핵의 생성과 결정립의 크기와의 관계

1. 개요 

   액체가 응고할 때, 핵이 생성되고 핵이 성장하여 결정립이 된다. 이때 핵이 많이 생성될수록 결정립의 크기는 작아진다. 어떻게 보면 당연한 얘기인데, 동일한 면적에서 핵이 많이 발생할수록 결정립의 수가 많아지고 결정립의 크기는 작아지는 것이다. 

 

이 사실을 물이 얼음이 되는 과정으로 이해해 볼 수 있다. 물을 천천히 냉각 시킬 때, 진동에너지 형태로 저장되어 있는 열에너지를 빼앗아가면 물의 온도는 점점 떨어져 0'c에서 일정시간 동안 정지되어 있다. 이 때 물의 액체 분자들이 얼음 분자들로 변하기 시작하고, 모두 얼음 분자로 변했을 때부터 다시 온도는 영하로 내려간다. 

이것은 모두 알고 있었던 내용이다. 그러나, 실제로는 과냉현상이 있는데, 물을 과냉하게 되면 순간적으로 물이 영하로 떨어지는데 이때도 물은 얼음이 아니라 액체상태이고, 매우 불안정한 상태이기 때문에 얼음이 되려고 한다. 이때 과냉의 정도에 따라서, 과냉이 심할수록 빨리 얼음이 되려하는데 즉, 핵이 많이 생성된다. 과냉 정도가 약하면 핵이 적게 생성되어 결정립의 수는 과냉이 심한 경우보다 적고 결정립의 크기는 크다. 

(여기서 핵이란 더이상 분해되지 않을 정도의 크기를 갖는 안정된 상태의 분자를 얘기한다.)

 

따라서, 액체를 빨리 냉각할수록, 즉 냉각속도가 클수록 고체의 결정립 크기가 작아진다. 즉 빨리 냉각하면 핵이 많이 발생하여 작은 결정립이 생기고, 천천히 냉각하면 큰 결정립이 생긴다.