی U باشد به این ترتیب مقدار افزایش انرژی داخلی سیستم (ΔU) در تشکیل n محل خالی برابر است با:
موقعی که تعداد کل اتم های یک شبکه را N و تعداد اتم هایی که محل خود را ترک کرده و محل های خالی به وجود آورده است n فرض شود، در این صورت چندین حالت برای قرار گرفتن جاهای خالی وجود دارد که از رابطه زیر بدست می آید:
و در نتیجه مقدار افزایش آنتروپی برابر است با:
در این رابطه K عدد ثابت بولتزمن است.
بنابراین تغییر انرژی آزاد سیستم کریستالی طبق رابطه F=U-TS برابر است با:
و یا
تعادل غلظت محل های خالی موقعی برقرار است که انرژی آزاد مینیمم باشد یعنی:
و یا
هر گاه N خیلی بزرگتر از n باشد رابطه فوق را می توان به شضکل زیر نوشت:
و یا
و چون نسبت n به N بیانگر مقدار غلظت محل های خالی اتمی Cv را نشان می دهد، رابطه زیر بدست می آید:
و چنانچه به جای انرژی تشکیل یک محل خالی (U) مقدار انرژی لازم جهت یک محل خالی (انتالپی E) را قرار دهیم، رابطه فوق به صورت زیر به دست می آید:
و یا
به این ترتیب با یک تخمین ساده می توان محاسبه کرد که غلظت محل خالی در یک تعادل ترمودینامیکی طبق رابطه فوق با بالا رفتن درجه حرارت افزایش می یابد. اما در درجه حرارت بالاتر از حدود نقطه ذوب عیوب محل خالی از بین خواهد رفت. زیرا که اساسا در حالت مذاب شبکه کریستالی کاملا به هم خواهد ریخت.
منابع و پیوندها
گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن
حسین تویسرکانی، اصول علم مواد، انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان، 1382.
برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است
جای خالی اتمی از دید wikipedia.org
In crystallography, a vacancy is a type of point defect in a crystal. Crystals inherently possess imperfections, often referred to as crystalline defects. A defect in which an atom, such as silicon, is missing from one of the lattice sites is known as a vacancy defect. Vacancies occur naturally in all crystalline materials. At any given temperature, up to the melting point of the material, there is an equilibrium concentration (ratio of vacant lattice sites to those containing atoms). At the melting point of some metals the ratio can be approximately 0.1%. It is the simplest point defect. In this system, an atom is missing from its regular atomic site. Vacancies are formed during solidification due to vibration of atoms, local rearrangement of atoms, plastic deformation and ionic bombardments...more
جای خالی اتمی از دید ndt-ed.org
Vacancies are empty spaces where an atom should be, but is missing. They are common, especially at high temperatures when atoms are frequently and randomly change their positions leaving behind empty lattice sites. In most cases diffusion (mass transport by atomic motion) can only occur because of vacancies...more
