Реферат: Кристаллы и их свойства. Кристаллы реферат

Реферат - Кристаллы в природе

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3

Тепловые и механические свойства твёрдых тел

I . Симметрия кристаллов

1.1 Как растут кристаллы 5

1.2 Идеальная форма кристаллов 7

1.3 Закон постоянства углов 7

1.4 О симметрии 8

1.5 Симметрия кристаллов 9

1.6 Пространственная решётка 10

1.7 Экспериментальное исследование строение кристаллов 11

II . Силы взаимодействия и строение кристаллов

2.1 Природа сил связи в кристаллах 16

2.2 Структура кристаллов 17

2.3 Структура атомных кристаллов 18

2.4 Полиморфизм 19

2.5 Энергия связи молекул в кристалле 19

2.6 Поверхностная энергия кристалл 21

III . Тепловые свойства твёрдых тел 23

IV . Механические свойства твёрдых тел

4.1 Деформация и механические свойства материалов 29

4.3 Теоретическая оценка характеристик механических свойств

твёрдого тела и сравнение её с результатами эксперимента 30

4.4 Точечные дефекты и причины их образования 31

4.5 Линейные дефекты (дислокации) 32

4.6 Экспериментальные методы изучения дефектов кристаллов 33

4.7 Влияние дислокаций и других дефектов на механические свойства материалов и на процесс деформирования 34

4.8 Повышения прочности материалов 36

Электрические и магнитные свойства твёрдых тел

V . Электрические свойства твёрдых тел

5.1 Классическая электронная теория электропроводности металлов 36

5.2 Диэлектрики 37

5.3 Квантование энергии электронов в атоме 39

5.4 Элементы зонной теории кристаллов 41

5.5 Распределение электронов по энергиям в твёрдом теле 42

5.6 Электропроводность твёрдых тел на основе зонной теории 44

5.7 Электропроводность полупроводников 45

5.8 Контактные явления 47

5.9 Термоэлектрические явления 49

5.10 Зависимость сопротивления контакта от внешнего напряжения 51

5.11 p-n-p-переход. Транзисторы 54

VI . Магнитные свойства веществ

6.1 Элементарные носители магнетизма 56

6.2 Орбитальный и спиновый магнитные моменты электрона 57

6.3 Классификация тел по магнитным свойствам 58

6.4 Диамагнетики. Влияние магнитного поля на орбитальное движение электронов 59

6.5 Парамагнетизм 60

6.6 Ферромагнетизм. Элементарные носители ферромагнетизма 61

6.7 Ферромагнетизм и кристаллическая решётка. Доменная структура ферромагнетиков 62

6.8 Антиферромагнетизм и ферримагнетизм (ферриты) 63

VII Жидкие кристаллы

7.1 Нематическая жидкость 65

7.2 Холестерическая жидкость 68

7.3 Жидкие кристаллы-растворы 70

7.4 Смектическая жидкость 72

7.5 Эффект Фледерикса 73

7.6 Избирательное отражение света холестериком 77

7.7 Оптические свойства 78

VII Кристаллы в жизни 79

VIII Экспериментальная часть 81

Литература 83

ВВЕДЕНИЕ

Одним из современных основных твердых конструкционных материалов является сталь. Много ли стали потребляет в год один человек? Если посмотреть вокруг себя, то сначала может показаться, что не так уж и много: вилка и нож, гвозди и шурупы, дверные ручки и замки. Но для полной оценки потребления необходимо вспомнить о велосипедах и автомашинах, о трубах водопровода и газопровода, рельс железных дорог и вагонах, станках на фабриках и заводах, о линиях электропередач и о многом — многом другом. Общая цифра, определяющая потребление стали в нашей стране на одного человека, оказывается довольно внушительной — примерно 0,5 т. в год. При таком уровне потребления человек за 70 лет жизни использует около 35 т. стали. Это количество стали примерно в 500 раз превышает массу самого человека!

Кристаллы возникают, как продукты жизнедеятельности организмов. В морской воде растворены различные соли. Многие морские животные строят свои раковины и скелеты из кристаллов углекислого кальция — арагонита. Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и неживым установить очень трудно, и понятие «кристалл» и «жизнь» не являются взаимоисключающими. Кристаллы и живой организм представляют собой примеры осуществления крайних возможностей в природе. В кристалле неизменными остаются не только атомы и молекулы, но также их взаимное расположение в пространстве. В живом организме не только не существуют сколько-нибудь постоянной структуры в расположении атомов и молекул, но ни на одно мгновение не остаётся неизменным его химический состав. В процессе жизнедеятельности организма одни химические соединения разлагаются на более простые, другие сложные соединения синтезируются из простых. Но при всех химических процессах, протекающих в живом организме, этот организм остаётся самим собой в течение десятков лет! Более того, потомки каждого живого организма являются удивительно близкой его копией! Следовательно, в клетках любого живого или растения что-то постоянное, неизменное, способное управлять химическими процессами, протекающими в них.

Такими носителями «программы» процессов, протекающих в живой клетке, оказались молекулы дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). В клетках человеческого организма одна такая молекула имеет несколько сантиметров. Молекулы укладываются внутри клеток. Молекулы ДНК также несут в себе полную информацию о строении и развитии всего живого организма из одной только клетки. Диаметр ДНК 2*10-9 м. Такие молекулы с точки зрения физики рассматриваются как особый вид твёрдого тела — одномерные апериодические кристаллы. Следовательно, кристалл — это не только символ неживой природы. Но и основа жизни на Земле.

Структура жидких кристаллов — растворов имеет огромное значение для жизнедеятельности организма, например для циркуляции крови, переноса ею кислорода, функционирование клеток мозга, для работы разнообразных клеточных мембран. Дефекты структур мембраны приводят к заболеванию организма. Образование холестерических и тем более жидких смектических кристаллов в крови вызывает сердечно-сосудистые заболевание. При неблагоприятной концентрации различных компонентов в желчи образуются сначала не полностью твёрдые кристаллы, а затем и «камни».

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все драгоценные природные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита.

Одно из новых научно – технических направлений, сформировавшихся на наших глазах, — космическое материаловедение: получение новых веществ и материалов и улучшение их веществ в невесомости.

Наибольший интерес с точки зрения рентабельности производства в космосе представляют те вещества и материалы, к которым предъявляются повышенные требования в отношении их структурного совершенства и однородности.

Особое место среди них занимают монокристаллы полупроводников, получаемые обычно в наземных условиях кристаллизацией из расплавов в специальных высокотемпературных печах, после переплавка этих кристаллов осуществляется в условиях космоса.

Учеными обсуждалась ситуация кристаллизация звезд называемых белыми карликами. Теория эволюции звезд предсказывает, что когда белый карлик был молодым, в его недрах шли ядерные реакции, и он был довольно – таки горячим. После того как ядерные реакции кончились, температура в звезде могла быть еще около 107 К, при достаточно высоких температурах карлик мог и не быть кристаллическим. По мере его остывания должна пройти кристаллизация. В кристаллизующейся звезде внутренние области все время остаются горячее наружных, поэтому кристаллическая структура – «корка» — возникает сначала именно снаружи, а уже потом «прорастает» в глубь карлика. При кристаллизации выделяется энергия.

Тепловые и механические свойства твёрдых тел

I . Симметрия кристаллов

1.1 Как растут кристаллы.

Крупные одиночные кристаллы, имеющие свою правильную форму, в природе встречаются очень редко. Но такой кристалл можно вырастить в искусственных условиях.

Кристаллизация может происходить из раствора, расплава, а также из газообразного состояния вещества.

Рассмотрим кристаллизацию из расплава.

Для того чтобы вырастить один монокристалл, применяется следующий способ. Тигель с расплавом медленно опускается сквозь отверстие в вертикальной трубчатой печи. Кристалл зарождается на дне тигеля, так как оно раньше попадает в область более низких температур, а затем постепенно разрастается по всему объёму расплава. Дно тигеля специально делают узким, заострённым на конус, чтобы в нём мог расположиться только один кристаллический зародыш (рис.1).

рис. 1 рис. 2

Этот способ часто применяется для выращивания кристаллов цинка, серебра, алюминия, меди и других металлов, а также хлористого натрия, бромистого калия, фтористого лития и других солей. За сутки можно вырастить кристалл каменной соли массой порядка килограмма.

Второй способ: Тончайший порошок окиси алюминия из зёрен размером 2-100 мкм высыпается тонкой струёй из бункера, проходит через кислородно-водородное пламя, плавится и в виде капель попадает на стержень из тугоплавкого материала. Температура стержня поддерживается несколько ниже температуры (2030). Капли окиси алюминия охлаждаются на нём и образуют корку спекшейся массы корунда. Часовой механизм медленно (10-20мм/ч) опускает стержень, и на нём постепенно вырастает неогранённый кристалл корунда (рис 2).

Теперь рассмотрим кристаллизацию из раствора.

В данном объёме той или иной жидкости при постоянной температуре и давлении может раствориться не больше определённого количества того или иного кристаллического вещества. Полученный при этом раствор называют насыщенным. Кристалл, помещённый в насыщенный раствор, не будет ни расти, ни растворяться в нём. Если повысить температуру жидкости, то растворимость её повышается, поэтому имеющееся количество растворённого вещества уже не будет насыщать раствор. Кристалл, помещённый в ненасыщенный раствор, начнёт в нём растворяться. Если насыщенный раствор охладить, он станет пересыщенным. Пересыщенные растворы могут сохраняться в замкнутых сосудах долгое время, не кристаллизуясь. Однако достаточно попасть в раствор малейшей частицы кристалла, как раствор немедленно начнёт кристаллизоваться.

Таким образом, пересыщение раствора является необходимым, но достаточным условием для кристаллизации. Чтобы кристаллизация началась, нужно внести в раствор затравку — небольшой кристалл растворённого вещества.

Из раствора кристалл выращивают обычно таким образом.

Вначале в воде растворяют достаточное количество кристаллического вещества. При этом раствор подогревают до тех пор, пока вещество полностью не растворится. Затем раствор медленно охлаждают, переводя его тем самым в пересыщенное состояние. В пересыщенный раствор подмешивают затравку.

Если, в течение всего времени кристаллизации, поддерживать температуру и плотность раствора одинаковыми во всём объёме, то в процессе роста кристалл примет правильную форму.

Сделаем опыт:

Закипятим 400г. воды и растворим в ней 400г. медного купороса. Горячий раствор отфильтровываем через ватку. И раствор остывает до комнатной температуры. В это время на проволоку наматываем нитку и приклеиваем маленький кристаллик. И опускаем нашу фигурку в пересыщенный раствор. Через сутки мы видим, что наша фигурка облеплена кристалликами.

Сделаем такой же раствор только из соли: 1 кг соли на 500л воды и опустим полиэтиленовую ёлку. Увидим, что вся ёлка похожа на осыпанную снегом ель.

На форму кристалла, получаемого из раствора, влияют многие факторы: конвекционные потоки жидкости, степень пресыщения жидкости, наличие примесей и т.д.

Степень переохлаждения раствора значительно изменяет форму кристаллов. В сильно переохлаждённых жидкостях кристаллы растут всегда в виде причудливой совокупности длинных игл.

Кристаллы образуются также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.

Один из экспонатов уникальной коллекции крупных кристаллов, приобретенной в Бразилии французским национальным музеем естественной истории.(рис. в конце роботы).

Условия образования гигантских кристаллов и их происхождения до сих пор не находят достаточно полного объяснения.

Удивительно уже и то, что крупные кристаллизации всегда сконцентрированы в особых формациях – в так называемых пегматитовых жилах.

В точном определении пегматиты — разнозернистые, главным образом крупнозернистые породы магматического происхождения. Пегматиты характеризуются очень разнообразным и сложным минеральным составом, включающим наряду с минералами общими с материнской магматической породой (кварц, полевой шпат, слюда) также редкие и рассеянные элементы (литий, бериллий, цезий, ниобий, тантал, рубидий и другие). Пегматитовые породы — источник многих полезных ископаемых.

В особых условиях кристаллизации расплавленной магмы, когда застывание происходило на умеренных глубинах, достаточно медленно и в спокойной обстановке, образовывались пегматитовые жилы, которые содержат полости, благоприятные для формирования крупных кристаллов. Вот в этих-то пегматитах и можно обнаружить кристаллы многих драгоценных минералов: бериллы, самые разнообразные гранаты, сподумены, турмалины, эвклазы, топазы.

Огромная величина кристаллов – самая поразительная черта пегматитовых жил. Здесь встречаются поистине кристаллы-гиганты. Так, кристалл дымчатого горного хрусталя, представленный во французской коллекции, весит 4050 килограммов. Крупнейшим кристаллом мира считается найденный на Мадагаскаре кристалл берилла массой 380 тонн, длинной 18 метров и 3,5 метра в поперечнике.

1.2 Идеальная форма кристаллов

Форму, которую принимает монокристалл тогда, когда при его росте устранены все случайные факторы, называют идеальной.

Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми рёбрами и обладает симметрией. Как и всякий многогранник, кристалл имеет некоторое число граней р, рёберr, вершин е, причём эти числа связаны между собой соотношением р +е =r +2. В форме правильных многогранников кристаллизуется сравнительно небольшое число кристаллов. В форме куба кристаллизуется поваренная соль, сернистый цинк, в форме октаэдров – алмаз, в форме ромбического додекаэдра – гранат.

1.3. Закон постоянства углов — основной закон кристаллографии

Кристаллы одного и того же вещества могут иметь весьма разнообразную форму. Форма кристалла, как указывалось выше, зависит от условия кристаллизации. Цвет не является характерным признаком кристаллов данного вещества, но он очень сильно зависит от примесей. Однако кристаллографы установили:

В кристаллах одного вещества углы между соответственными гранями всегда одинаковы [закон постоянства углов].

Грани могут отличаться между собой по форме и всё-таки считаться равными, если они обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами.

Закон постоянства углов утверждает, что двугранный угол, образованный гранями а и b (рис3) в различных кристаллах данного вещества, будет один и тот же. Соответственно во всех кристаллах данного вещества будут равны между собой и двугранные углы, образованные гранями а и с, b и с .

рис. 3

1.4. О симметрии

С явлением симметрии мы часто встречаемся в окружающей жизни.

Если тело можно мысленно пересечь плоскостью так, что каждой точке а, тела с одной стороны плоскости, будет соответствовать точка b, лежащая по другую сторону плоскости, притом так, что прямая аb, соединяющая эти две точки, перпендикулярна плоскости и делится этой плоскостью пополам, то это тело обладает зеркальной симметрией. Сама плоскость называется в этом случае плоскостью симметрии.

Кроме зеркальной симметрии, тела могут обладать ещё поворотной симметрией. Тело обладает поворотной симметрией, если при повороте на соответствующий угол все части фигуры совмещаются друг с другом. Ось, вокруг которой происходит вращение тела, называют осью симметрии. Смотря по тому, сколько раз совместится фигура сама с собой при полном обороте вокруг оси, ось симметрии имеет различный порядок (1, 2, 3 и т.д.).

Тела могут обладать ещё центром симметрии. Центр симметрии — точка в середине тела, относительно которой любая точка тела имеет другую соответствующую её точку, лежащую на таком же расстоянии от центра в противоположном направлении.

1.5. Симметрия кристаллов

Идеальные формы кристаллов симметричны. По выражению известного русского кристаллографа Е.С.Федерова (1853-1919), «кристаллы блещут симметрией».

В кристаллах можно найти различные элементы симметрии: плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии.

Рассмотрим симметрию некоторых кристаллических форм. Кристаллы в форме куба (NaCl, KCl и др.) имеют девять плоскостей симметрии, три из которых проходят параллельно граням куба, а шесть по диагоналям. Кроме того, куб имеет три оси симметрии 4-ого порядка, четыре оси 3-его порядка и шесть осей 2-го порядка (рис 4)

рис. 4

Кроме того, он имеет центр симметрии. Всего в кубе 1+9+3+4+6=23 элемента симметрии. У кристаллов медного купороса имеется лишь центр симметрии, других элементов у них нет.

В 1867г. впервые со всей очевидностью русский инженер и кристаллограф А.В. Гадолин доказал, что кристаллы могут обладать лишь 32 видами симметрии.

1.6. Пространственная решётка

Симметрия, закон постоянства углов и ряд других свойств кристаллов привели кристаллографов к догадке о закономерном расположении частиц, составляющих кристалл. Они стали представлять, что частицы в кристалле расположены так, что центры тяжести их образуют правильную пространственную решётку. Например, кристалл поваренной соли NaCl состоит из совокупности большого числа ионов Na+ и Cl-, определённым обзором расположенных друг относительно друга. Если изобразить каждый из ионов точкой и соединить их между собой, то можно получить геометрический образ, рисующий внутреннюю структуру идеального кристалла поверенной соли, его пространственную решётку (рис.5). Пространственные решётки различных кристаллов различны.

рис.5

а б в г

рис. 6

Понятие о пространственной решётке кристалла оказалось очень плодотворным, оно позволило объяснить ряд свойств кристалла.

Например, что кристалл, имеющий идеальную форму, ограничен плоскими гранями и прямыми рёбрами.

Этот факт можно объяснить тем, что плоскости и рёбра идеального кристалла всегда проходят через узлы пространственной решётки.

Пространственная решётка позволяет объяснить и основной закон кристаллографии — закон постоянства углов.

Однако плодотворность представления внутреннего строения кристалла в виде пространственной решётки наиболее наглядно проявляется в объяснении симметрии кристаллов. Всё разнообразие видов симметрии кристаллов может быть доказано на основе симметрии пространственных решёток. Симметрия кристаллов является следствием симметрии пространственной решётки.

Доказательство этого факта имело значения для науки. Работы Е.С. Федорова превратили кристаллографию в стройную теоретическую науку, возвысив её в конце XIX века. Над всеми науками о строении твёрдых тел.

1.7. Экспериментальные исследования строения кристаллов

С древнейших времён кристаллы поражали человеческое воображение своим исключительным геометрическим совершенством. Наши предки видели в них творения ангелов или подземных духов. Первой попыткой научного объяснения формы кристаллов считается произведение Иоганна Кеплера «О шестиугольных снежинках» (1611). Кеплер высказывал предположение, что форма снежинок (кристалликов льда) есть следствие особых расположений составляющих их частиц. Спустя три века было окончательно установлено, что специфические особенности кристаллов связаны с особыми расположениями атомов в пространстве, которые аналогичны узорам в калейдоскопах. Все различные законы таких расположений были выведены в 1891 году нашим соотечественником Е.С.Федеровым (1853-1919). Правильные формы кристаллических многогранников легко объясняются в рамках этих законов. И сами эти законы настолько красивы, что не раз служили основой для произведений искусства.

С геометрической точки зрения расположения атомов в пространстве представляется системой точек, соответствующих их центрам. Поэтому задачу можно поставить так: требуется найти геометрические условия, выделяющие системы точек с «кристаллической структурой», причем эти условия должны быть физически оправданы. Последнее весьма существенно, коль скоро мы хотим выявить причины упорядоченного расположения атомов в кристаллах.

Простейшим геометрическим свойством систем точек, соответствующих центром атомов в любых атомных совокупностях является дискретность.

Условия дискретности . Расстояние между любыми двумя точками системы больше некоторой фиксированной величины r . Физическая очевидность этого условия не вызывает сомнений.

Стремление атомов равномерно расположиться в пространстве, можно отразить следующим ограничением на соответствующую систему точек:

Условия покрытия . Расстояние от любой точки пространства до ближайшей к ней точки системы меньше некоторой фиксированной величины R.

Название этого условия объясняется тем, что если система точек ему удовлетворяет, то шары радиуса R с центрами в этих точках покрывают всё пространства.

Условия дискретности не позволяют точкам системы располагаться слишком густо, а условия покрытия – слишком редко. Совместно эти два требования обеспечивают примерно равномерное расположение точек в пространстве. Системы точек, удовлетворяющие этим двум условиям одновременно, называются системами Делона, в память о Б.Н.Делоне (1890-1980), впервые выделившем эти системы.

Симметрия кристаллов специфична. Например, среди кристаллических многогранников, имеющих оси симметрии 5-го порядка (то есть «самосовмещающихся» при поворотах на угол 2π/5 около этих осей). Как объяснить такую привередливость кристаллических форм?

В1783 году французский аббат Р.Ж.Гаюи, минеролог по призванию, высказал предположение, что всякий кристалл составлен из параллельно расположенных равных частиц, смежных по целым граням. (рис.7)

рис. 7

В 1824 году ученик великого Гаусса, профессор физики во Фрайбурге Л.А.Зеебер для объяснения расширения кристаллов при нагревании предложил заменить многогранники Гаюи их центрами тяжестей. Такие системы точек были названы «решетками». Плоские сетки решётки, связанные преобразованиями симметрии, неотличимы друг от друга. Поэтому при росте кристалла соответствующие им грани растут одинаково. Так симметрия кристалла повторяет симметрию решётки. В том же году немецкий учёный А.Зибер предложил составлять кристаллы из регулярно расположенных маленьких сфер, взаимодействующих подобно атомам. Плотная упаковка таких сфер соответствует минимуму потенциальной энергии их взаимодействия.

Но не все известные о кристаллах факты укладывались в рамки решётчатой модели. Один из таких фактов — это существование нецентросимметричных кристаллических многогранников, таких как кристалла драгоценного камня турмалина.

Известный немецкий кристаллограф Л.Зонке в 1879 году высказал предположение, что частицы в кристаллах располагаются по правильным системам.

Представление о пространственной решётке кристалла оставалось гипотезой до тех пор, пока в 1912 г. не были получены первые экспериментальные данные, полностью подтверждающего её.

Подтверждение правильности представления о внутреннем строении кристаллов стало возможным после открытия в 1895г. немецким физиком В.Рентгеном (1854-1923) лучей, которые были названы им Х-лучами и которые теперь все называют рентгеновскими.

В 1912г. другой немецкий физик Макс Лауэ (1879-1960) предложил использовать рентгеновские лучи для исследования внутреннего строения кристаллов. Схема метода такова. Узкий пучок рентгеновских лучей пропускают через монокристалл. За монокристаллом расположена фотопластинка, завернутая в чёрную бумагу. После проявления фотопластинки на ней кроме центрального пятна-следа рентгеновских лучей, прошедших через монокристалл без отклонения, видны другие, определённым образом расположенные пятна, которые получены в результате рассеяния лучей от атомных плоскостей кристалла. Даже не умея расшифровать рентгенограмму, мы по её виду можем догадаться о том, что в расположении частиц в кристалле есть определённая закономерность. Специалист по этой рентгенограмме легко определит порядок симметрии той оси в кристалле, которая расположена параллельно рентгеновским лучам, и рассчитает ряд параметров, характеризующих его пространственную решётку.

Позднее были разработаны другие методы исследования кристаллов с помощью рентгеновских лучей.

Остановимся ещё на одном из них — порошковом методе. Пучок монохроматических рентгеновских лучей падает на образец из спрессованного поликристаллического вещества и рассевается атомными плоскостями кристалла в виде системы поверхностей конусов, осью которых является направление первичного пучка. Плёнка располагается концентрично образцу, и на ней конусы отражённых пучков оставляют след в виде серии концентричных колец. По расстоянию между этими линиями можно вычислить межплоскостные расстояния в кристалле и определить вид элементарной его ячейки.

Эти исследования блестяще подтвердили структуры пространственных решёток кристалла, предсказанные Е.С.Федоровым ещё в 1890г. на основе законов симметрии. Е.С.Федоров имел счастье дожить до триумфа своей теории.

Последние десятилетия для исследования кристаллов наряду с рентгеновскими лучами используют пучки электронов и нейтронов. Электронный пучок рассеивается атомами гораздо сильнее, чем рентгеновские лучи. Вследствие этого электронографический метод чувствительнее. Однако, по этой же причине электроны могут проникать в вещество лишь на очень малое расстояние и поэтому электронографический метод используется, прежде всего, для исследования структур тонких плёнок. На рисунке 8 и 9 приведены электронограммы тонких листов золота и меди. Большую роль в науке кристаллографии сыграл В.И.Вернадский. Это русский ученый, который родился в Петербурге в 1863г. При изучении В.И.Вернадским «мертвого вещества», кристаллов и минералов, он сумел уловить цельность, но неоднородность мира (пространства). Он исходил не из общих рассуждений, а осмысливал конкретные научные данные кристаллографии. В.И.Вернадский считал, что кристалл – это особая активная среда, особая форма пространства. Другими словами: нет однородного пространства мира (всеобщего эфира), а есть множество его форм, состояний. Кристалл – одно из состояний, для которого характерна неоднородность физических свойств в разных направлениях.

Точно также В.И.Вернадский пытался увидеть историческую роль минералов.

рис. 8 рис. 9

Он считал минералы остатками тех химических реакций, которые происходили в разных точках земного шара; эти реакции идут согласно известным законам, и которые, скорее всего, находятся в тесной связи с общими изменениями, какие претерпевает Земля как планета. В.И.Вернадский пытался связать эти разные фазисы Земли с общими законами небесной механики. На основании этих скупых данных в виде осколков различных элементов он пробует понять развитие планеты и космоса.

Вакуум при жизни В.И.Вернадского понимался преимущественно как отсутствие в данном объеме каких-либо частиц (атомов, молекул, ионов газа). Однако В.И.Вернадский считал, что вакуум не есть пустота с температурой абсолютного нуля, а есть активная область максимальной энергии нам доступного Космоса. То есть, пустоты нет. Под эти размышления подходит гипотеза, предполагающая самопроизвольное рождение атомов в космическом вакууме. Она хорошо объясняет некоторые природные явления, но требует отказа от закона сохранения энергии (точнее, ничтожных по величине отклонений от закона). Однако никто не мешает предположить, что эта энергия, сосредоточенная в вакууме, имеет принципиально другую природу. С этих позиций очень своевременно звучат слова В.И.Вернадского: «Об этих пространствах с рассеянными атомами и молекулами правильнее мыслить не как о материальной пустоте «вакуума», но как о концентрации своеобразной энергии, в рассеянном виде содержащей колоссальные запасы материи и энергии...»

С начала XX века стало преобладать понятие о едином и неразделимом пространстве — времени. Но если пространство и время — части единого целого, то нельзя делать научные выводы о времени, не обращая внимания на пространство. Все особенности пространства отражаются так или иначе во времени. Наконец, возникает вопрос: охватывает ли пространство-время всю научную реальность? Есть ли явления вне пространства-времени? По мнению В.И.Вернадского, такими объектами могут быть кванты — мельчайшие неделимые порции энергии. Натуралист наблюдает реальные объекты, подвластные времени, изменяющиеся непременно, как ни медленно проходили бы подобные изменения. Эти превращения чаще всего не сводимы к механическому перемещению. Это «внутренние» преобразования, которые остаются вне внимания физиков, вырабатывающих свое представление о пространстве-времени на основе теории относительности. В.И.Вернадский придавал особое значение принципу единства пространства-времени. Геологические объекты обладают разнообразными свойствами, структурными особенностями. Одно из проявлений такой разнородности — различные, реальные кристаллические пространства. В их пределах по-разному организована материя (атомы, молекулы), по-разному проявляется симметрия. Реальное пространство планеты крайне неоднородно, мозаично… Такая формулировка по старинке предполагает разделение пространства и времени. А если научно доказано их единство, то следует говорить о мозаичности пространства — времени. Когда мы исследуем структуру различных видов реального пространства, как утверждает В.И.Вернадский, надо иметь в виду возможность структурных особенностей времени для каждого такого вида.

II Силы взаимодействия и строение кристаллов

2.1.Природа сил связи в кристаллах.

Различные типы кристаллов и возможное расположение узлов (точка, относительно которой атом (молекула) совершает колебания ) в пространственной решётке изучает кристаллография. По характеру сил, которые действуют между частицами, находящимися в узлах решётки кристалла, различают четыре типичные кристаллические структуры: ионную, атомную, молекулярную и металлическую.

ИОННАЯ кристаллическая структура характеризуется наличием положительных и отрицательных ионов в узлах решётки. Силами, которые удерживают ионы в узлах такой решётки, являются силы электрического притяжения и отталкивания между этими ионами.

Разноимённо заряжённые ионы в ионной решётке расположены ближе друг другу, чем одноимённо заряжённые, поэтому силы притяжения между ионами решётки преобладают над силами отталкивания. Этим и обуславливается значительная прочность кристаллов с ионной решёткой (рис10).

рис. 10

При плавлении веществ с ионной кристаллической решёткой из узлов решётки в расплав переходят ионы, которые становятся свободными носителями зарядов. Поэтому такие расплавы являются хорошими проводниками электрического тока.

АТОМНАЯ кристаллическая структура характеризуется наличием нейтральных атомов в узлах решётки, между которыми имеется ковалентная связь.

Современный уровень физики позволяет рассчитать вероятность пребывания электрона в то или иной области пространства, занятого атомом. Эту область пространства можно изобразить в виде электронного облака, которое гуще там, где электрон бывает чаще, т.е. где больше вероятность пребывания электрона (рис 11).

Электронные облака валентных электронов двух атомов, образующих молекулу с ковалентной связью, перекрываются, оба валентных электрона (по одному от каждого атома) обобществляются, т.е. принадлежат обоим атомам одновременно, и большую часть времени проводят между атомами, связывая их в молекулу (рис 12).Эта связь сильная.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ кристаллическая структура отличается пространственной решёткой, в узлах которой находятся нейтральные молекулы вещества. Силами, удерживающими молекулы в узлах этой решётки, являются силы межмолекулярного взаимодействия. Эти силы слабые. Твёрдые вещества с молекулярной решёткой легко разрушаются при механическом воздействии и имеют низкую температуру плавления. Примерами веществ с молекулярной пространственной решёткой является нафталин, твёрдый азот и большинство органических соединений.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ кристаллическая структура отличается наличием в узлах решётки положительно заряженных ионов металла. У атомов всех металлов валентные электроны, т.е. наиболее удалённые от ядра атома, очень слабо связаны с атомами. Электронные облака таких периферийных электронов перекрывают сразу много атомов в кристаллической решётке металла. Это означает, что валентные электроны в кристаллической решётке металла не могут принадлежать одному и даже двум атомам, а обобществляются сразу многими атомами. Такие электроны практически могут беспрепятственно двигаться между атомами.

Таким образом, каждый атом в твёрдом металле теряет свои периферийные электроны, и атомы превращаются в положительно заряженные ионы, а оторвавшиеся от них электроны движутся между ионами по всему объёму, занятому кристаллом.

Что же касается вандерваальсовой связи, то она всегда примешивается к ионно-ковалентной связи. Ведь хотя внутренние оболочки всех атомов всегда заполнены, вследствие движения электронов центр их отрицательного заряда может не совпадать с центром положительно заряжённого ядра.

2.2.Структура кристаллов

Для ионных, металлических и вандерваальсовых сил взаимодействия характерны их симметричность силы связи в молекулярных и металлических кристаллах.

Симметричный характер сил связи приводит к тому, что ионы оказываются плотно упакованными. Расположения частиц в таких кристаллах подобно плотной упаковки шаров в некотором объёме. Для того чтобы разобраться в структуре кристаллов, рассмотрим законы плотной упаковки шаров.

Остановимся на случае, когда все шары одинаковы. Первый слой шаров можно уложить плотно единственным образом так, как показано на рисунке 13. Каждый шар имеет при этом 6 соседей.

рис. 13

Шары второго слоя, для того чтобы они легли наиболее плотно, должно быть помещены в лунки первого слоя. Заполнить все лунки шарами того же самого размера нельзя, поэтому лунки заполняются через одну. Предположим, лунки отмеченные крестиком, остались пустыми, а лунки, отмеченные точками, заполнены шарами, очевидно, характер плотной упаковки не изменился бы, если бы шарами заполнили лунки, отмеченные крестиком.

Плотную упаковку из трёх слоёв можно сделать двумя различными способами. Действительно, чтобы получить плотнейшую упаковку, мы должны укладывать шары третьего слоя в лунки второго слоя. Однако шары третьего слоя при этом можно расположить либо так, что центры их будут лежать над лунками первого слоя, либо так, чтобы центры их лежали над центрами шаров первого слоя. Эти две трёхслойные постройки имеют одинаковую плотность упаковки, но структурно они отличаются друг от друга. Первой из них соответствует гранецентрированная кубическая элементарная ячейка, второй — гексанальная. При этом каждый атом, находящийся внутри упаковки, имеет 12 соседей.

2.3. Структура атомных кристаллов

Молекулярные, ионные и металлические кристаллы имеют плотноупакованные структуры вследствие того, что силы связи имеют симметричный характер. Кроме того, для этих сил не существует предельного числа атомов, на которые они могут действовать.

Ковалентные связи имеют совершенно другой характер. Они определяют число возможных «соседей» атома в кристалле и носят, кроме того, направленный характер. Например, атом углерода в кристалле может иметь только четырёх соседей, ибо он может образовывать только четыре ковалентные связи с окружающими его атомами. Кроме того, электронные облака валентных электронов имеют определённое расположение в пространстве; при «обобществлении» электронов электронные облака, частично перекрываясь, выстраиваются в цепочку и вынуждают атомы занять вполне определённое положение в пространстве. В результате каждый атом углерода оказывается в вершине правильного тетраэдра. Таким образом, структура атомных кристаллов не является плотноупакованной. Она определяется числом и видом ненасыщенных связей атомов.

2.4. Полиморфизм

Ни у кого не вызывает удивления тот факт, что разные вещества, имея различный химический состав, обладают весьма отличными друг от друга свойствами. Гораздо удивительнее то, что некоторые вещества, обладая, весьма различными свойствами, имеют одинаковый химический состав. Возьмём, например, олово. Это металл с характерным блеском, белого цвета, ковкий, обладающий, как и все металлы, хорошей электропроводностью и теплопроводностью. И рядом какое-то порошкообразное вещество серого цвета. Кажется, что между ними общего? А между тем химический анализ показывает, что этот порошок тоже олово.

Или алмаз — одно из самых твёрдых веществ, диэлектрик. Искусные руки ювелира превращают его в бриллиант, сверкающий драгоценный камень, играющий всеми своими гранями. Что общего у него с графитом — черным, легко расслаивающимся, электропроводным? А между тем химический анализ показывает, что графит, как и алмаз, представляет собой углерод в чистом виде.

Отличие алмаза от графита, серого олова от белого объясняется различием их кристаллических структур. У алмаза пространственная решётка объёмная, у графита — плоская, слоистая.

алмаз графит

Свойства веществ иметь две различных кристаллические структуры называются полиморфизмом.

Полиморфизм присущ практически все веществам. При одних условиях (температура и давления) энергетически выгодны одни структуры, при других — другие. Так, например, белое олово при низких температурах превращается в серое. Полиморфные превращения некоторых веществ возможны лишь при очень высоких давлениях.

2.5. Энергия связи молекул в кристалле

Рассмотрим взаимодействие двух частиц. На большом расстоянии частицы практически не взаимодействуют между собой. При сближении атомов появляются как силы притяжения между ними, так и силы отталкивания. Силы притяжения и силы отталкивания по-разному зависят от расстояния r между частицами. При уменьшении расстояния между частицами силы отталкивания возрастают быстрее, чем силы притяжения. На рисунке 16 линиями 1 и 2 изображена зависимость этих сил от расстояния между этими частицами. Силы притяжения действуют между разноимёнными зарядами и потому являются отрицательными, силы отталкивания действуют между одноимёнными зарядами и являются положительными. Линия 3 изображает зависимость результирующей этих сил от расстояния между частицами. результирующая сила взаимодействия вначале проявляет себя как сила притяжения. На расстоянии r0, равном приблизительно сумме радиусов молекул, сила отталкивания равна силе притяжения, и результирующая сила становится равной нулю. При дальнейшем сближении молекул результирующая сила является силой отталкивания и возрастает с уменьшением расстояния очень быстро.

Зная зависимость характера сил связи от расстояния, можно установить зависимость потенциальной энергии взаимодействия частиц от расстояния. При бесконечно большом расстоянии между частицами потенциальная энергия равна нулю. При сближении частиц надо учитывать действующую между ними силу притяжения. Работа этой силы положительна, она влечёт за собой увеличение кинетической энергии частиц и уменьшение потенциальной энергии их взаимодействия. Так происходит до расстояния r = r0. При дальнейшем уменьшении расстояния между частицами силы притяжения будут преобладать над силами отталкивания (рис14).

рис. 14 рис. 15

Силы отталкивания, действуя в направлении, противоположном движению частицы, совершают отрицательную работу, в результате чего потенциальная энергия взаимодействия возрастает, причём очень резко. В точке r = r0потенциальная энергия имеет минимальное значение, а сила взаимодействия равна нулю.

Кривая потенциальной энергии взаимодействия двух частиц изображена на рисунке 15.

В кристалле все частицы находятся на таких расстояниях друг от друга, которые соответствуют минимуму их потенциальной энергии. Кроме того, частицы обладают кинетической энергией теплового движения. Для того чтобы разорвать силы связи между двумя частицами, надо совершить работу, равную U0. величину U0называют энергией связи двух частиц.

Знания энергии связи частиц позволяет объяснить, почему при одной и той же температуре одни вещества находятся в твёрдом, другие- в жидком, а третьи- в газообразном состоянии. Известно, что для одноатомных молекул энергия теплового движения Е=3/2RТ, где R- постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура. Если при данной температуре энергия теплового движения гораздо больше энергии связи, вещество будет находиться в газообразном состоянии. Если же энергия теплового движения меньше энергии связи, то вещество находится в твёрдом состоянии. В жидком состоянии энергия связи и энергия теплового движения частиц имеют одинаковый порядок.

2.6. Поверхностная энергия кристалла

Частицы кристалла, находящиеся на его поверхности, обладают избыточной потенциальной энергией подобно тому, как ею обладают молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости.

Избыток потенциальной энергии, которой обладают частицы поверхностного слоя кристалла, называют поверхностной энергией кристалла.

Коэффициент поверхностного натяжения кристаллов, имея величину порядка 10-5дж/см2, оказывается различным не только для разных кристаллов, но и для разных граней одного и того же кристалла.

Поверхностная энергия граней оказывает существенное влияние на форму, которую будет иметь кристалл при естественном своём образовании. Кристалл при своём росте принимает такую форму, при которой его поверхностная энергия имеет наименьшее назначение. Вследствие этого скорости роста граней пропорциональны поверхностным энергиям этих граней. Быстрорастущие грани кристалла в процессе роста постепенно исчезают (рис 16). В результате кристалл всегда оказывается ограниченным гранями с малой поверхностной энергией.

Этим и объясняется так называемой явление регенерации кристаллов. Если спилить вершины кристалла, а затем погрузить его в пересыщенный раствор, то кристалл будет расти так, что его искусственно созданные грани с большим значением коэффициентом поверхностного натяжения начнут расти быстрее других, и будут уничтожаться. В результате кристалл «восстановит» свою форму.

рис. 16

На поверхностную энергию кристалла значительное влияние оказывают адсорбционные плёнки (адсорбция — явление прилипания к поверхности твёрдого тела молекул других веществ). Поверхностно-активные вещества уменьшают поверхностную энергию кристалла, снижая его прочность. Это явление многосторонне используют и учитывают в промышленности. На токарных станках применяют для охлаждения водные эмульсии. Добавления поверхностно-активного вещества в эмульсию снижает прочность обрабатываемой детали, что позволяет увеличить скорость резания, снизить изнашиваемость режущего инструмента и т.д. При разведке нефти порою приходится бурить в твёрдых горных породах нефтяные скважины длиной в несколько километров. Это требует особо прочных буров, но и они быстро выходят из строя. При нагнетании в скважину в качестве промывочной жидкости специально подобранных растворов поверхностно-активных веществ, процесс бурения заметно облегчает и резко повышает его экономичность.

Влияния поверхностно-активных веществ на прочность кристаллов открыто и изучено советским учённым П.А.Ребиндером и его учениками и носит эффект Ребиндера.

III. Тепловые свойства твёрдых тел

Все вещества в природе – и твёрдые, и жидкие, и газообразные — состоят из большого числа очень маленьких частиц: молекул и атомов, которые находятся в непрерывном хаотичном, или тепловом движении. Характер движения частиц вещества в различных агрегатных состояниях неодинаков. Объясняется это тем, что силы взаимодействия между частицами зависят от расстояний между ними. Несмотря на то, что природа и величины сил взаимодействия между частицами для разных агрегатных состояний различны, характер изменения этих сил с расстоянием одинаков для всех веществ. Из графика (рис16) видно, что силы взаимодействия быстро убывают с расстоянием и уже на расстоянии, равном 2-3 диаметрам атома, практически становятся равным нулю. Наиболее сильно частицы взаимодействуют с соседними частицами.

Взаимодействующие частицы обладают взаимной потенциальной энергией. Графиком потенциальной энергии (рис17) представляет собой так называемую «потенциальную яму». Наибольшую глубину эта «яма» имеет в положении равновесия. Это означает, что устойчивое положение равновесия взаимодействующих частиц соответствует минимальному значению потенциальной энергии, что вполне согласуется с общим принципом: система устойчива, если она обладает минимум энергии.

Потенциальная энергия в положении равновесия характеризует прочность связи частиц, поэтому её называют энергией связи. Эта величина показывает, какую работу нужно совершить, чтобы удалить частицы друг от друга на такое расстояние, на котором не проявляется их взаимодействие.

«Глубина» потенциальной «ямы» определяет возможность существования вещества в различных агрегатных состояниях. Как известно мерой кинетической энергии неупорядоченного теплового движения частиц служит величина RТ.

В твёрдом теле взаимодействующие частицы находятся сравнительно близко друг от друга 10-10 м. Для них минимальная потенциальная энергия взаимодействия много больше кинетической энергии теплового движения. Поэтому движения частиц твёрдого тела представляет собой беспорядочные колебания относительно положений равновесия — узлов кристаллической решётки. Если частица твёрдого тела смещается из положения равновесия, то силы стремятся вернуть частицу в исходное положение равновесие. Двигаясь в обратном порядке, частица по инерции проходит положения равновесия и вновь стремится вернуться в него под действием силы. Это движение частицы около положения равновесия будет повторяться многократно, она будет совершать колебательные движения с некоторой частотой. Кроме того, силы связи с разными соседними частицами могут быть различными. Поэтому за период частица совершит довольно сложное движение. Таким же будет колебание и остальных частиц решётки.

Волны, возникающие в кристалле, имеют определённую длину, которая зависит от размеров кристалла и его упругих свойств. Механизм распространения этих волн аналогичен механизму распространения звуковых волн, а скорость распространения совпадает со скоростью звука. Частота их может быть различной: от 102 до 1013гц.

При абсолютном нуле движение частиц кристаллической решётки должно прекратится, поскольку при этой температуре отсутствует тепловое возбуждение. Однако противоречить законам квантовой механики, согласно которым частицы даже при абсолютном нуле не может находиться в покое. При этой температуре система частиц, составляющих кристаллическую решётку, будет иметь некоторое наименьшее значение энергии, называемой нулевой энергией.

Все тела при нагревании расширяются.

При повышении температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллической решётки. Поскольку это увеличение амплитуды одинаково для всех атомов твёрдого тела, среднее расстояние между двумя соседними атомами не изменяются, и увеличение амплитуды колебаний при повышении температуры само по себе не ведёт к тепловому расширению.

Для выяснения природы теплового расширения обратимся к графику потенциальной энергии взаимодействия двух частиц твёрдого тела

(рис. 17).

Кривая потенциальной энергии асимметрична вблизи r0, т.е. её форма отличается от параболы.

рис. 17

График зависимости потенциальной энергии от смещения в этом случае представляет собой параболу. В случае твёрдого тела вид кривой потенциальной энергии свидетельствуют о том, что силы, действующие между частицами, не являются квазиупругими. Именно этот факт и является причиной теплового расширения твёрдых тел. Отметим на графики потенциальной энергии значение полной энергии. Пусть полная энергия Е1 соответствует температуре Т1, а полная энергия Е2 температуре Т2, причём Т2 >Т1 .

При температуре Т1 частица будет отклоняться влево до точки А1 и в право до точки В1. При этом среднее положение колеблющейся частицы не совпадает с r0, а сместится вправо и примет значение r1. при более высокой температуре Т2 частица будет отклоняться от А2 до В2, а среднее положение примет значение r2. Таким образом, при возрастании температуры увеличивается расстояние между узлами кристаллической решётки, т.е. происходит тепловое расширение тела.

Известно, что при нагревании твёрдого тела от 0°С до температуры t°С его удлинение пропорционально первоначальной длине и температуре:

∆l=αl0∆t.

Изменения объёма тела также пропорционально его первоначальному объёму и температуре:

∆V=βV0∆t.

Приведённые формы справедливы лишь для поликристаллических тел. Для поликристаллов и для монокристаллов, обладающих кубической симметрией, β=3α.

Монокристаллы обладают анизотропией теплового расширения.

Так, если нагревать шар из монокристалла, то он превратится в эллипсоид. Анизотропия свойств монокристаллов и теплового расширения является следствием того, что частицы, образующие кристалл, располагаются в правильном порядке. При таком их расположении частицы вдоль различных направлений размещаются с разной плотностью. Если через узлы решётки провести плоскости, то густота расположения частиц на этих плоскостях различна. Поэтому силы взаимодействия и среднее расстояния между частицами монокристалла могут оказаться различными в разных направлениях, а это приводит к анизотропии.

Однако небольшое их расширение ведёт к возникновению в теле значительных напряжений.

Теплоёмкость тела показывает, на какую величину изменяется его внутренняя энергия при изменении температуры на один градус.

С=∆Е/∆Т,

где ∆Е- изменения внутренней энергии тела при изменении температуры на ∆Т .

Внутренняя энергия неметаллических кристаллических тел складывается из кинетической энергии колебательного движения частиц, находящихся в узлах решётки, и энергии их взаимодействия.

Рассмотрим твёрдое тело, имеющее одноатомную решётку, и выясним, от каких величин зависит его теплоёмкость.

Если предположить, что смещение атомов решётки относительно положений равновесия невелико, то можно считать, что они совершают колебание под действием квазиупругой силы F=-kx. Тогда потенциальная энергия смещённого атома определится по формуле U=kx2 /2, кинетическая — по формуле Ек =mV2x /2, а полная энергия E=U+Ek =kx2 /2+mv2x /2.

При колебаниях атома происходит непрерывный переход его кинетической энергии в потенциальную, и наоборот. При этом за время, равное периоду колебаний, потенциальная энергия дважды будет иметь максимальное значение и дважды нулевое. То же самое можно сказать и о кинетической энергии. Её значение за период два раза будет равно нулю и дважды – равно максимальному значению. Поэтому можно утверждать, что при данной температуре средняя потенциальная энергия и средняя кинетическая энергия колебательного движения атома кристаллической решётки равны друг другу:

mv2x /2=kx2 /2.

Полная энергия колебательного движения атома в узлах кристаллической решётки равна полной энергии, приходящейся на одну степень свободы, умноженной на число степеней свободы

E=3kT.

Для внутренней энергии одного моля вещества:

Eμ =EN0,

где N0-постоянная Авогадро.

Полученное равенство означает, что молярная теплоёмкость всех одноатомных кристаллических твёрдых тел приблизительно равна 25дж/(моль*град). Экспериментально это соотношение установлено в 1819 году. Оно носит названия закона Дюлонга и Пти. Это справедливо для неметаллических решёток.

В металлах содержится большое число свободных электронов. Элементы совершают беспорядочное движение. Подобно молекулам газа, они образуют электронный газ. Поэтому нужно ещё учитывать движение свободных электронов. Электроны обладают кинетической энергией и имеют три степени свободы. На каждую степень свободы приходится средняя кинетическая энергия, равная 1/2кТ. Полная энергия одного электрона равна Е=3/4кТ. Энергия электронов в моле вещества Еμ =N0-3/2kT=3/2кТ.

Электронная теплоёмкость твёрдого тела

Сμ = ∆Eμ /∆Т=37,5дж/моль*град.

Как следует из формулы закона Дюлонга и Пти, теплоёмкость твёрдых тел не зависит от температуры. Однако опыты показывают, что на самом деле теплоёмкость твёрдых тел уменьшается с понижением температуры и стремится к нулю при приближении температуры к абсолютному нулю.

Классическая теория теплоёмкости не позволяет объяснить, почему теплоёмкость твёрдого тела зависит от температуры, и определить область температур, в которой выполняется закон Дюлонга и Пти. Здесь на помощь приходит квантовая теория теплоёмкости, которая была разработана А.Эйнштейном.

Согласно этой теории, атомы, находящиеся в узлах кристаллической решётки, колеблются независимо друг от друга с одинаковой частотой, равной примерно 1013 гц. Энергия колеблющегося атома излучается не непрерывно, а порциями. Величина порции энергии определяется выражением ε=hν, где h — постоянная Планка, а ν — частота колебания атома.

При высоких температурах, когда энергия теплового движения частицы, приходящаяся на одну степень свободы, велика. В этом случае выполняется закон Дюлонга и Пти.

При низких температурах, для которых выполняется неравенство hν>kT, энергия теплового движения недостаточна для возбуждения колебаний атомов, поэтому некоторые атомы «вырезают», т.е. не участвуют в колебательном движении, а это ведёт к уменьшению теплоёмкости. Температура, при которой начинается уменьшение теплоёмкости, может быть определена hν=kT; T=hν/k.

Теория теплоёмкости А. Эйнштейна была уточнена П.Дебаем. А.Эйнштейн считал, что атомы в узлах кристаллической решётки колеблются независимо друг от друга и частота их колебаний одинакова. П.Дебай учел, что атомы в твёрдом теле связаны между собой и что все они не могут колебаться с одинаковой частотой.

Согласно теории П.Дебая, температура, при которой начинается уменьшение теплоёмкости, можно определить из условия равенства тепловой энергии, приходящейся на одну степень свободы, максимальной энергии колебания атома: hνmax =кТ.

Эту температуру называют характеристической температурой Дебая и обозначают буквой Ө=кνмакс /к.

П.Дебай также доказал, что при температурах, близких к абсолютному нулю, молярная теплоёмкость пропорциональна кубу температуры. Такая зависимость наблюдается при температурах, меньше Ө/50. эту закономерность называют законом кубов Дебая.

Таким образом, при Т>Ө справедлив закон Дюлонга и Пти, Ө> T >Ө/50 теплоёмкость зависит от температуры, однако количественный характер этой зависимости пока не установлен, при Т<Ө/50 справедлив закон кубов Дебая.

Теплопроводностью называют перенос тепла от одного тела к другому или от одной части тела к другой.

Для объяснения механизма теплопроводности следует учитывать как свойства кристаллической решётки, так и свойства свободных электронов. Причем теплопроводность металлов имеет преимущественно электронный характер, т.е. она осуществляется за счёт переноса энергии свободными электронами. Теплопроводность кристаллической решёткой осуществляема значительно меньше электронной теплопроводности. При достаточно высоких температурах решёточная теплопроводность металлов составляет 1-2% от электронной теплопроводности.

Получим уравнения для описания теплопроводности.

Пусть две части тела с температурой Т1 и Т2, причём Т1 >Т2. тогда от части тела с температурой Т1 к части тела с температурой Т2 будет перенесено некоторое количество теплоты. Обозначим через ∆Q количество теплоты, переносимое за единицу времени через единичную площадку в направлении, перпендикулярной этой площадке. Получим, прямо пропорциональное изменение температур на единицу длины: ∆ Q =- k ∆ T /∆ x ,

где ∆Т- разность температур частей тела; ∆Т/∆х- изменение температуры на единицу длины; к- коэффициент теплопроводности.

Каждое вещество характеризуется своим коэффициентом теплопроводности, поэтому его величина зависит от внутреннего строения вещества. Чем больше электронов участвует в переносе тепла, тем больше коэффициент теплопроводности; чем быстрее эти электроны движутся, тем больше количество теплоты может быть перенесено за единицу времени; чем дольше электроны будут двигаться без столкновений, тем коэффициент теплопроводности больше. Он также зависит от удельной теплоемкости вещества твёрдого тела.

У неметаллов, не имеющих свободных электронов. Передача тепла происходит за счёт теплового движения частиц, образующих кристаллическую решётку.

Монокристаллы диэлектриков обладают свойством анизотропии теплопроводности так же, как они обладают анизотропией теплового расширения.

IV Механические свойства твёрдых тел

4.1. Виды деформаций.

Атомы и молекулы твёрдых тел находятся в равновесных положениях, в которых результирующая сила равна нулю. При сближении атомов преобладает сила отталкивание, а при их удалении от положения равновесия- сила притяжения. Это обусловливает механическую прочность твердых тел, т.е. их способность противодействовать изменению формы и объёма. Растяжению тел препятствуют силы межатомного притяжения, а сжатия- силы отталкивания.

Среди деформаций, возникающих в твердых телах, различают пять основных видов: растяжения, сжатие, сдвиг, кручение и изгиба, а также деформации бывают упругими и пластическими.

4.2. Теоретическая оценка характеристик механических свойств твёрдого тела и сравнение её с результатами эксперимента.

Зная поверхностную энергию кристалла, и исходя из представлений о строении идеального кристалла, можно теоретически рассчитать основные характеристики механических свойств. Так, например, чтобы рассчитать предел прочности при растяжении образца, необходимо найти силу F, при которой происходит разрыв материала, т.е. нарушается силы взаимодействия между плоскостями в кристалле.

А=F*∆l,

Где ∆l- расстояние, на которое надо удалить плоскости друг от друга, чтобы преодолеть силы их взаимного притяжения.

С другой стороны, разрушения всегда связано с образованием новой поверхности, т.е. с увеличением поверхностной энергии. Как известно, поверхностную энергию можно определить, умножив коэффициент поверхностного натяжения на площадь поверхности. Таким образом, работа, которая совершается при разрыве образца, т.е. при образовании новой поверхности

A=α*2S

Приравниваем выражения и получим: 2αS=F∆l, откуда сила, при которой происходит разрыв материала,

F=2αS/∆l.

Зная силу F, можно определить предел прочности, т.е. то напряжения, при котором происходит разрыв:

σ = F/S; σ =2αS/∆lS; σ = 2α/∆l.

Чтобы показать, как найти модуль Юнга, характеризующий упругие свойства материала, надо предположить, что до самого разрыва образца деформация остаётся упругой, т.е. справедлив закон Гука: σ =Eε.

Следовательно, при абсолютном удлинении ∆α, найдём относительную деформацию ε = ∆α/α.

Следовательно модуль Юнга равен Е= σ/ε.

Мы видим, что только часть механических свойств можно более или менее точно объяснить, исходя из модели идеального газа. Поэтому была выдвинута гипотеза о том, что причина расхождения теоретических расчётов и экспериментальных результатов заключается в несовершенстве кристаллической решётки. Эта гипотеза нашла своё блестящее подтверждение в последующих экспериментальных исследованиях.

Таким образом, некоторые механические свойства материалов не связаны со структурными несовершенствами. Эти свойства называют структурно – нечувствительными свойствами. Те же механические свойства, которые тесно связаны со структурными несовершенствами кристаллов или с дефектами кристаллов, называют структурно — чувствительными свойствами.

4.3.Точечные дефекты и их образования

Точечные дефекты — это нарушение кристаллической решётки в изолированных друг от друга точках. К точечным дефектам относятся вакансии, т.е. такие узлы решётки, в которых нет атомов (дырки) (рис48а). Точечными дефектами могут быть атомы внедрения, т.е. лишние атомы, поместившиеся в промежутках между атомами, расположенными в узлах кристаллической решётки (рис 48б). Это могут быть и примеси (инородные атомы), занимающие места в решётке (рис48в). Размеры точечных дефектов примерно равны диаметру атома.

Образования дефектов: в результат теплового движения атомов и их взаимодействия возможны отклонения энергии отдельных атомов от среднего значения, при котором атом удерживается в узле кристаллической решётки. При этом большие отклонения от средней величины менее вероятны, чем малые отклонения. Однако большие отклонения, превышающие среднее значение энергии на несколько порядков всё-таки возможны.

Дефекты могут появиться также в процессе роста кристалла.

Образование точечных дефектов возможно в процессе роста кристалла и из-за флуктуации энергии.

Экспериментально подтверждает наличие точечных дефектов в кристаллах явление диффузии в твёрдых телах.

На самом деле, в кристалле без дефектов никакой диффузии не должно было бы быть. Если атомы колеблются около узлов кристаллической решётки и не «покидают» эти положения, то не может быть проникновения атомов одного кристалла в другой.

Между тем установлено, что диффузия в твёрдых телах происходит, хотя и в меньших масштабах, чем в газах и жидкостях. Особенно интересно, что интенсивность этого процесса растёт с увеличением температуры.

Согласно этой теории диффузия в кристаллах происходит за счёт движения атомов внедрения, движения вакансии или какого-либо обмена местами между атомами. Для того чтобы атомы внедрения «перебрались» в другие промежутки между узлами, а вакансии — в другие узлы, необходимо, чтобы атомы, составляющие непосредственное окружение точечного дефекта, «расступились». При повышении температуры атомы «расступаются» чаще и дефекты перемещаются по кристаллу быстрее, а следовательно, и процесс диффузии происходит быстрее. Кроме того, с ростом температуры увеличивается и число точечных дефектов. Однако определяющим фактором в увеличении интенсивности диффузии при увеличении температуры является не рост числа дефекта, а их продвижение.

4. 4 Дислокации

Дислокации — это перемещения. Различают два вида дислокаций: краевую и винтовую. Краевая дислокация ( рис24).

рис. 24 рис. 25

Искажение кристаллической структуры вызвано тем, что, и части объёмного кристалла в процессе его роста возникла лишняя атомная «полуплоскость». Искажения сосредоточено в основном вблизи нижнего края «полуплоскости» «лишних» атомов. Под дислокацией в подобных случаях понимают линию, проходящую вдоль края лишней атомной «полуплоскости».

Искажение сосредоточено вблизи дислокационной линии. На расстоянии же нескольких атомных диаметров в сторону искажения настолько малы, что в этих местах кристалл имеет почти совершенную форму. Искажения возле края «лишней полуплоскости» вызваны тем, что ближайшие атомы как бы «пытаются» согласовать своё расположение с резким обрывом «лишней полуплоскости».

Любая царапина на поверхности кристалла может стать причиной краевой дислокации. Действительно, царапину на поверхности кристалла можно рассматривать как нехватку одной атомной плоскости. В результате теплового движения атомы из соседних областей могут перейти на поверхность, а дислокация тем самым переместится во внутрь.

Винтовая дислокация ( рис 25).

Образования винтовой дислокации можно представить таким образом. Мысленно надрежем кристалл по плоскости и сдвинем одну его часть относительно другой по этой плоскости на один период решётки параллельно краю надреза. При этом линия искажения пойдёт вдоль края разреза. Эту линию и называют винтовой дислокацией. При винтовой дислокации лишнего ряда атомов нет. Искажение пространственной решётки кристалла состоит в том, сто атомные ряды изгибаются и меняют своих соседей.

Установлено, что винтовые дислокации чаще всего образуются во время роста кристалла. Однако приложение напряжений может увеличить число винтовых дислокаций.

Дислокации, как и точечные дефекты, могут перемещаться по кристаллической решётке. Однако движение дислокаций связано с большими ограничениями, так как дислокация всегда должна быть непрерывной линией. Возможны два основных вида движений дислокаций: переползание и скольжение. Переползание дислокаций происходит благодаря добавлению или удалению атомов из лишней полуплоскости, что бывает вследствие диффузии. При скольжении дислокации, лишняя полуплоскость, занимавшая определённое положение в кристаллической решётке соединяется с атомной плоскостью, находящейся под плоскостью скольжения, а соседняя атомная плоскость становится теперь лишней полуплоскостью. Такое плавное скольжения линии дислокации вызывается действием напряжений сдвига, приложенных к поверхности кристалла.

Наблюдения показывают, что перемещение дислокаций в реальном кристалле в одних случаях может быть облегчённо, в других – затруднённо, в зависимости от характера тех искажений, которые вносит дислокация в кристаллическую решётку.

4.5. Экспериментальные методы изучения дефектов кристаллов

В настоящее время с помощью ионного проектора и электронного микроскопа получают фотографии структуры кристаллов с имеющимися в них дефектами. Для изучения дефектов кристаллов используют также метод протравливания. На поверхность кристалла наносят химические травители, которые наиболее активно взаимодействуют с теми областями кристалла, в которых сосредоточены наибольшие искажения, вызванные дислокациями.

В результате травления на поверхности кристалла появляются ямки, свидетельствующие о наличии дислокации в этом месте. Ямки рассматривают в обычный оптический микроскоп. Этот метод используют для определения плотности дислокаций. На рисунке 26 представлена схема фотографии травления чисто отполированной поверхности германия.

рис. 26

Интересен также метод моделирования процессов, связанных с взаимодействиями дислокаций. Для этого используют пузырьковую модель кристалла. Такую модель получают выдуванием через мыльный раствор воздушных пузырьков диаметром от 1 до 2 мм. При определённых способах приготовления раствора и выдувания пузырьков можно получить модель совершенной кристаллической структуры (рис27). Производя в этой модели некоторые возмущения, моделируют дефекты и процессы, связанные с ними (рис28).

рис.27 рис. 28

4.6. Влияние дислокации и других дефектов на механические свойства материалов и на процесс деформирования

Изучение дефектов кристаллов имеет важное практическое значение, так как механические свойства твёрдых тел, их пластичность, сопротивление деформированию связаны с дислокациями и другими дефектами в кристаллах.

Экспериментальное изучение механических свойств материалов показывает, что чистые металлы в большинстве являются мягкими и пластичными. Пластичность кристаллов, их относительно малая прочность определяется возникновением дислокаций в процессе роста кристалла. При группировке точечных дефектов образуются микротрещины. Хрупкое разрушение происходит в том случае, если пластическое течение затруднено в виду затруднения дислокаций микротрещинами и другими дефектами, присутствующими в исходном состоянии и возникающими в процессе деформации.

В практике обращает на себя внимания и такой вид разрушений, как усталостное. Усталость-это вид разрушения материала, происходящих в течение продолжительного времени под действием периодически изменяющихся нагрузок при таких напряжениях, которые не приводят к разрушению при статических нагрузках.

В настоящее время хорошо известны основные особенности усталости и меры, которые должны быть приняты для предотвращения её появления. Острые надрезы и переходы на поверхности, отверстия под заклёпки, царапины, коррозия приводят к заметному снижению усталостной прочности машин. Хорошее качество поверхности и защита от коррозии способствует увеличению сопротивления усталости. Однако, несмотря на наличие таких эффективных средств исследования, как электронная микроскопия, многое в механизме усталости остаётся неясным. Усталость является особенно серьёзной проблемой для металлов и сплавов, так как эти материалы широко используются в машинах и конструкциях, подвергающихся действию периодически меняющихся нагрузок.

Итак, на прочность кристаллических материалов влияют дислокации, их движение и взаимодействие, а также другие дефекты, встречающиеся в кристаллах.

4.7. Повышение прочности материалов

Дислокации и их движение оказывают большое влияние на прочность материалов, снижая их сопротивление деформированию, делая их пластичнее. Однако взаимодействие дислокаций между собой, а также с препятствиями другой природы уменьшает подвижность дислокаций. Это приводит к уменьшению пластичности и к повышению прочности материалов. Можно графически представить влияние дислокации на сопротивление сдвигу (рис29).

рис. 29

Здесь по оси абсцисс отложена плотность дислокаций, а по ординате -сопротивление сдвигу. Минимальное сопротивление сдвигу определяется некоторой критической плоскостью дислокации ркр, приближённо оцениваемой 107 -108 см-2. из анализа этой кривой следует, что можно повышать прочность, повышая плотность дислокаций. Этот способ повышения прочности называют наклёпом. При наклёпе в результате взаимодействия дислокаций их дальнейшее движение затрудняется. Наклёп проводят, накатывая заготовку между валками. Валки оказывают на заготовку большое давление и раскатывают её в плоские листы. В результате этого увеличивается число дислокаций, а следовательно у этих листов повышается сопротивления пластической деформации.

Если продолжить анализ кривой, то можно сделать вывод, что прочность можно повысить и другим способом, уменьшая плотность дислокаций, приготовляя образцы металлов в виде очень тонких нитей (толщина 2-10мм), так называемых усов, удалось поднять прочность в чистой меди, например, до 7*109 н/м2, против реальной величины сопротивления сдвигу 105 н/м2 .

Таким образом, изучение структуры твёрдого тела и улучшение на этой основе тех или иных механических свойств материалов в зависимости от их

практического назначения приводят к качественному изменению самих материалов, к прочности и долговечности конструкций и машин.

Электрические и магнитные свойства твёрдых тел

V . Электрические свойства твёрдых тел

По способности проводить электрический ток все вещества в природе условно делят на три основных класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.

5.1. Классическая электронная теория электропроводности металлов

Если металлическую пластинку, вдоль которой течет постоянный электрический ток, поместить в перпендикулярное к ней магнитное поле, то между гранями, параллельными направлениям тока и поля возникает разность потенциалов U=j1 -j2. Она называется Холловской разностью потенциалов.

Основная идея этой теории состоит в том, что электроны в металле свободны и образуют своеобразный электронный газ, подобный идеальному газу.

При столь большой концентрации электронов их взаимодействие между собой, как и с ионами решётки металла, очень велико. Однако средняя сила, действующая на каждый электрон со стороны всех остальных электронов и ионов, равных нулю, и поэтому в известном приближении такой электрон можно рассматривать как свободный, который взаимодействует с ионами решётки только при упругих соударениях. Следовательно, электронный газ, подобно идеальному газу, обладает лишь кинетической энергией mv2T /2=3/2kT, где m — масса электрона; v2T — средняя квадратичная скорость его движения; k -постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура. Это выражение позволяет определить среднюю квадратичную скорость теплового движения электрона:

VT =√v2T =√3kT/m.

Хаотическое тепловое движение электронов и непрерывные столкновения с ионами кристаллической решётки приводят к тому, что нельзя указать преимущественного направления движения заряда — в проводнике нет электрического тока. Следовательно, ток может появиться лишь при наличии электрического поля, сообщающего всем электронам некоторую добавочную, «дрейфовую» скорость, направленную вдоль поля.

Одним из успехов классической электронной теории является также объяснения связи между электропроводностью металлов и их теплопроводностью. Действительно, обладая энергией теплового движения, электроны проводимости участвуют в переносе тепла в металле, и, чем выше концентрация электронов, от которой зависит электропроводность, тем больше и теплопроводность металла. Прямая пропорциональная зависимость электропроводности и теплопроводности была установлена опытным путём И.Видеманом и Р.Францем ещё в 1853г. Открытый ими закон имеет вид: x/γ=AT, х — коэффициент теплопроводности; Т- абсолютная температура; А-константа. На основе электронной теории Лоренца вычислил величину этой константы.

В 1901 г. Физик Э.Рике поставил следующий опыт. Через три металлических цилиндра (медный, алюминиевый, медный), одинакового радиуса, которые плотно соприкасались друг с другом хорошо отшлифованными торцевыми поверхностями, в течении очень долгого времени пропускали ток. При этом через цилиндры прошёл заряд 3,5*10 -6 к. тщательное взвешивание цилиндров до опыта и после него показало, что масса их не изменилась. Это позволило установить, что электропроводность металлов обусловлена перемещением таких заряжённых частиц, которые являются общими для всех металлов.

В 1912 году советские физики Л.И.Мандельштам и Н.Д.Папалекси на опыте по наблюдению инерционного движения заряжённых частиц в металлическом проводнике подтвердили, что в металле имеются такие частицы, которые слабо связаны с кристаллической решёткой.

В 1916 году американские физики Толмен и Стюарт, применив чувствительный гальванометр вместо телефона, показали, что частицы, образующие инерционный ток при торможении катушки, имеют отрицательный электрический заряд, а также вычислили удельный заряд этих частиц e/m. Они получили 4,8*1017 ед., что оказалось близким к значению удельного заряда электрона, вычисленному в опытах по отклонению пучка электронов в электрических и магнитных полях. Таким образом, в работах Толмена и Стюарта электронная теория проводимости металлов получила строгое экспериментальное обоснование.

Однако было обнаружено, что основная идея этой теории — наличие в металле электронного газа, подобно идеальному, — находится в противоречии с некоторыми опытными фактами.

Молярная теплоёмкость металла, вычисленная на основе электронной теории, должна быть равна 37,5дж/(моль*град), а та же теплоёмкость, полученная экспериментально,- 25 дж/моль*град. Такой же результат можно получить и теоретически, если предположить, что электронный газ не обладает теплоёмкостью. Подобное предположение выглядит очень странным, так как согласно электронной теории температура металла определяется не только энергией колебания атомов в решётке. Но и энергией движения электронов.

5.2. Диэлектрики

В 1880 г. французские учёные-физики Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект заключается в следующем. Если из кристалла кварца (кварц-диэлектрик) вырезать определённым образом пластинку и поместить её между двумя электродами, то при сжатии кварцевой пластинки на электродах появятся равные по величине, но различные по знаку заряды.

Если изменить направление силы, действующей на пластинку (вместо того чтоб сдавить кварц его будут растягивать), то изменяются и знаки зарядов на электродах: на том электроде, где при сжатии возникал положительный заряд, при растяжении появится отрицательный. При этом, чем больше сила, сжимающая или растягивающая пластинку, тем больше и величина зарядов, возникающая на электродах.

В середине XIX в. были также обнаружены диэлектрики, которые подобно остаточной поляризацией. Такие диэлектрики по аналогии с термином «магнит» назвали электретами .

Самое характерное свойство электретов — способность нести на своих противоположных сторонах заряды различного знака, которые могут сохраняться в течение весьма длительного времени. Так, для электретов из карнаубского воска и его смесей это время составляет годы, керамические электреты сохраняют заряд в течение двух лет, электреты из полимеров имеют время жизни месяцы.

Объяснить этот обширный экспериментальный материал об электрических свойствах диэлектриков стало возможным тогда, когда появилась теория, объясняющая строение твёрдых тел, связи между их структурными частицами.

Есть такие твёрдые тела, у которых центры положительных и отрицательных зарядов отдельных атомов или молекул совпадают.

Если такие вещества поместить в электрическое поле, то возникает «электрическая деформация» структурных частиц, т.е. электрическое поле смещает электрические заряды, входящие в состав диэлектрика, от тех положений, которые они занимали в отсутствие поля. Так, например, если диэлектрик состоит из нейтральных атомов, то в присутствии поля их электронные оболочки смещаются относительно положительно заряжённых ядер. Если кристаллическая решётка твёрдого тела состоит из положительно и отрицательно заряжённых ионов, например, решетка NaCl, то в электрическом поле ионы равных знаков смещаются относительно друг друга. В результате упругого смещения каждой пары зарядов образуется система, обладающая некоторым дополнительным моментом p=ql, а весь диэлектрик поляризуется.

Поляризация диэлектрика численно характеризуется дипольным моментом единицы объёма Р, который равен произведению числа элементарных диполей N, содержащих в единице объёма вещества, на величину момента элементарного диполя.Что дипольный момент единицы объёма диэлектрика пропорционален напряжённости электрического поля внутри диэлектрика.

Помимо неполярных диэлектриков, существует большой класс диэлектриков, молекула которых и при отсутствии внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Постоянный дипольный момент могут иметь многие молекулы, у которых центры симметрии составляющих их положительных и отрицательных зарядов не совпадают друг с другом. Типичными представителями полярного твёрдого диэлектрика служат лед, твердая соляная кислота, органическое стекло и др.

При помещении полярного диэлектрика в электрическое поле происходит ориентация полярных молекул так, чтобы их оси совпадали с направлением линий напряжённости электрического поля. Однако тепловое движение частиц вещества препятствует такой ориентации. В результате действия поля и теплового движения устанавливается равновесное состояние, при котором полярные молекулы приобретают в среднем некоторую направленную ориентацию, а весь диэлектрик благодаря этому приобретает дипольный момент в направлении поля, т.е. поляризуется.

Рассмотренный вид поляризации называют ориентационной или дипольной. В этом виде поляризации, в отличие от поляризации смещения, существенную роль играет температура диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков больше, чем у неполярных, так как у них по существу наблюдаются оба вида поляризации: ориентационная и упругая поляризация смещения.

Если внешнее поле убрать, то полярные и неполярные диэлектрики деполяризуются, т.е. поляризация их практически исчезает.

Существует третий тип диэлектриков, у которых наблюдается самопроизвольная поляризация. В этом случае внутри диэлектрика, без какого бы то ни было воздействия внешнего поля, самопроизвольно возникают однородно поляризованные области, так называемые домены. В отсутствии внешнего поля направления дипольных моментов областей различны. При наложении поля происходит «ориентация» доменов и весь диэлектрик поляризуется. Так как каждый домен имеет большой дипольный момент, то диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков обычно очень велика, порядка 104. диэлектрики такого типа называют сегнетоэлектриками.

Сегнетоэлектрики отличаются от других диэлектриков рядом специфических свойств.

Если у полярных и неполярных диэлектриков дипольный момент единицы объёма вещества пропорционален напряжённости электрического поля Е, то у сегнетоэлектриков такая линейная зависимость между Р и Е существует только в слабых полях (рис 30). При увеличении напряжённости поля дипольный момент Р возрастает в соответствии с кривой АВ, а при некотором значении Е изменение дипольного момента прекращается. Это состояние называют насыщением. В состоянии насыщения все домены сегнетоэлектрика располагаются вдоль поля, и дальнейшее увеличение поля Е уже не приводит к увеличению поляризации. Если после этого начать уменьшать величину напряжённости поля до нуля, то поляризация кристалла будет изменяться не по начальной кривой ОВ, а по кривой ВD и при напряжённости поля, равной нулю, кристалл останется поляризованным.

Такое явление называется диэлектрическим гистерезисом. Величину поляризации, определяемую отрезком ОD при Е=0, называют остаточной поляризацией.

Таким образом, зависимость поляризации от напряжённости переменного электрического поля для сегнетоэлектриков описывается кривой BDFLHB, называемой петлей гистерезиса. По петле гистерезиса можно определить величину спонтанной поляризации.

Однако при увеличении температуры свойства сегнетоэлектриков изменяются и при некоторой температуре, называемой температурой Кюри, происходит исчезновение спонтанной поляризации.

Сегнетоэлектрики применяют при изготовлении лазеров и в запоминающих устройствах электронно-вычислительных машин.

5.3. Квантовая энергия электронов в атоме

Для объяснения электрических свойств металлов и диэлектриков, применялись совершенно не связанные между собой теории, основанные на различных моделях. Лишь с применением квантово – механических представлений удалось создать единую, современную теорию твёрдого состояния, или зонную теорию.

рис. 30

С самого начала надо иметь в виду, что законы движения макроскопических тел неприменимы для описания поведения атомных частиц. А вот энергия электронов в атомах, молекулах кристалла не может иметь произвольных значений. В квантовой механики показывается, что энергии электронов в таких случаях могут принимать лишь определённые, дискретные значения. Это означает что если при расстоянии между ядром и электроном r1 (рис 31) Энергия электрона Е1, то при расстоянии r2 энергия электрона станет Е2, причём ∆Е=Е2 -Е1 имеет совершенно определённое значение. Электрон не может иметь энергию, большую Е1, но меньшую Е2. О величинах, которые могут принимать лишь ряд определённых дискретных значений, говорят, что они квантованы. К таким величинам относятся энергия электронов в атомах, молекулах и кристаллах (рис.31).

На рис 31 представлены диаграмма уровней энергии атома водорода, или энергетический спектр атома водорода. Самый низкий уровень энергии Е1 соответствует ближайшему расположению электрона от ядра и характеризует основное, или нормальное состояние атомов. Такую энергию имеет атом, если он получает энергию извне. В основном состоянии изолированный атом может пребывать сколь угодно долго. Все энергетические уровни, начиная со второго, соответствуют возбуждённым состояниям атома. Эти значения энергии электрон в атоме водорода может иметь, если он приобретает дополнительную энергию за счёт воздействия каких-либо внешних факторов равную ∆Е=Еm -Еn, где m и n- номера верхнего и нижнего энергетических уровней, между которыми осуществляется переход электрона.

рис.31

Находится в возбуждённом состоянии долгое время атом не может, и поэтому он самопроизвольно переходит в нормальное состояние, отдавая излишек энергии ∆Е=Еn -Еm в виде электромагнитных излучений (света).

На этой диаграмме видно также, что энергия электрона в атоме водорода имеет отрицательное значение. Это означает, что нулевая энергия соответствует состоянию, в котором находится неподвижный электрон, удалённый на бесконечно большое расстояние от ядра и не взаимодействующий с ним.

При рассмотрении энергетического спектра атома следует обратить внимание также и на то, что при увеличении главного квантового числа n происходит сближение уровней энергии. При достаточно большом n можно считать, что энергия атома практически не квантуется, а изменяется непрерывно. В этом находит своё выражение принцип соответствия, установленный Н.Бором в 1922г.

5.4. Элементы зонной теории кристаллов

Как изменится эта диаграмма для двухатомной молекулы, состоящей из двух атомов.

По мере сближения каждый атом — его электроны, ядро — испытывает увеличивающее силовое воздействие со стороны электрических полей электронов и ядра другого атома. Это взаимодействия между атомами приводит к тому, что вместо одного энергетического уровня, одинаково для двух изолированных атомов, возникают два близко расположенных, но не совпадающих уровня. В таких случаях говорят, что происходит расщепление энергетических уровней электронов.

Следовательно, в энергетическом отношении образование двух атомов молекулы означает, что для каждого электрона обоих атомов появилась возможность принимать вдвое больше значений энергии, чем в изолированном состоянии.

Если теперь будут сближаться 3,4,5 или вообще N атомов, то в результате их взаимодействия вместо каждого энергетического уровня, одинаково для всех N изолированных атомов, появится 3,4,5 или N близких, но не совпадающих уровней, которые образуют энергетическую полосу или зону разрешённых значений энергии .

Таким образом, разрешённая энергетическая зона состоит из N близких уровней, где N-общее число атомов твёрдого тела. В 1м3 твёрдого тела находится 1028 -1029 атомов. Такой же порядок величины имеет и число уровней в зоне. Так как электроны принадлежат всему кристаллическому телу, то можно сказать, что зоны энергии характеризуют возможные значения энергии электронов всех атомов тела, а диаграмму разрешённых значений энергии называют энергетическим спектром твёрдого тела .

Однако не все уровни, соответствующие различным значениям главного квантового числа n, расщепляются одинаково. При сближении атомов электрического поля в первую очередь действуют на валентные электроны, которые к тому же слабее связаны с ядрами своих атомов, чем утренние электроны. Поэтому энергетические уровни валентных электронов расщепляются уже при расстояниях между атомами 10 -9 м, а ширина образующейся зоны разрешённых значений энергии – примерно нескольких электрон-вольт.

Влияние электрических полей взаимодействующих атомов на утренние электроны очень слабые. Поэтому энергетические состояния внутренних электронов практически такие же, как и в изолированных атомах. Слабое расщепление энергетических уровней внутренних электронов происходит при расстояниях между взаимодействующими атомами, много меньшими периода кристаллической решётки(10 -10 м).

Разрешённые энергетические зоны твёрдого тела разделены друг от друга промежутками – областями энергии, которые электроны не могут иметь по законам квантовой механики. Эти области называют зонами запрещённых значений энергии. Ширина запрещённых зон соизмерима по величине с шириной разрешенных зон. Более возбуждённые уровни изолированных атомов дают разрешённые зоны большей ширины. С увеличением энергии ширина разрешённых энергетических зон увеличивается, а ширина запрещённых зон уменьшается. Таким образом, для любого твёрдого тела характерна зонная структура энергетических уровней электронов, или зонный энергетический спектр.

5.5. Распределение электронов по энергиям в твёрдом теле

Рассмотрим атом водорода. В возбуждённом состоянии электрон находится недолго и, испуская излишек энергии, переходит в нормальное, невозбуждённое состояние, характеризуемое наименьшей из всех возможных значений энергией. Состояние с наименьшей энергией — устойчивое состояние. Очевидно, что стремление перейти в энергетически более устойчивое состояние, т.е. «занять» найнизший из всех возможных энергетических уровней, характерно для электронов и многоэлектронных атомов. Означает ли это, что все электроны многоэлектронных атомов имеют в устойчивом состоянии одну и туже энергию? Ответить на этот вопрос позволяет основное правило квантовой механики — принцип Паули, в соответствии с которым невозможно «скопление» электронов на самом низком энергетическом уровне. Принцип Паули утверждает, что в любой системе взаимодействующих частиц в одном и том же энергетическом состоянии не могут находиться более двух электронов.

В соответствии с принципом Паули электроны «занимают» попарно все энергетические уровни, начиная с самого нижнего. Таким образом, принцип Паули регулирует распределение электронов по энергиям в любой системе, содержащей множество электронов, как в изолированных многоэлектронных атомах, так и в твёрдых телах.

Рассмотрим распределение электронов по энергиям в твёрдом теле. Мы знаем, что образование молекулы из двух изолированных атомов в энергетическом отношении означает образование двух близко расположенных подуровней вместо одинаковых уровней энергии изолированных атомов. Если в изолированных атомах этому уровню энергии соответствовало по одному электрону, то при образовании молекулы оба электрона будут иметь наименьшую из всех возможных значений энергию. В подобных случаях говорят, что электроны «расположатся» на самом низком энергетическом уровне, т.е. согласно принципу Паули они оба «расположатся» на нижнем подуровне, а верхний подуровень окажется «пустым». Если бы каждый изолированный атом имел по два электрона, соответствующих данному уровню энергии, то при образовании молекулы эти четыре электрона «расположились» бы попарно на обоих подуровнях.

Распределение электронов по энергиям справедливо лишь в том случае, если твёрдое тело будет находиться при температуре абсолютного нуля, не подвергаясь никаким внешним воздействиям.

Что же произойдёт, если такое твёрдое тело подвергнуть нагреванию, освещению или облучению ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами или просто создать внутри него электрическое поле? Так как кристалл при этом получает энергию извне, то и энергия электронов должна увеличиваться. С позиции квантовой механики это означает, что электроны получают возможность перейти в новое состояние, соответствующее более высокому энергетическому уровню, если порция энергии, получаемая твёрдым телом извне, достаточна для перевода электронов на один из возбуждённых уровней энергии.

Такая возможность представляется в первую очередь электронам валентной зоны, так как для перехода электронов из заполненных целиком зон, лежащих ниже валентных, нужна слишком большая энергия возбуждения. Следовательно, основную роль во всех энергетических процессах в твёрдом теле играют, в первую очередь, внешние валентные электроны, или с точки зрения зонной теории процессы, разыгрывающиеся в валентной и свободной зонах. Поэтому, как правило, на зонной диаграмме изображают только валентную и свободную зоны.

Нетрудно показать, что при нагревании кристалла до комнатной температуры или под действием электрического поля источника тока электрон приобретает энергию, достаточную лишь для внутризонных переходов.

5.6. Электропроводность твёрдых тел на основе зонной теории

Зонная теория впервые позволила объяснить многие явления в твёрдых телах с единых позиций. Рассмотрим с позиции зонной теории механизм электропроводности кристаллов.

Электрическим током называют упорядоченное движение заряжённых частиц в веществе под действием сил электрического поля. Электрическое поле, действуя на электроны, ускоряет их на расстоянии свободного пробега λ и сообщает им энергию, равной работе электрической силы Е на перемещении λ. Электрический ток возникает лишь в том случае, если верхняя энергетическая зона не полностью занята электронами, т.е. число подуровней энергии в зоне превышает число электронов. Такую зону называют зонной проводимости. Таким образом, если валентная зона не полностью занята электронами, то твёрдое тело всегда будет проводником электрического тока. Этот случай заполнения валентной зоны соответствует металлам, входящим в первую группу периодической системы Д.И.Менделеева. Ведь у них имеется всего по одному валентному электрону. В твёрдом теле из N таких атомов будет и N валентных электронов. Но, располагаясь в валентной зоне твёрдого тела по 2 электрона на уровень, они займут только половину, т.е. N/2 уровней из N возможных.

Для металлов второй группы периодической системы полностью заполненная валентная зона перекрывается с какой-нибудь незаполненной зонной.

Верхний занятый электронами металла энергетический уровень при Т=0 К называют уровнем Ферми. Энергия Ферми Еф составляет приближённо 10 эв. Уровень Ферми играет большую роль в квантовых представлениях о твёрдом теле.

Рассмотрим теперь энергетический спектр твёрдого тела. В валентной зоне все энергетические уровни полностью заняты электронами, а свободные уровни отделены от валентной зоны зоной запрещённых значений энергии ∆Е. Обычные электрические поля не могут сообщить электрону валентной зоны энергию ∆Е, достаточную для преодоления запрещённой зоны и перевода его в свободную зону, где он мог бы уже увеличивать свою энергию. Следовательно, в таких твёрдых телах электропроводность не может иметь место при отсутствии внешних возбуждений и нулевой температуре. Однако в реальных условиях температура твёрдых тел отличается от нуля, поэтому эти тела обладают некоторой энергией теплового движения. Есть кристаллы, для которых энергии теплового движения при обычных температурах недостаточна, чтобы электрон мог преодолеть запрещённую зону энергии (кТ<∆Е). Поэтому при наложении электрического поля электропроводность в таких твёрдых телах не может иметь место даже при высоких температурах. Такие твёрдые тела не проводят электрический ток и их называют диэлектриками.

У некоторых кристаллов ширина запрещённой зоны сравнительно мала и энергия теплового движения оказывается достаточной для «заброса» части электронов из валентной зоны в свободную. В таком твёрдом теле электрическое поле вызывает ток, т.е. электроны, попавшие в свободную зону, и электроны в валентной зоне получать возможность переходить на более высокие незанятые уровни энергии. Такие твёрдые тела называются полупроводниками .

Для полупроводников в отличие от металлов число носителей тока, которые могут участвовать в электропроводности, существенно зависит от температуры. При высоких температурах электропроводность полупроводников приближается к электропроводности металлов, так как при больших значениях энергии теплового движения число выброшенных в свободную зону электронов очень велико и они вместе с электронами валентной зоны все могут принять участие в электропроводности. Но, с другой стороны, все полупроводники при Т=0 К становятся диэлектриками. Отсюда следует, что полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Этим и объясняется их название.

Однако следует заметить, что и диэлектрики при очень высоких температурах начинают проводить ток. Поэтому деление твёрдых тел на полупроводники и диэлектрики в достаточной мере условно, но практика даёт возможность, хотя и условно, разграничить их по ширине запрещенной зоны. Если у твёрдого тела ∆Е>6эв, то оно — диэлектрик, а если ∆Е<6эв — полупроводник. Наиболее широкий класс полупроводников, как показывают теория и опыт, имеет ширину запрещённой зоны ∆Е<2эв.

Полупроводники могут стать электропроводными также под действием падающего на них электромагнитного излучения, так как электромагнитное излучение тоже обладает энергией, достаточной для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости.

5.7. Электропроводность полупроводников

Как известно, полупроводник-это твёрдое тело с ковалентной связью между атомами. При абсолютном нуле температуре все связи между атомами заполнены, в веществе нет зарядов, способных перемещаться под действием приложенного электрического поля. При увеличении температуры в полупроводнике возникают носители зарядов двух типов: электроны и дырки.

Рассмотрим электропроводность полупроводника с энергетической точки зрения. Чистый полупроводник при абсолютном нуле температуры и при отсутствии внешнего воздействия описывает энергетической диаграммой, в которой валентная зона полностью заполнена, а в свободной зоне нет электронов. Полупроводник подобен диэлектрику. Если к такому проводнику подводить энергию извне, то часть электронов, находящиеся в валентной зоне, получив дополнительную энергию, равной ширине запрещённой зоны, попадёт в свободную зону. Благодаря наличию большого количества свободных уровней в свободной зоне свободные электроны легко изменяют свою энергию под действием электрического поля. Это движение свободных электронов и представляет собой электрический ток в полупроводнике. Кроме этого, с уходом электронов из валентной зоны в свободную создаются условия для перемещение электронов в самой валентной зоне. При этом оказывается, что движение в такой почти полностью заполненной зоне эквивалентно может быть описано движением «пустых» мест – «дырок», если им приписать положительный знак. Под действием электрического поля энергия «дырок» тоже изменяется, и общий ток в полупроводнике равен I=Iэл +Iдыр .

Так как в чистом полупроводнике число электронов равно числу дырок, то и те и другие принимают участие в электропроводности в равной мере. Такую электропроводность полупроводников называют собственной .

Все сказанное выше относится к химически чистым полупроводникам, у которых электропроводность обеспечивается примесями. В качестве примесей используют элементы III и V групп периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Пяти — валентные привесные атомы имеют на внешнем слое 5 электронов. Для образования ковалентной связи с окружающими атомами полупроводника необходимо всего 4 электрона. Остаётся один электрон, который не участвует в образовании сильной ковалентной связи. Это электрон слабо связан со своим атомом смеси: сила взаимодействия между электроном и ионом атома примеси при попадании последнего в полупроводник в соответствии с законом Кулона уменьшается в ε = (10÷18) раз. Поэтому достаточно малой энергии, чтобы электрон от атома примеси последний превращается в положительный ион, хотя сам полупроводник остаётся электрически нейтральным. Энергия, необходимая для того, чтобы пятый электрон стал свободным, много меньше энергии, необходимой для появления свободного электрона из валентной зоны. Этот факт говорит о том, что уровень энергии Еd такого электрона лежит чуть ниже «дна» свободной зоны (рис32).

Этот уровень Еd характеризует все «пятые» электроны атомов примеси, так как эти электроны находятся в одинаковых условиях.

Уровень энергии характеризует как энергетическое состояние электронов, слабо связанных с атомом примеси, так и энергетическое состояние самих атомов примеси. Ширина запрещённой зоны ∆Еd от «дна» свободной зоны, определяет энергию, необходимую для возбуждения атома примеси и превращение его в положительный ион. Положительный заряд такого иона примеси — «связанный» заряд, он не может перемещаться от одного атома примеси к другому.

Если увеличить температуру кристалла германия с пятивалентной примесью,

начиная с абсолютного нуля, то в первую очередь в свободную зону начнут переходить электроны с примесного уровня, так как ∆Еd <<∆E. Такие переходы начнут уже при Т=5°К, потому что ∆Еd =0,01эв. И только при более высокой температуры электроны из валентной зоны будут переходить в свободную.

Ясно, что в таких условиях число свободных электронов всегда будет превышать число «дырок» в валентной зоне, которые образовались за счёт части электронов, ушедших из валентной зоны в зону проводимости.

Если в таком примесном полупроводнике создать электрическое поле, то электропроводность будет осуществляться в основном за счёт свободных электронов. Таким образом, пятивалентные примеси служат поставщикам свободных электронов, поэтому их называют донорами, а полупроводники с такими примесями — полупроводниками п-типа.

рис. 32 рис. 33

Атомы элементов из III группы периодической системы имеют всего три валентных электрона, которые образуют парные электронные связи с тремя атомами германия. Одна электронная связь с четвёртым атомом германия остаётся незаполненной. Заполнение связи может произойти, если электроны атомов германия получать небольшую энергию возбуждения. Атом примеси, присоединивший электрон, становится отрицательным ионом. При этом на месте ушедшего от атома германия электрона образуется дырка.

Рассматривая такой полупроводник с энергетической точки зрения, можно увидеть, что уровень энергии, характеризующее энергетическое состояние всех атомов трёхвалентной примеси с точки зрения захвата электронов для заполнения связей, находится чуть выше «потолка» валентной зоны, так как атомы примеси захватывают немного возбуждённые электроны из валентных состояний. ∆Еа — ширина зоны, отделяющий уровень примеси Еа от потолка валентной зоны(рис 33). При этом ∆Еа <<∆Е. с увеличением температуры в первую очередь начнутся переходы электронов из валентной зоны на примесный уровень Еа. При значительно более высоких температурах электроны будут переходить из валентной зоны в свободную. Отсюда ясно, что при температуре число дырок в валентной зоне всегда больше, чем число электронов в свободной зоне. Если в таком проводнике будет осуществляться преимущественно за счёт дырок валентной зоны.

Трёхвалентные примеси «захватывают» электроны, поэтому их называют акцепторами, а полупроводники с такими примесями – полупроводниками р-типа.

5.8. Контактные явления

Если говорить языком электронной теории, то два разнородных металла отличаются друг от друга различной концентрацией электронов и различной работой выхода (Авых ), а полупроводники разных типов — ещё и основными носителями тока. Исходя из зонной теории можно сказать, что два разнородных металла отличаются друг от друга энергией Ферми — верхним занятым электронами уровнем.

Что произойдёт, если сблизить два разнородных металла или два полупроводника с различным типом проводимости или металл и полупроводник до межатомного расстояния? Оказывается, что при этом обнаружат себя весьма интересные явления, которые получили названия контактных.

При контакте двух металлов вследствие теплового движения электроны, энергия которых достаточна для того, чтобы покинуть металл, начнут проходить через границу раздела металлов. Чем меньше работа выхода металла, тем больше число таких электронов. Итак, при контакте двух металлов возникает двойной электрический слой.

С возникновением двойного электрического слоя условия движение электронов через границу раздела металлов изменяются. Теперь электроны движутся во внутреннем электрическом поле, электрические силы которого тормозят переход электронов из металла 1 в металл 2 (рис34)

рис. 34

и «помогают» электронам, переходящим из металла 2 в металл 1. Так продолжается до тех пор, пока не наступит «динамическое равновесие» — непрекращающееся движение электронов из одного металла в другой никак не изменяет возникшей между металлами контактной разности потенциалов ∆φ=φ1 -φ2 .

При контакте двух полупроводников n-типа вследствие теплового движения диффундируют в полупроводник р-типа. Встреча электрона с дыркой приводит к уничтожению дырки, т.е. при встрече электроны рекомбинируют с дырками. В результате этого атомы примеси становятся отрицательными ионами. В тонком слое полупроводника р-типа вблизи контакта образуется избыточный отрицательный заряд. Дырки из полупроводника р-типа также вследствие теплового движения диффундируют в полупроводник n-типа, частично рекомбинируют с электронами, в результате чего в тонком слое полупроводника n-типа создаётся избыточный положительный заряд.

Возникший в месте контакта двойной электрический слой создаёт электрическое поле напряжённостью Евн, которое препятствует движению основных носителей заряда из одного полупроводника в другой. Поскольку в контактном слое мало носителей тока, он обладает повышенным электрическим сопротивлением и препятствует прохождению электрического тока через контакт полупроводников. По этой причине двойной контактный слой называют ещё запирающим. Контакт двух полупроводников разных типов называют также р-n-переходом.

5.9 Термоэлектрические явления

К сожалению, контакт двух металлов с его разностью потенциалов ∆φ нельзя использовать как источник электрической энергии не потому, что ∆φ мало, а потому, что в замкнутой цепи, составленной из различных металлов, находящихся при одинаковой температуре, сумма всех контактных разностей потенциалов равна нулю.

Сформулированный выше вывод справедлив лишь при условии, что температуры контактирующих металлов одинаковы.

Но если в замкнутом контуре, составленном из двух металлических проводников, контакты имеют различные температуры, то сумма контактных разностей потенциалов будет отлична от нуля. Это означает, что в контуре будет действовать электродвижущая сила, которую называют термоэлектродвижущей, а в замкнутом контуре установится электрический ток, называемый термоэлектрическим.

Термоэлектродвижущая сила ε пропорциональна разности температур контактов: ε =α(Т1 -Т2 ).

Явление термоэлектричества было открыто около 150 лет назад голландским физиком Зеебеком и давно используется в лабораторной технике для измерения температур. Принципиальная схема термоэлектрического термометра показана на рис (35).

рис.35

Металлы 1 и 2, составляющие термопару, подбирают так, чтобы чувствительность её была наибольшей. Один спай помещают в место, температуру которого нужно измерить, а температуру другого спая поддерживают постоянной. При не очень точных измерениях второй спай находится просто в воздухе. При точных измерениях его погружают в сосуд Дьюара, заполненный, например, жидким азотом или тающим льдом. К клеммам аб подключают чувствительный гальванометр. Термопары позволяют измерять как очень высокие, так и очень низкие температуры, которые невозможно измерить обычным жидкостным термометром.

Для увеличения чувствительности вместо одной термопары берут несколько термопар, соединенных последовательно. Э.д.с. полученной термобатареи равна сумме э.д.с. отдельных термопар. Термостолбики монтируют так, что все нечётные спаи находятся на поддерживающей рамке, а все чётные — в середине рамки. Рамка с термобатареей помещена внутрь закрытого металлического кожуха, имеющего небольшое оконце, через которое падающее на термостолбик излучение нагревает чётные спаи термобатареи. Если подсоединить такой термостолбик к проекционному гальванометру, то можно убедится, что он обнаруживает тепловое излучение человеческой руки, удалённой от него на расстоянии нескольких метров. Такое излучение вызывает разность температур спаев лишь около миллионной доли градуса.

Термоэлемент можно использовать для превращения тепла, нагревающего горячий спай, в электрическую энергию. Однако при этом значительная часть тепла отдаёт холодным спаем окружающей среде, теряет за счёт хорошей теплопроводности металлов, поэтому доля тепла, превращаемого в электрическую энергию, невелика. Величина же термоэлектродвижущей силы таких элементов незначительна, так как у металлов число свободных электронов и их энергия практически не зависят от температуры. К.п.д. таких термоэлементов не превышает 0,5%. Поэтому они непригодны в качестве генераторов электрической энергии.

Дальнейший шаг на пути создания термоэлементов с более высоким к.п.д. — создание термоэлемента из двух полупроводников. Идея создания полупроводниковых термоэлементов принадлежит советскому физику академику А.Ф.Иоффе.

Конструктивно полупроводниковый термоэлемент может быть оформлен так, как показано на рисунке 36

рис.36

верхние концы полупроводниковых брусочков 1 и 3 с разным типом проводимости замкнуты медной пластинкой 2. П-образные, стальные пластины радиатора 4 предназначены для отвода теплоты и поддержания необходимой разности температур при работе термоэлемента. Медная пластина 2, замыкающие горячие концы полупроводников, не оказывает влияния на величину термо-э.д.с. такого термоэлемента, так как оба конца её находятся при одной и той же температуре.

Величина термо-э.д.с. в полупроводниковых термоэлементах больше, чем у металлических термопар, не только за счёт меньшей теплопроводности полупроводников. Основная причина состоит в том, что в полупроводниках нагревание увеличивает не только кинетическую энергию электронов и дырок, но и их концентрацию.

В результате повышения концентрации основных носителей тока – электронов в полупроводнике n–типа (рис37) и дырок в полупроводнике р-типа(рис 38) и увеличение энергии их движения изменяется распределение зарядов в внутри полупроводника: основные носители тока «устремляются» к холодному концу, «обнажая» ионы примеси. Такое перераспределение зарядов влечёт за собой образования внутреннего электрического поля, которое по мере возрастания замедляет движение зарядов от горячего конца к холодному. В результате совместного действия этого поля и соответствующей разности температур устанавливает равновесие, характеризуемое определённой разностью потенциалов между нагретым и холодным концами полупроводника. Если включить такой полупроводник в цепь и замкнуть её, то в цепи появится ток.

рис. 37 рис. 38

При прохождении тока через цепь, состоящую из двух спаянных металлов, наблюдается эффект, обратный явлению термоэлектричества, т.е. температура одного из контактов повышается, а другого — понижается. Этот эффект был обнаружен в 1834 году французским физиком Пельтье. Изменив направление тока в термобатареи, можно холодильник превратить в генератор. На основе явления Пельтье разработан термоэлектрический способ отоплений.

5.10. Зависимость сопротивления контакта от внешнего напряжения

Двойной электрический слой, возникающий вдоль поверхности соприкосновения двух металлов, двух полупроводников или металла и полупроводника, обладает ещё способностью изменять электрическое сопротивление в зависимости от направления внешнего электрического поля источника тока.

Подсоединим контакт двух металлов 1 и 2(рис 39) к источнику постоянного тока. Если к металлу 1 подсоединить плюс, а к металлу 2 – «-» источника, то тогда направление электрического поля источника и направление внутреннего электрического поля в двойном электрическом слое будут одинаковыми. Суммарное электрическое поле ещё больше затруднит движение электронов в контактном слое.

рис. 39

Толщина двойного слоя и контактная разность потенциалов возрастут. Можно сказать, что увеличилось сопротивления контактного слоя, так как ток в цепи уменьшится.

Если к металлу 2 присоединить положительный, а к металлу 1-отрицательный полюс источника, то направление внешнего электрического поля и электрического поля контактного слоя будут противоположны. Суммарное электрическое поле напряжённостью Е=Евнеш -Евнут оказывает меньшее тормозное воздействие на движущиеся электроны, и преимущественное движение электронов из металла 1 в металл 2 станет более активным. Толщина двойного электрического слоя и контактная разность потенциалов уменьшатся, что равносильно уменьшению электрического сопротивления контакта.

Приложенное внешнее напряжение источника тока называют прямым, если оно уменьшает сопротивление контакта, и обратным, если оно увеличивает его сопротивление.

Однако при контакте двух металлов изменение концентрации электронов при прямом и обратном напряжении не очень заметно. Ведь концентрация электронов в металлах огромна – порядка 1028 м-3. Поэтому явление зависимости сопротивления двойного электрического слоя от приложенного напряжения особенно ярко проявляется при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости.

Если внешнее электрическое поле направить навстречу внутреннему, то под действием сил этого поля основные носители зарядов устремляются к р-n-переходу, внедряются в него, насыщают его(рис40). В результате этого сопротивления р-n-перехода уменьшается. В цепи установится значительный ток, созданный основными носителями тока.

Если к р-n-переходу приложить внешнее напряжение так, чтобы напряжённость тока, была направлена в ту же сторону, что и напряжённость двойного слоя, то часть основных носителей тока под действием сил этого поля уйдёт из приконтактной области к соответствующим полюсам и нейтрализует там (рис41)

рис. 40 рис. 41

Следовательно, приконтактная область ещё больше обеднится основными носителями тока, а это означает сопротивления р-n-перехода значительно возрастёт. Ток во всей цепи будет очень малым, так как он определяется лишь движением не основных носителей тока, которых немного по сравнению с основным.

Зависимость тока в цепи, содержащей р-n-переход, от напряжения источника тока изображена на рисунке 42.

рис.42

При прямом напряжении сила, начиная с некоторого значения, почти линейно зависит от напряжения. Следовательно сопротивления р-n-перехода сначала постепенно уменьшается, а затем остаётся почти постоянным. При обратном напряжении на некотором участке ток почти не зависит от приложенного напряжения. Это говорит о том, что сопротивление р-n-перехода возрастает пропорционально приложенному напряжению. Обратный ток, созданный не основными носителями, незначителен: он будет тем меньше, чем меньше не основных носителей в полупроводнике.

При больших обратных напряжениях, порядка нескольких сотен вольт, сила тока резко возрастает, наблюдается пробор р-n-перехода. Толщина запорного слоя очень мала (10-5 см), а напряжённость поля в нем достигает тысяч вольт на метр. Столь сильное поле может освобождать связанные электроны, вырывая их из кристаллической решётки, что вызывает резкое увеличение числа не основных носителей тока. Запорный слой разрушается, и обратный ток резко возрастает.

5.11. р- n -р-переход. Транзисторы.

Полупроводниковые приборы используют для усиления и генерации переменных токов и напряжений. Таки приборы получили названия кристаллических триодов или транзисторов. Чаще всего для устройства полупроводниковых триодов применяют германий и кремний. Это связано с тем, что длина свободного пробега электронов в них больше, чем в других полупроводниках. Кроме этого, кристаллы германия и кремния обладают большой механической прочностью, химической устойчивостью. Важным свойством этих полупроводников является относительно медленная рекомбинация дырок и электронов, поэтому запряжённые частицы противоположных знаков проникают сквозь тонкие слои этих кристаллов без воссоединения друг с другом.

Наиболее распространённым типом транзистора является плоскостной триод. Для изготовления плоскостного триода в монокристалл германия или кремния вводят соответствующие примеси таким образом, что создают прослойку дырочного полупроводника между двумя слоями электронного. В зависимости от этого различают триоды на основе

п -полупроводников (тип р-п -р) (рис43).

При соединении полупроводников с разным типом проводимости на границе раздела образуется область, обедненная носителями

рис. 43 рис.44

тока (запирающий слой ). Наличие трёх полупроводников в плоскостном триоде приводит к образованию двух запорных слоёв по обе стороны среднего полупроводника. Таки образом, полупроводниковый триод в отличие от диодов содержит два электронно-дырочных перехода. Он как бы представляет собой два диода, соединённых последовательно, навстречу друг другу.

Но нельзя представить себе транзистор как простую совокупность двух обычных полупроводниковых диодов. Дело в том, что у транзистора ток, текущий через второй переход, в то время как у двух отдельных диодов ток в каждом из их зависит только от величины и полярности приложенного к нему напряжения и совсем не зависит от состояния другого диода.

Для того чтобы полупроводник триод начал усиливать, его надо соединить с двумя внешними источниками тока так, чтобы один электронно-дырочный переход был включён в прямом направлении, а второй — в обратном (рис44).

Переход, включаемый в пропускном направлении, называют эмиттерным, а переход, включаемый в запорном направлении – коллекторным.

Электроды называют соответственно эмиттером и коллектором. Электрод, соединённый со средним проводником, называют основанием или базой.

VI Магнитные свойства вещества.

6.1 Элементарные носители магнетизма

В первой половине XIX в. французский физик Ампер предложил, что особого магнитного поля, не обусловленного электрическими токами, вообще не существуют. По мысли Ампера, магнитные свойства вещества связаны с текущими внутри молекул вещества молекулярными токами. В веществе как бы существуют элементарные магнитики — замкнутые молекулярные токи. Их взаимное расположение и ориентация определяют магнитные свойства вещества.

В настоящее время гипотеза Ампера получила убедительное обоснование и вскрыта физическая сущность этих элементарных «магнитиков».

Атомы вещества обладает магнитными свойствами, в частности, потому, что в нём вокруг положительно заряжённого ядра обращаются электроны. Движущиеся вокруг ядра электроны можно представить как элементарные «магнитики», так как круговой электрический ток создаёт магнитное поле, аналогичное магнитному полю постоянного магнита.

На рисунке 45, а изображён простейший атом, состоящий из ядра и обращающегося вокруг него электрона. Электрический ток, эквивалентный движению электрона (рис 45, б).

а б рис. 45

На этом же рисунке показано и соответствующее круговому току магнитное поле. Направление линий индукции определяется правилом буравчика.

Однако магнитные свойства атома связаны не только с орбитальным движением электронов. Элементарные частицы, электроны, протоны и нейтроны, входящие в состав атома, сами обладают магнитными свойствами. Все они в свою очередь представляют собой тоже элементарные «магнитики», но разные по своим магнитным свойствам.

Магнитные свойства изолированного атома определяются магнитными свойствами в первую очередь электронов, хотя определённую лепту вносят протоны и нейтроны. В случае же твёрдого тела, представляющего совокупность огромного числа атомов, магнитные свойства его определяются не только элементарными частицами, принадлежащими данному атому, но и взаимодействием частиц атомов.

6.2. Орбитальные и спиновые магнитные моменты электрона

Для характеристики магнитного поля электрона, движущегося по замкнутой орбите, вводят понятие орбитального магнитного момента Р0. Это векторная величина, измеряемая произведением элементарного тока I на величину обтекаемой им площади S (Р0=SI). Направление орбитального магнитного момента Р0определяется правилом буравчика.

Электрон, движущийся по орбите, обладает также и механическим моментом импульса L0.

Движущаяся со скоростью v материальная точка массы m обладает импульсом Р=mvr. Величина этого вектора L, а направление его определяется правилом буравчика.

Электрон кроме орбитального магнитного момента обладает и орбитальным механическим моментом, при этом Р0и L0направлены в противоположные стороны.

Величину Горб, равную отношению Р0к L0, называют гиромагнитным отношением. Для электрона, обращающегося по орбите вокруг ядра, Горб =е/2m, где е — заряд электрона, а m — его масса.

В настоящее время доказано, что электрон, помимо орбитальных магнитных и механических моментов, обладает ещё и собственными магнитными и механическими моментами, получившими название спиновых моментов Рспин и L спин .

Первоначально спиновые моменты связывали с вращением электрона вокруг своей оси. Благодаря этому и возник термин «спин». Но оказалось, что такое представление неправомерно. Величина спинового магнитного момента Рспин, рассчитанная по значению заряда электрона и скорости его предполагаемого вращения, не совпадает со значением Рспин, полученным экспериментально. Законы движения электронов более сложны и не могут быть описаны на основе классических представлений.

Электрон обладает рядом свойств, которые характеризуются не только его зарядом и массой, но также спиновым магнитным моментом и собственным механическим моментом; Рспин и L спин электрона такие же неотъемлемые характеристики электрона, как его заряд е и масса m .

Рспин и Lспин характеризуются спиновым гиромагнитным отношением: Гспин = Рспин / Lспин =е/m, т.е. Гспин =2Горб .

Собственным магнитным моментом обладают также протоны и нейтроны. Но их собственные магнитные моменты на три порядка меньше спинового магнитного момента электрона. Естественно, в первом приближении можно пренебречь магнитными моментами протонов и нейтронов, т.е. магнитным моментом ядра. В электронной теории магнетизма считают, что магнитные свойства атома целиком определяются электронами.

Полный магнитный момент атома Рат представляет собой геометрическую сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов, принадлежащих данному атому. Если в атоме Z электронов, то Рат =∑z1 P0+∑z1 Рспин .

В случае твёрдых тел результаты этого сложения зависят т взаимодействия частиц в твёрдом теле. Разные вещества обладают различными магнитными свойствами.

6.3Классификация тел по магнитным свойствам

Cамое простое деление тел по магнитным свойствам сводится к выделению слабомагнитных и сильномагнитных тел. известно также деление веществ по магнитным свойствам на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики .

Впервые деление веществ по магнитным свойствам предложил уже более ста лет назад М.Фарадей. Он помещал образцы различных веществ в неоднородное магнитное поле и обнаружил, что часть из них втягивается из области с малой индукцией в область большей индукции и устанавливается вдоль линии индукции поля, а часть выталкивается из области магнитного поля с большим значением индукции, устанавливаясь поперёк линии индукции. первую группу он назвал парамагнетикой(вдоль), вторую- диамагнетикой(поперёк).

Среди парамагнетиков бала обнаружена группа веществ, обладающая особо сильными свойствами, как бы сверхпарамагнетики. К ним в первую очередь относятся железо, никель и кобальт. впоследствии их выделили в особый класс ферромагнитных веществ.

Все эти вещества характеризуются различной магнитной проницаемостью μ: для диамагнетиков μ<1, для парамагнетиков μ>1, но и в том и в другом случае μ лишь незначительно отличаются от единицы. для ферромагнетиков μ>>1. Но не только в этом отличие ферромагнитных свойств.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков μ не является постоянной величиной, а зависит от индукции внешнего поля В0. Характер данной зависимости приведён на рисунке 45в.

рис.45в

Ферромагнетики обладают остаточным магнетизмом, т.е. могут сохранять намагниченность и при отсутствии внешнего намагничивающего поля.

Для ферромагнетиков характерен магнитный гистерезис — явление, возникающее при перемагничивании ферромагнитного образца. Сущность магнитного гистерезиса состоит в том, что изменение намагничивание образца I отстаёт от изменений индукции магнитного поля В0. При этом I=В-В0=(μ-1)В0. при некоторой температуре, называемой точкой Кюри, ферромагнетик теряет ферромагнитные свойства и превращается в обычный парамагнетик.

6.4. Диамагнетизм. Влияние магнитного поля на орбитальное движение электронов

Атомы диамагнитных веществ, при отсутствии внешнего намагничивающего поля не имеют магнитного момента. Орбитальные и спиновые моменты всех электронов этих атомов скомпенсированы. Если же диамагнитное тело поместить в магнитное поле, то в нём возникнет дополнительный магнитный момент, направленный против поля. Как это объяснить?

Объяснение основано на применении к атому, помещённому в магнитное поле, правило Ленца. В момент включения магнитного поля или внесении диамагнитного вещества в область, где поле уже есть, в атомах должны возникнуть индукционные токи. В действительности в атоме движутся электроны, а магнитное поле как-то изменяет движение этих электронов и эквивалентный этому движению электронов ток. Но для простоты объяснения будем говорить об индукционном токе. Согласно правилу Ленца направление индукционного тока таково, что поле, им созданное, направлено против намагничивание поля В0. Возникший дополнительный орбитальный магнитный момент электрона направлен против поля. Данный эффект продолжается и после исчезновения э.д.с. индукции, когда магнитное поле не меняется. Объясняется это отсутствием сопротивления движению электронов в атоме, вследствие чего индукционный ток в нём не затухнет и после исчезновения э.д.с.

Если орбитальные магнитные моменты разных электронов в атоме могут скомпенсировать друг друга, то дополнительные магнитные моменты электронов, направленные у всех электронов против поля, суммируются, т.е. возникает суммарный дополнительный магнитный момент атома.

Возникновения диамагнетизма можно объяснить ещё и изменением частоты обращения электрона вокруг ядра.

Рассмотрим случай, когда плоскость орбиты электрона перпендикулярна к вектору В0магнитного поля (рис46). На электрон в этом случае, кроме кулоновской силы Fк, действует сила Лоренца Fл, равная evB0. Равнодействующая сила при этом равна либо сумме, либо разности Fк и Fл, поэтому и центростремительное ускорение в этих двух случаях различно. Оно или увеличится или уменьшится, соответственно изменяется и частота обращения электрона вокруг ядра. Это изменение частоты и обусловливает появления дополнительного магнитного момента, так как изменяется сила эквивалентного тока.

рис. 46

Во всех же других случаях происходит так называемая прецессия электронной орбиты в магнитном поле.

Диамагнитный эффект присущ всем атомам без исключения, но по величине он незначителен. Обнаружить диамагнитный момент удаётся лишь в том случае, когда он не подавляется более сильным парамагнитным эффектом.

Диамагнетиками являются все инертные газы, а также металлы (медь, серебро, золото, бериллий, цинк, кадмий, бор, галлий, свинец, сурьма, висмут и др.).

6.5. Парамагнетизм

У парамагнетиков атомы и молекулы имеют постоянный магнитный момент, т.е. магнитные моменты частиц, их составляющих, не скомпенсированы. Такие атомы и молекулы в магнитном поле ведут себя как магнитная стрелка, устанавливаясь по полю.

При рассмотрении поведения парамагнитных веществ в магнитном поле надо учитывать, что магнитное поле ориентирует магнитные моменты атомов, а тепловое движение, наоборот, оказывает дезориентирующее действие. В результате действия обоих факторов устанавливается некоторое распределение магнитных моментов тела.

На рисунке 48 показаны магнитные моменты атомов парамагнетика при отсутствии внешнего магнитного поля.

рис. 48 рис. 49

Магнитные моменты отдельных атомов ориентированы равновероятно и по всем направлениям и средний магнитный момент всего тела равен нулю.

На рис 49 показано, как при действии внешнего магнитного поля в парамагнетике возникает преимущественное направление элементарных магнитных моментов. Средний момент тела теперь отличен от нуля, и тело намагничивается по полю. Очевидно, что степень ориентации магнитных моментов по полю зависит от величины индукции поля.

Для парамагнетиков характерна некоторая зависимость намагниченности от температуры.

Парамагнитных веществ много, это некоторые газы (N2, О2 и др.), соли лантаноидов, железа, кобальта, никеля, а также многие металлы (щелочные металлы, магний, кальций, алюминий, хром, молибден, марганец, платина, палладий) и др.

6.6. Ферромагнетизм. Элементарные носители ферромагнетизма.

Носители ферромагнетизма были установлены с помощью опытов по гиромагнитным явлениям. В этих опытах определялась гиромагнитное отношение Г.

Рассмотрим один из самых интересных гиромагнитных опытов — опыт Эйнштейна и де Газа, осуществлённый в 1915г. В этом опыте железный цилиндр помещали в соленоид и подвешивали на тонкой кварцевой нити по оси соленоида (рис50).

По соленоиду можно было пропускать ток. На кварцевой нити укрепляли зеркальце, на которое направляли луч света. После отражения от зеркальца этот луч попадал в виде «светового зайчика» на экране. При малейших закручиваниях нити поворачивалось и зеркальце, а световой зайчик на экране смещался. Получился весьма чувствительный индикатор закручивание нити. Чтобы разобраться в опыте Эйнштейна и де Газа, необходимо уяснить сущность закона сохранения импульса. Оказывается, каждое вращающееся тело обладает некоторым моментом импульса Р, который определяется скоростями и расстояниями тел или частиц тел относительно оси вращения. Чем больше скорости v (или ω) и расстояние точки от оси вращения, тем больше величина Р.

Установлено, что если на тело не действуют никакие силы, способные изменять его вращения, то момент импульса Р сохраняется (Р=const). Ряд опытов и часто наблюдаемые в жизни явления очень хорошо подтверждают законы сохранения момента импульса. Наиболее простой пример — вращение фигуриста. Если фигурист вращается, то стоит ему прижать руку к телу, как угловая скорость его вращения возрастёт. Если же наоборот раскинет руки, то угловая скорость его вращения уменьшится. Дело в том, что момент импульса при вмещении фигуриста не должен изменяется. Но эта величина зависит от угловой скорости ω и расстояния от оси вращения r. Поэтому, когда фигурист прижимает руки, r уменьшается, ω — возрастает.

Обратимся теперь к интересующему нас опыту Эйнштейна и де Газа. Если намагнитить стержень, пропустив по соленоиду ток определённого направления, то все орбитальные и спиновые моменты в сердечнике должны сориентироваться по полю.

рис. 50

Определённым образом должны сориентироваться и механические моменты атомов. Если же теперь сердечник перемагнитить, изменив направление тока в соленоиде, то должна произойти переориентация, как магнитных моментов, так и их механических моментов. А стержень в результате этого должен вращаться. Однако возникшие в опыте Эйнштейна и де Газа при такой его постановке эффект весьма незначителен и учёные усилили его, воспользовавшись явлением механического резонанса. На соленоид подавалось переменное напряжение, частота которого совпадала с частотой собственных крутильных колебаний системы. Световой зайчик в этом случае смещался вполне заметно.

В опыте Эйнштейна и Де Газа было определенно гиромагнитное отношение Г. Оно оказалось равным е/m, т.е. ферромагнетизм обусловлен не орбитальными, а спиновыми магнитными моментами.

6.7. Ферромагнетизм и кристаллическая решётка. Доменная структура ферромагнетиков.

Возникает вопрос: почему у парамагнетиков не появляются свойства, присущие ферромагнетикам, ведь спиновые магнитные моменты есть и у электронов атомов парамагнетиков. Оказывается, дело не только в наличии нескомпенсированных спиновых магнитных моментов электронов, но и в существовании особого взаимодействия между этими электронами в теле.

Ферромагнетизм присущ не любым веществам и веществам не в любом состоянии, а возможен лишь в кристаллическом состоянии некоторых веществ и при температурах ниже некоторой температуры, определённой для данного вещества. Это — вещества, у которых в электронной оболочке есть незаполненные внутренние слои, в них и получаются нескомпенсированные спиновые моменты.

Объяснения сильной намагниченности ферромагнетиков впервые пытался дать русский физик Б.Л.Розинг, который в 1892 г. высказал предположение о том, что в ферромагнетиках под действием особых сил возникают определённые намагниченные участки. В 1902г. французский физик П.Вейс высказал гипотезу о наличии в ферромагнитном кристалле областей — доменов, которые намагничены до насыщения. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов направлены различно и общий магнитный момент тела равен нулю. В магнитном поле эти намагниченные участки ориентируются по полю.

Гипотеза Вейса о доменной структуре ферромагнетиков получила теоретическое обоснование лишь в 1935г. в работах советских физиков Л.Ландау и Е.Лившица.

Было установлено, что существуют особые силы, описываемые квантовой механикой, которые заставляют все спины внутри домена выстраиваться параллельно.

Хотя линейные размеры доменов невелики (от 10-2 до 10-5 см), их удаётся наблюдать в микроскопе. Ещё в 1931 г. советские физики Н.Акулов и М.Дехтяр, а также независимо от них американский физик С.Биттер предложил метод наблюдения доменной структуры ферромагнетиков, получивший название метода порошковых фигур. Поверхность кристалла ферромагнетика полируют и наносят на неё каплю водной суспензии тонко измельчённого ферромагнитного порошка, частицы которого оседают на границах доменов. Благодаря этому они становятся видимыми в микроскоп.

6.8. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм (ферриты).

У ферромагнетиков есть домены, в которых все спины ориентированы параллельно (рис52, а). В 1933г. Л.Ландау предсказал, что должны существовать вещества, у которых спины в доменах ориентированы антипараллельно (рис52, б). Такие вещества действительно существуют(MnO, MnS,NiCr и др.), и они получили название антиферромагнетиков. Пока эти вещества не получили практического применения, но теоретическое их изучение представляет очень большой интерес.

а б рис. 52

Кристаллическую решётку антиферромагнетика можно рассматривать в простейшем случае как совокупность двух пространственных решёток, как бы «вдвинутых» одна в другую. Каждую из таких решёток называют подрешёткой. Ориентация магнитных моментов в каждой подрешётке одинаковая у всех элементов подрешётки, а во «вдвинутых» друг в друга подрешётках — антипараллельная.

Каковы же свойства антиферромагнетиков? При низких температурах магнитная проницаемость этих веществ мала. С ростом температуры наблюдается увеличение значения магнитной проницаемости μ. Но есть определённая температура, при которой вещество теряет свои антиферромагнитные свойства и при более высокой температуре ведёт себя уже как обычный парамагнетик. Эта точка у антиферромагнетиков, аналогичная точке Кюри для ферромагнетиков, получила название точки Неля .

Антиферромагнетики трудно отличить от других магнитных веществ. Легче всего это сделать путём определения зависимости магнитной проницаемости вещества от температуры. Если у вещества есть максимум проницаемости при некоторой температуре, то это антиферромагнетик. Эта температура — точка Неля.

Большое практическое значение приобрели вещества, получившие название ферритов. Чтобы понять свойства феррита, представим себе кристалл, структура которого соответствует двум подрешеткам, причём эти подрешётки имеют магнитные моменты, различные по величине и противоположные по направлению. Полные компенсации магнитных моментов в этом случае не происходит. Такое вещество ведет себя подобно ферромагнетику, но с более сложной зависимостью намагниченности от температуры.

Ферриты представляют собой твёрдые растворы, состоящие из окиси железа и окиси одного или нескольких металлов. Получают их спеканием при температуре 900 — 1400°С мелкораздробленных и перемещённых окислов. Применяют их в основном в приборах, работающих на токах сверхвысоких частот, в тех случаях, когда надо понизить потери в сердечниках катушек. Ферриты — полупроводники, их удельное сопротивление значительно больше удельного сопротивления металлических ферромагнетиков. Магнитная проницаемость их достаточно велика.

VII Жидкие кристаллы .

Удивительный мир жидких кристаллов открылся глазами ученых сравнительно давно. Но за последние 15-20 лет произошёл огромный скачок в понимании природы жидкокристаллического состояния физических свойств этих веществ, их роли в современной науке и технике. И сейчас уже нет сомнений в том, что без этих материалов, разнообразных по своим свойствам, высокоэкономичных, сравнительно простых в изготовлении и применении, дальнейший научно-технический прогресс не может обойтись.

Самые первые сведения о таких веществах были сообщены в 1888 году австрийским ботаником Ф.Рейницером, который синтезировал необычные кристаллы. При их нагревании получалась жидкость, которая в зависимости от температуры была то мутной, то прозрачной, то приобретала синеватый цвет. Немецкий физик О.Леман начал систематическое изучение таких веществ и установил, что открыто особое состояние, присущее многим органическим соединениям. Жидкие кристаллы делятся на нематическую жидкость, холестерическую и смектическую жидкость.

7.1.Нематическая жидкость .

Жидкости сильно отличаются от газов и твёрдых кристаллов. Атомы или молекулы, из которых состоит жидкость, не могут разойтись на сколь угодно большое расстояние друг от друга. Это означает, что в жидкости очень важны силы притяжения между атомами или молекулами. То же самое можно сказать и о твёрдом кристалле, но в кристалле эти силы настолько велики, что атомы вынуждены занимать в нём определённые места, образуя трёхмерную кристаллическую решётку. В такой решётке всегда имеются выделенные направления, называемые осями кристалла. Вдоль этих направлений атомы располагаются в строго периодическом порядке. В обычной жидкости нет никаких выделенных направлений, она не обладает собственной формой, потому что молекулы жидкости не столь прочно связаны друг с другом и могут перемещаться в пространстве – перескакивать с места на место.

Таким образом, в текучей жидкости молекулы только в среднем находятся на некотором характерном расстоянии друг от друга. Ответ на вопрос, как взаимодействуют между собой молекулы и чему равно среднее расстояние а между ними, дает квантовая механика. Оказывается, что на больших расстояниях между молекулами их взаимодействие определяется силами притяжения, а на очень

малых расстояниях – силами отталкивания

Следовательно, молекулы не могут сблизиться на сколь угодно малое расстояние из-за очень больших сил отталкивания — в этом случае говорят, что молекулы не могут проникать друг в друга.

На расстоянии а, примерно равном размеру молекул, сила, взаимодействующая между молекулами, становится равной нулю.

Так устроена обычная жидкость, состоящая из относительно простых молекул или атомов. Однако нас поджидает замечательное открытие, если молекулы имеют ярко выраженную анизотропную форму, то есть если у молекул можно четко выделить какие-нибудь характерные оси.

рис.53

Такие молекулы схематически изображены на рис53. В них атомы располагаются не, как попало, а выстроены вдоль определённой линии (рис53а) или лежат в выделенной плоскости (рис53, б).

Взаимодействие молекул такой формы приводит к тому, что в жидком состоянии они не только удерживаются на некотором среднем расстоянии друг от друга, но могут сохранять определённый порядок в своём относительном расположении – длинные оси молекул (рис54а) или плоскости молекул (рис54б)

рис. 54

оказываются параллельными друг другу. В такой необычной жидкости появляется особое направление, как в твёрдом кристалле, вдоль которого ориентируются выделенные оси молекул. Это сходство между кристаллом и описанной удивительной жидкостью и провело к соединению двух понятий в одно новое – «жидкий кристалл». А жидкое состояние (рис54) называют нематическим жидким кристаллом. Название «нематичекий» образовано от греческого слова νήμά — нить. В жидких кристаллах под микроскопом видны тонкие подвижные нити, которые представляют собой дефекты структуры. В идеальном жидком кристалле таких нитей нет.

Рассмотрим теперь силы, действующие в нематической жидкости. Эти силы — электрического происхождения. Интересно, что сила притяжения возникает между двумя атомами или молекулами, которые сами по себе являются электрически нейтральными. Посмотрим, как это получается.

Представим себе, что по какой-то причине в атоме произошло смещение отрицательно заряжённого электронного облака относительно положительно заряжённого ядра. Такой атом можно рассматривать как совокупность двух разноименных точечных зарядов, одинаковых по абсолютной величине, находящихся на некотором расстоянии друг от друга (55а). Подобную систему зарядов называют электрическим диполем. В окрестности атома-диполя возникает электрическое поле. Напряжённость этого поля быстро убывает при удалении от атома, но вблизи атома поле достаточно велико. Если в окрестности атома I попадает нейтральный атом II (55б), то электрическое поле атома I должно сместить заряды электронов и ядра атома II (55б). Такое относительное смещение зарядов в атоме II должно в свою очередь, создавать электрическое поле, поддерживающее разделение зарядов в атоме I. Из рисунка 55 б видим, что разноименно заряжённые частицы атомов должны притягивать друг друга. При сближении атомов между ними начинают действовать силы отталкивания. На расстоянии, примерно равном размеру атомов, силы взаимодействия между атомами равны нулю. Точно такое же рассуждение мы можем провести и в отношении двух молекул, состоящих из нескольких десятков атомов. Нейтральные молекулы должны притягивать друг друга за счёт образования электрических диполей-атомов.

рис 55

Действительно, молекулы должны притягиваться. Но как? Ясно, что по описанным выше причинам большая часть атомов молекулы стремится оказаться вблизи атомов другой молекулы, так как только в этом случае силы взаимодействия между молекулами обращаются в нуль. Но такая ситуация возможна только тогда, когда длинные оси молекул параллельны друг другу. Таким образом, возникает определённый порядок в ориентации молекул и появляется выделенное направление. Это направление можно характеризовать единичным вектором (рис53,54).

Разумеется, такое параллельное расположение выделенных осей молекул возможно только при достаточно низкой температуре, когда тепловые толчки не настолько сильны, чтобы разрушить ориентационный порядок в системе молекул. При повышении температуры обязательно наступает момент, когда хаотическое тепловое движение молекул становится преобладающим и нематический порядок разрушается.

Таким образом, система таких особых молекул может иметь два состояния: обычное (изотропное) жидкое — при высоких температурах и анизотропное жидкое – при низких температурах. Подчеркнём, что нематический жидкий кристалл может быть действительно жидким, как вода, то есть центры масс молекул не образует в данном случае какую-то правильную решётку, как в кристалле, а располагаются хаотично в пространстве и могут в нём свободно перемещаться. В то же время ориентация молекул в этой жидкости подчиняется строгому порядку. Интересно, что нематическая жидкость, образуемая молекулами вытянутой формы известна уже много десятков лет, в то время как нематическая жидкость из дискообразных молекул открыта только в 1979-1980 года.

7.2.Холестерическая жидкость.

Структура холестерической жидкости во многом сходна с нематической, но имеет одно существенное отличие. Можно сказать, что холестерик обладает нематическим состоянием послойно, то есть состоит из стопки нематических слоёв(рис56а). но оси этих параллельных друг другу слоёв развёрнуты на некоторый угол, причём для двух соседних слоёв этот угол составляет малую величину α=0,5°. Расстояние между соседними слоями примерно равно поперечному размеру молекулы а. если двигаться вдоль оси Z, перпендикулярной плоскости слоёв, то через число слоёв N=π/а ориентация молекул станет такой же, как и в самом первом слое. Расстояние h=а*2π/а, через которое повторяется ориентация молекул в пространстве, представляет собой удвоенный период своеобразной решётки (рис56б). Величину h принято называть шагом спирали, которую образуют в пространстве концы молекул, лежащих в последовательных слоях.

Описанная периодическая решётка – её называют холестерической спиралью — удивительна тем, что чёткая периодичность в ней касается только ориентации молекул. В то же время в каждом нематическом слое молекулы могут свободно перемещаться, меняться местами; словом, холестерическая жидкость свободно течёт вдоль таких плоскостей, но спираль при этом почти не нарушается.

рис. 56

Молекулы могут перемещаться и из слоя в слой, поворачиваясь при этом на угол α, но это даётся им не так легко. Всё это и определяет особые свойства холестерической жидкости, схожие за свойствами твёрдого кристалла. Особенности структуры холестерической жидкости наиболее сильно проявляются при изменении температуры вещества, и при различных внешних воздействиях. Холестерическая спираль обладает яркими оптическими свойствами, чувствительна к малейшим повреждениям столь своеобразной решётки. Всё это вызвало громадный интерес к изучению и применению холестерических жидких кристаллов. Чем вызвана такая структура холестерика?

Объяснения заключается в особенности строения молекул, из которых состоят эти вещества. Молекулы холестерика — почти такие же, как в нематической жидкости, но имеют на своём конце небольшой отросток (рис57а). Этот отросток образуется обычно одним или несколькими атомами, которые выступают из основной плоскости, содержащей подавляющее большинство атомов молекулы. Симметрия молекулы нарушается из-за отростка и напоминает симметрию руки, которая бывает только правой и только левой.

Как сказывается такая форма молекул на ориентационном порядке жидкости? Подобные молекулы можно расположить параллельно друг другу в определённой плоскости, например в плоскости, в которойлежат сами молекулы. Именно эти плоскости и образуют отдельные слои холестерика (рис57б). А как могут быть «пристроены» друг к другу эти слои? Очевидно, что молекулы слоя 2 могут быть параллельны молекулам слоя 1, если слои расположены друг от друга на расстоянии, примерно равном высоте отростков. В этом случае отростки не мешают молекулам оставаться параллельными.

рис. 57

Если расстояние между слоями меньше высоты отростков, то векторы n1 и n2 не могут быть строго параллельны – мешают отростки. Поэтому между векторами n1 и n2 имеется малый угол α.

Таким образом, мы приходим к выводу, что несимметричные молекулы должны образовывать стопку нематических слоёв, причём от слоя к слою молекулы должны поворачиваться на определённый угол α. В зависимости от того, как изогнуты отростки отдельных молекул, холестерические спирали могут быть либо правыми, либо левыми.

7.3.Жидкие кристаллы-растворы.

Жидкокристаллическое состояние можно получить и при растворении подходящих веществ в растворителе, например в воде, который сам по себе не образует жидкий кристалл. При этом получается самые разные жидкие кристаллы. Если молекулы растворяемого вещества имеют форму стержня – получается нематическая жидкость; если у стержнеобразных молекул имеются отростки — холестерическая жидкость. Можно получить и более сложные состояния.

В таких жидких кристаллах важную роль играют не только силы притяжения между молекулами, но и силы отталкивания молекул на близких расстояниях. Роль сил отталкивания можно наглядно представить себе следующим образом. В большом объёме при высокой температуре молекулы, например стержнеобразные, не подчиняются никакому ориентационному порядку, то есть поворачиваются в пространстве как угодно. Но чтобы при всевозможных поворотах молекулы не мешали друг другу, надо каждой молекуле отвести в жидкости определённый объём. Этот объём представляет собой кубик с размером ребра, примерно равным длине молекулы l; в пределах такого кубика с объёмом l3 молекула действительно может быть ориентирована как угодно.

Поместим теперь тоже число молекул при той же температуре в меньший объём, то есть повысим плотность системы. В результате на каждую молекулу станет приходиться объём, меньший, чем l3. Как будут размещаться молекулы в этом случае? Естественно, они смогут разместиться в меньшем объёме, если не будут поворачиваться как угодно, задевая друг друга, а займут более или менее параллельные положения. Если размер поперечного сечения молекул а заметно меньше l и на каждую молекулу приходится объём ~а2 l, то все молекулы должны быть ориентированы одинаково, так как только в этом случае они не задевают друг друга. Но это может лишь произойти в случае очень высокой плотности. При средней плотности, когда на каждую молекулу приходится объём, меньший, чем l3, но больший чем а2 l, ориентационный порядок будет неполным, но заметным. И связан этот порядок с тем, что молекулы не могут из-за сильного отталкивания проникать друг в друга.

Плотность стержнеобразных молекул можно изменять без заметного изменения общего объёма жидкости, когда такие молекулы растворяются в каком-нибудь обычном растворителе, например в воде. Повышая содержание воды в соответствующем растворе, мы получаем обычную неориентированную жидкость. При очень малом же содержании растворителя образуется нематическая или холестерическая жидкость, в зависимости от деталей структуры молекул. Растворы полимерных молекул являются как раз нематическими жидкими кристаллами.

Работу клеток живого организма во многом определяют жидкие кристаллы-растворы, которые образуются из специальных молекул. Эти молекулы устроены более сложно. Их взаимодействие друг с другом и с молекулами растворителя характеризуются силами отталкивания и силами электростатического притяжения. Она состоит из небольшой головки (рис58а), представляющей собой электрический диполь, и длинного незаряжённого хвоста.

рис.58

Напомним, что молекулы воды — тоже электрические диполи. Противоположно заряжённые концы диполей притягиваются друг к другу, и поэтому молекулярные головки притягивают воду. В тоже время хвосты молекул химически устроены так, что они отталкивают воду, как молекулы жиров или воска.

7.4. Смектическая жидкость.

Строение особых молекул, описанных выше, объясняет большое разнообразие структуры жидких кристаллов-растворов. Например, при определённой концентрации таких молекул в воде могут получаться жидкие кристаллы, в которых молекулы не только одинаково ориентируется, но и образуют жесткую кристаллическую решетку. Только эта решетка лишь отчасти похожа на обычную решётку твёрдого тела, периодическую в трёх взаимно перпендикулярных направлениях. Таких направлений в особых жидких кристаллах может быть только два или даже одно.

На рисунке 58, б изображена стопка слоёв, образующихся при не очень малой концентрации молекул в воде. Хвосты молекул как бы «прячутся» от воды за оболочками из дипольных головок. Вода является прослойкой между двойными слоями молекул. Стопка таких слоёв образует кристаллическую решётку, периодическую только в одном направлении — вдоль оси Z. В этом направлении жесткость решётки почти такая же, как в твёрдом теле, в то время как в поперечных направлениях слои могут свободно скользить, то есть вдоль слоёв система ведёт себя как жидкость. Такая структура сродни мылу, поэтому такие жидкие кристаллы называются смектическими. Они похожи на холестерики своей слоистостью, но периоды решёток в этих двух случаях различны. В холестериках период составляет несколько тысяч ангстрем, а в смектиках — несколько десятков ангстрем (что соответствует длине молекулы).

При определенной концентрации раствора возникает кристаллическая решётка, периодическая в двух направлениях. При этом дипольные молекулы собираются в жидкие столбики или «нити», которые и образуют такую решётку, похожую на стопку карандашей (рис59, а). Подобные отчасти твёрдые кристаллы существуют не только в растворах. Ими могут быть и отдельные вещества, изменяющие своё состояние при изменении температуры. При этом обычно с понижением температуры состояния меняются в такой последовательности: обыкновенная жидкость – нематическая жидкость или холестерик — смектик — твёрдый кристалл. Долгое время не находили жидкокристаллических веществ с решётками, периодическими в двух направлениях, но недавно были обнаружены и они.

На рис 59, б такая решётка, образованная жидкими столбиками дискообразных молекул. Интересно, что в последнем случае существует и ориентационный порядок: плоскости дисков в столбике параллельны друг другу, хотя центры дисков располагаются хаотически вдоль оси жидкого столбика.

рис. 59

7.5.Эффект Фредерикса .

Наибольшее впечатление производят оптические свойства жидких кристаллов, сделавшие эти объекты столь популярными. В жидких кристаллах направление оптических осей можно изменять с помощью самых разных воздействий, в том числе электрическими или магнитными полями. Эффект изменения направления ориентации молекул в нематической жидкости под действием поля наблюдался ещё в предвоенные годы известным советским учёным В.Фредериксом и носит теперь его имя. Пользуясь популярными сейчас электронными часами и калькуляторами на жидких кристаллах, вы наблюдаете это явление — эффект Фредерикса.

Прежде чем описать эффект Фредерикса, необходимо напомним, что такое поляризованный свет. В луче поляризованного света вектор напряжённости электрического поля Е колеблется вдоль единственного направления. Обычный естественный свет не имеет такой определённой поляризации, так как он состоит из всевозможных волн, каждая из которых имеет произвольное направление колебаний вектора Е, а все вместе они составляют неполяризованный световой пучок. Особые кристаллы – поляризаторы — преобразуют неполяризованный свет в линейно поляризованный, поскольку они могут пропускать сквозь себя только волны, в которых вектор Е ориентирован совершенно определённо по отношению к оптической оси поляризатора. Например, кристалл турмалина пропускает сквозь себя лишь свет, поляризованный вдоль оптической оси этого кристалла, в то время как волны с перпендикулярной поляризацией им сильно поглощаются.

Если на пути светового пучка расположить два поляризатора, оси которых параллельны, то свет пройдёт сквозь оптическую систему, показанную на рис60а, а если оси поляризаторов скрещены, то свет сквозь эту систему пройти не сможет (рис60б).

рис.60

Поместим теперь между двумя скрещёнными поляризаторами два стекла, а между ними — нематическую жидкость, предварительно слегка пополировав стекла вдоль определённого направления. Такая полировка стёкол нужна для того, чтобы сориентировать в заданном направлении оптическую ось жидкого кристалла (n). Например, при параллельной полировке стёкол молекулы, прилипшие к стёклам параллельно микробороздам на стеклянной поверхности, задают благодаря описанным межмолекулярным взаимодействиям такую же ориентацию вектора n и в глубине слоя нематической жидкости (рис61а). Если неполированные стёкла предварительно обработать специальными химическими веществами, то можно добиться ориентации оси n перпендикулярно стеклянной поверхности (рис61б).

Наконец, если полированные стёкла развернуть перпендикулярно друг другу, то можно получить закрученную по толщине слоя ориентацию вектора n (рис61в).

Как же проходит поляризованный свет сквозь ориентированный слой нематической жидкости и сквозь изображённые оптические системы вообще? Если поляризация света параллельна оси n, то свет проходит сквозь жидкий кристалл, не изменяя своей поляризации (61а). То же происходит и в случае, если поляризация света перпендикулярна оптической оси (рис61б). В случае закрученной ориентации n поляризация света также поворачивается вслед за осью n (рис61в).

Что же происходит в слое жидкого кристалла при прохождении через него света? В жидком кристалле, поле проходящей световой волны приводит к разделению зарядов в молекулах и возникновению дипольных колебаний.

Предположим, что в молекуле кристалла электроны легко смещаются вдоль длинной оси молекулы, то есть вдоль направления n. Тогда в случае, изображённом на рисунке 61а, по толщине слоя распространяются падающая волна и вторичные волны, причём векторы Е в волнах совпадают по направлению. В случае, изображённом на рисунке 61б диполи не образуются и вторичные волны не излучаются; значит, падающая волна проходит, не ослабляясь. Наконец, в случае 61в поляризация света изменяет своё направление в соответствии с поворотом оптической оси n по толщине слоя. Поворот вектора Е в такт с осью n обеспечивает излучение вторичных волн, не ослабляемое на любой глубине слоя. (это интерференционное явление возможно тогда, когда на пути светового луча находятся многочисленные диполи — источники вторичных волн, то есть когда толщина слоя намного больше длины волны света).

Так свет проходит сквозь слой нематической жидкости и доходит до второго поляризатора. И здесь возникает уже знакомая нам ситуация. В случаях а и б (рис61) свет сквозь оптическую систему пройти не может, а в случае в (рис61) он проходит беспрепятственно. А теперь представим себе промежуточный случай, когда оси n на стенках скрещены между собой, но в толще слоя, благодаря какому-то воздействию, они повернулись почти перпендикулярно стёклам. В этой ситуации свет практически не проходит сквозь второй поляризатор. Остался ещё один шаг до массового применения подобной системы. Надо научится управлять оптической осью нематической жидкости так, чтобы в отсутствии воздействия эта ось ориентировалась, как на рисунке 61в, а при включении воздействия она наклонялась на заметный угол, как на рисунках 61, б и г. После выключения воздействия, молекулы занимают свои прежние позиции, вследствие условий на стеклянных поверхностях и взаимодействий между собой.

Оказалось, что именно в нематическом жидком кристалле это очень просто сделать с помощью электрического поля, заключив слой между полированными стёклами, на которые нанесены прозрачные электроды.

рис.61

Подключив к этим электродам слабенькую батарейку и замкнув цепь, мы сделаем нашу оптическую систему светонепроницаемой, а разомкнув цепь – прозрачной, что и осуществил впервые Фредерикс.

Почему электрическое поле поворачивает молекулы так, как нам нужно, и сколь сильным оно при этом должно быть?

Ответ на первую часть вопроса легко дать с помощью рисунка 62.

Пусть молекула, у которой диполь легко образуется вдоль длинной оси, находится в электрическом поле и между векторами Е и n имеется некоторый угол. Тогда в образовавшемся диполе на заряды +Q и –Q действуют силы F+ =+QE и F- = -QE; таким образом, возникает пара сил, создающая крутящий момент.

Этот момент сил и поворачивает молекулу так, чтобы она своей длинной осью ориентировалась вдоль вектора Е.

рис.62

Здесь важно заметить, что на самом деле необходимо повернуть одновременно очень большое число таких молекул, но при этом нет необходимости поворачивать каждую молекулу в отдельности. Поскольку молекулы, взаимодействующие между собой, ориентированы одинаково, то достаточно толкнуть одну, чтобы другие дружно повернулись вслед за первой. Поэтому для осуществления описанного эффекта необходимое некоторое конечное значение разности потенциалов на электродах – пороговое напряжение. Это пороговое значение определяется из условия равенства моментов двух сил: силы, действующие со стороны электрического поля, и возвращающей силы взаимодействия между молекулами, которая стремится ориентировать молекулы так, как сориентированы молекулы, прилипшие к стеклу. Оказывается, что независимо от толщины слоя, пороговое напряжение может составлять доли вольта, причём толщина слоёв составляет сотую долю миллиметра. Это во много раз меньше, чем требуется для получения таких же оптических эффектов в твёрдых кристаллах, что и обусловило громадный практический интерес к жидким кристаллам при создании циферблатов всевозможных типов.

7.6.Избирательное отражение света холестериками

Важнейший оптический эффект, наблюдаемый в холестерической жидкости, заключается в избирательном отражении света слоем холестерика. Холестерические плоскости, как и обычные кристаллические плоскости, могут отражать падающие на них волны. Волны, отражённые разными плоскостями, могут при интерференции, и ослаблять, и усиливать друг друга. Если свет падает перпендикулярно плоскостям, то условие усиления таково: между соседними эквивалентными плоскостями должно укладываться строго пол волны падающего света. Мы хотим, чтобы колебания, отражённых от первой и второй плоскостей, проходили в одинаковых фазах, то есть значение электрического поля Е в каждой точке и в любое время были одинаковы. При этом амплитуда Ео обеих волн складываются — происходит усиления света. Так будет если волна 2 (рис64, б), вошедшая в кристалл, на пути от первой ко второй плоскости и обратно отстанет от волны 1 ровно на длину волны λ. Но в холестерике такие плоскости находятся на расстоянии h/2 друг от друга. Поэтому условие усиления в данном случае есть h/2=λ/2, или h=λ.

Свойство холестерика отражать свет с избранной длинной волны (h=λ) обуславливает соответствующую окраску вещества, которая зависит от шага холестерической спирали. А шаг спирали очень сильно зависит от температуры. Обычно вещество при высокой температуре (в изотропном состоянии) бесцветно, затем, в момент перехода в холестерик (при меньшей температуре), синеет и при дальнейшем понижении температуры последовательно приобретает все цвета спектра, от синего до красного. Это означает, что по мере охлаждения холестерической жидкости шаг спирали увеличивается, а при нагревании — уменьшается. Такое поведение холестерической спирали нетрудно объяснить.

В силу особенностей взаимодействия молекул с отростками оси n1 и n2 не могут образовать между собой слишком малый угол. Но с повышением температуры в результате тепловых колебаний молекул в каждом нематическом слое увеличивается разброс молекулярных ориентаций относительно выделенного направления n. Оси отдельных молекул в нематическом слое оказываются не параллельными выделенному направлению n. Поэтому при нагревании угол между осями n1 и n2 соседних слоёв должен увеличиваться, чтобы тепловые колебания не приводили к критическому угловому сближению молекул. Увеличение угла α, характеризующего закручивание осей n в пространстве, и вызывает уменьшение шага холестерической спирали по мере увеличения температуры.

Выше описанное явление лежит в основе широкого применения холестериков в качестве простых и эффективных термоиндикаторов для медицинской диагностики, отыскания повреждений в сложных электронных схемах, контроля температурного поля в лопатках турбин и т. п. Сейчас синтезированы холестерические вещества, в которых весь спектр цветов, от красного до синего, наблюдается при изменении температуры всего на 0,01 градуса, что говорит о большой чувствительности устройств на их основе. Шаг холестерической спирали также очень чувствителен к содержанию примесей в холестерике, и поэтому эти вещества могут служить надёжными индикаторами загрязнений в атмосфере.

Нематические жидкости нашли широкое применение и в совсем другом плане. Оказывается, полимерные нити, получаемые из хорошо ориентированного нематического раствора полимерных молекул, приобретают огромную прочность. Это объясняется тем, что в таких нитях практически все молекулы хорошо «подогнаны» друг к другу, то есть их главные оси параллельны между собой, а это многократно усиливает межмолекулярные сцепления. Такие полимерные нити служат прекрасным средством упрочнения самых ответственных узлов в механизмах, машинах и аэрокосмических конструкциях, работающие при очень высоких температурах и нагрузках.

7.7 Оптические свойства.

В 1669 году ученый Э.Бартолин сообщил о своих опытах с необычными прозрачными кристаллами, привозимыми моряками из Исландии. Он обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча. Так было обнаружено явление двойного лучепреломления. Через 20 лет Х. Гюйгенс исследовал свойства исландского шпата и дал объяснение этого явления на основе волновой теории света. Он вёл понятие оптической оси кристалла, превращение вокруг которой отсутствует анизотропия. Дальнейшие исследования Гюйгенса подвели к открытию явления поляризации света. Французские физики Э.Маллюса-Брюсса в 1808 году, опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона ввели понятия – поляризованный свет. Для исследования электромагнитной волны с определённой волной используют поляризатор. В их роли выступает тот же кристалл исландского шпата или турмалина.

Для исследования строения кристаллов используют явления дифракции рентгеновских лучей и нейтронов. Длина волны рентгеновского излучения соизмерима с межатомными. Если на кристалл направить рентгеновские лучи, то возникнет дифракционная картина, которую в 1912 году наблюдал Лауэ.

VIII. ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Проведём эксперимент по выращиванию кристаллов из пересыщенного раствора путём охлаждения зимой.

Приготовим насыщенный раствор, и в домашних условиях будем выращивать кристалл из каменной соли:

1. Нагреем воду до кипения и выльем 1 литр воды в ёмкость и растворим 2 кг соли.

2. Отфильтруем раствор.

3. Остудим раствор до комнатной температуры(15°С), где после остывания будет находиться 100 г избыточного количества соли.

4. Из соли выберем самый большой и прозрачный кристалл, прикрепим к искусственной ёлке.

5. Опустим эту ёлочку в наш раствор. И исследуем.

Рассмотрим такую таблицу:

Теперь проведём такой же опыт летом с медным купоросом. 200мл воды добавим 350г медного купороса. При температуре 25°С кристалл вырос за сутки.

Можем сделать вывод, что растворимость любах веществ зависит от температуры. Растворимость с повышением температуры увеличивается, а с понижением – уменьшается.

Но так как эти опыты проводились в лабораторных условиях, то кристаллики были с дефектами. Для создания более совершенных кристаллов, необходимо обеспечить другие условия, такие как: повышенную температуру, определённую влажность и давление.

КРИСТАЛЛЫ В ЖИЗНИ

Оптика. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Диэлектрики. Один из способов контроля ответственных деталей механизмов и машин – ультразвуковая дефектоскопия. Главный элемент УЗД дефектоскопа – кварцевая пластинка. Отраженная дефектом звуковая волна создает переменное электрическое поле (Эффект Холла). Пьезоэлектрический эффект в сильной степени проявляется в кристаллах титана, свинца, его производных. Такие кристаллы – основа пьезоэлектрических микрофонов и телефонов. Они преобразуют давление в электродвижущую силу в манометрах, служат для стабилизации частоты радиопередатчиков, измерения механических напряжений и вибраций.

Сегнетоэлектрики. Кристаллические вещества, обладающие уникальными свойствами, например, способностью к самопроизвольной электрической поляризации, которая может возникать даже в отсутствии внешнего поля. Впервые это свойство было обнаружено И.В. Курчатовым и П.П.Кобяко при исследовании кристаллов сегнетовой соли (NaKC4 h5 O6 *4h3 О). Сегнетоэлектрики характеризуются анизотропией. Температура, ограничивающая область сегнетоэлектрических свойств – точка Кюри. Причина таких свойств сегнетоэлектриков – взаимодействие входящих в них кристаллы молекул приводит к самопроизвольной поляризации диэлектриков. Важное практическое значение — емкость конденсатора пропорциональна ε диэлектрика, помещенного между обкладками. Поэтому используя диэлектрик с большой ε можно получить малогабаритные конденсаторы. В технике применяют сегнетоэлектрические конденсаторы на основе титаната бария, у которого точка Кюри примерно 133°С, диэлектрическая проницаемость ε примерно равна 6000 – 7000.

Полупроводниковые кристаллы позволяют создавать сложные электронные полупроводниковые приборы, интегральные схемы. Новая область техники называют твердотельной электроникой.

Лазерная технология. В 1955 году Басов, Прохоров, Таунсон (США) создают генератор квантов электромагнитного излучения (мазер) сантиметрового диапазона. А в 1960г. Мейманом запущен первый генератор оптического диапазона. Важнейшую роль в получении лазерного луча играл кристалл рубина (Al2 O3 ) с добавкой хрома. Лазеры нашли широкое применение в промышленности для различных видов обработки материалов, сверление отверстий, сварки тонких изделий. Основная область применения маломощных импульсных лазеров с микроэлектроникой, в электровакуумной промышленности, машиностроении, медицине.

В настоящее время электронная промышленность предъявляет к (германию, кремнию, антимонид индию, антимонид галлию, арсенид галлию, гранатам, лейкосапфирам) материалам очень высокие требования: необходимо монокристаллы с малой радиальной и осевой неоднородностью распределение легирующей примеси с плотностью дислокаций. Производство подобных материалов в наземных условиях затрудняется из-за неконтролируемого характера гравитационной конвекции, температурных напряжений, влияния стенок тигля. Именно поэтому мы можем ждать существенного улучшения свойств кристаллов при их выращивании в невесомости.

Для проведения технологических экспериментов с материалами в космосе созданы специальные электронагревательные установки.

Список литературы

1.Банн Ч.Кристалл. Их роль в природе и науке.-М.,1970г.

2.Вейль Г.Симметрия.-М.,1968г.

3.Шубников А.В. и Парвов В.Ф. Зарождение и рост кристаллов.-М.,1999г.

4.Китайгородский А.И. и Федин Э.И. Атомное строение и свойства твёрдых тел.-М.,1963г.

5.Даниленко В.М. Что такое твёрдое тело?-Киев,1983г.

6.Холден А. Что такое ФТТ. Основы современной физики твёрдого тела.-М.,1971г.

7.Ходаков Ю.В.Архитектура кристаллов.-М.,1980г.

8.Детлаф А.А.Курс физики.-М.,1973г.

9.Бушманов Б.Н., Хромов Ю.А. Физики твёрдого тела.-М.,1971г.

10.Вайнберг Д.В., Писаренко Г.С.Механические колебания и их роль в технике-М.,1977г.

11.Уэрт Ч., Томсон Р.Физика твёрдого тела.-М.,1989г.

12.Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М.Фейнмановские лекции по физике.-М.,1966г.

13.Киренский Л.В.Магнетизм.-М.,1992г.

14.Карцев В.П. Магнит за три тысячилетия.-М.,1968г.

15.Вонсовский С.В. Мегнетизм.Современные представления.-М.,1993г.

16.Кабардин О.Ф. Факультативный курс физики.-М.,1974г.

17.Пикин С. Жидкие кристаллы.-М.,1981г.

18.Галиулин Р.В. Как устроены кристаллы.-М.,1983г.

19.Брук Ю.М., ГеллерБ.И. Белые карлики-кристаллические звезды.-М.,1987г.

20.Осипьян Ю.Я., Никитенко В.И. Дислокационная физика твердого тела.-М.,1985г.

www.ronl.ru

Реферат - Мир кристаллов - Неорганическая химия

Введение 1. Мир кристаллов. 1.1. Кристаллы льда и снега. 1.2. Кристаллы в облаках. 2. Признаки жизни кристалла. 2.1. Нулевые колебания. 3. Физические свойства кристаллов. 3.1. Что такое изотропия и анизотропия? 4. Заселение кристалла дефектами. 5. Жидкие кристаллы и ультразвук. 6. Заключение. 7. Библиографический список. 8. 9. Библиографический список.

Бемеловский В.Д. «Эти удивительные жидкие кристаллы». Волькенштейн Ф.Ф. «Атомы, блуждающие по кристаллу». Гегузан Я.Е. «Живой кристалл». Пикин С.А. «Жидкие кристаллы»

3. Физические свойства кристаллов.

Для кристалла данного класса можно указать симметрию его свойств. Так кубические кристаллы изотропны в отношении прохождения света, электро и теплопроводности, теплового расширения, но они анизотропные в отношении упругих, электрооптических свойств. Наиболее анизотропные кристаллы низких сингоний. Все свойства кристаллов связаны между собой и обусловлены атомно - кристаллической структурой, силами связи между атомами и энергетическим спектром электронов. Некоторые свойства, например: электрические, магнитные и оптические существенно зависят от распределения электронов по уровням энергии. Многие свойства кристаллов решающим образом зависят не только от симметрии, но и от количества дефектов (прочность, пластичность, окраска и другие свойства).

3.1. Что такое изотропия и анизотропия?

Изотропия (от греческого isos – равный, одинаковый и tropos – поворот, направление) независимость свойств среды от направления. Анизотропия (от греческого anisos – неравный и tropos – направление) зависимость свойств вещества от направления.

Введение. Люди, посвящающие свою жизнь кристаллу, часто воспринимают его живым. Во всяком случае, они говорят о нём как о живом существе. Металловеды говорят об усталости металлического кристалла, о его старении, способности отдыхать, издавать звуки. Геологи говорят о памяти минерала, о его способности разумно приспосабливаться к внешним условиям. Учёные не заблуждаются по поводу умения кристалла толково рассказывать свою биографию или обнаруживать эмоции, но атмосфера личного отношения с природой придаёт поиску необходимую для них романтическую окраску. Жидким кристаллам не повезло. Хотя их открытие совпало с моментом, когда закладывался фундамент здания современной физики, но только сейчас, приподнимая это здание за угол, пытаются поставить жидкие кристаллы на своё законное место. А их место именно в фундаменте! Ведь за всю историю, с глубокой древности до наших дней, человеку не удавалось выйти за пределы трёх понятий, описывающих, казалось бы, все состояния материи: газ, жидкое и твёрдое тело. Заслуга великого немецкого учёного заключалась в том, что он усмотрел главный принцип развития: в единстве и борьбе противоположных начал. Спустя столетия человек с большим трудом признал, что электрон – это частица и волна одновременно, что масса и энергия едины, что свойства кристалла и жидкости могут совместиться в одном веществе – жидком кристалле. Вместе с появлением электронных приборов с жидко кристаллическим табло и циферблатными (часы, калькуляторы, электронные словари и т.д.), наступил реносанс в физике и химии жидких кристаллов. Активно исследуется их строение, во всех аспектах изучается тягучесть, создаются новые вещества, в которых открывается множество необычных явлений, вызванных действием внешних сил (электрического поля и т.д.) Наше глубокое убеждение состоит в том, что как в науке о жидких кристаллах, так и в технических аспектах, связанных с их применением, мы стоим лишь в начале пути. И камень, случайно выкатившийся из фундамента физики, будет поставлен на своё место.

2. Признаки жизни кристалла.

Жизнь кристаллов многокрасочна и не всеми красками каждый кристалл обязан отсвечивать. Иные признаки жизни, вообще говоря, могут и не обнаруживаться в кристалле по причине простой и очень уважительной: эти признаки ему не свойственны. Существуют, однако, непременные признаки, которых не быть в кристалле не может. Во-первых, если кристаллы находятся при некоторой конечной температуре, составляющие его атомы или молекулы обязаны совершать тепловые колебания. Лучше скажем так: они обязаны участвовать в комбинированном колебательном движении всего ансамбля атомом, образующих кристалл. Интенсивность этого движения растёт с температурой. Во-вторых, атомы обязаны принимать участие ещё в иных колебания, интенсивность которых от температуры не зависит. В- третьих, атомы в кристалле, подчиняясь законам термодинамики, обязаны блуждать по решётке, иногда меняя временные позиции осёдлости. Попросту говоря, они обязаны диффундировать. И, в-четвёртых, все электроны, имеющиеся в кристалле, обязаны непрерывно двигаться. Люди разгадали те законы природы, которым подчиняются кристаллы, обнаруживая различные «признаки жизни». Мы должны восхищаться мудростью и проницательностью людей, разгадавших эти законы.

2.1. Нулевые колебания. В начале о термине «нулевые колебания». Речь идет о тех колебаниях атомов кристаллической решетки, которые происходят тогда, когда температура кристалла становится равной нулю. Они происходят и при иной, более высокой температуре, одновременно с обычными, классическими колебаниями, которые при нулевой температуре замереть. Классические – замирающие, а нулевые или квантовые, остаются в чистом виде. Они не чувствительны к температуре! Они неуничтожимы! Они – непременный признак жизни кристалла. И так, один из неприятных признаков жизни кристалла – нулевые колебания составляющих его атомов. Нам живущим в мире «нормальных условий» и «классических» проявлений законов природы, легко воспринять факт существования тепловых колебаний: более высокая температура колебания активнее, при определённой температуре колебания могут стать настолько активными, что кристалл расплавится. Нулевые колебания себя обнаруживают во многих физических явлениях, главным образом в так называемых «квантовых кристаллах», у которых амплитуда нулевых колебаний велика. Это – кристаллы, для которых характерна малая энергия связи, и существуют они в области низких температур. Благодаря активным нулевым колебаниям, эти кристаллы обладают аномальными механическими свойствами. А недавно физики обнаружили, что в кристаллах изотопов Гелия вблизи, происходит так называемая «квантовая диффузия», при которой коэффициент диффузии растёт с понижением температуры. Удивительно? Удивительно, но факт!

1. Мир кристаллов.

Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, создам приборы и изделия из кристаллов; проникаем в тайны строения кристаллов. Что же такое кристалл? Кристаллом называется тело, обладающее периодической атомной молекулярной или ионной структурой. 1.1. Кристаллы льда и снега. Кристаллы замерзающей воды, то есть лёд и снег, известны всем. Эти кристаллы почти полгода покрывают необозримые пространства Земли, лежат на вершинах гор и сползают с них ледниками, плавают айсбергами в океанах. Ледяной покров реки, массив ледника или айсберга – это, конечно, не один большой кристалл. Плотная масса льда обычно поликристаллическая, то есть состоит из множества отдельных кристаллов; их не всегда различишь, потому что они мелкие и все срослись вместе. Иногда эти кристаллы можно различить в тающем льду. Каждый отдельный кристаллик льда, каждая снежинка, хрупка и мала. Часто говорят, что снег падает, как пух. Но даже это сравнение, можно сказать, слишком «тяжёлое»: снежинка гораздо легче, чем пушинка. Десяток тысяч снежинок составляют вес одной копейки. Но, соединяясь в огромных количествах вместе, снежные кристаллы могут остановить поезд, образовав снежные завалы.

1.2. Кристаллы в облаках.

Кристаллики льда могут в несколько минут погубить самолёт. Обледенение – страшный враг самолётов – тоже результат роста кристаллов. Здесь мы имеем дело с ростом кристаллов из переохлаждённых паров. В верхних слоях атмосферы, водяные пары или капли воды, могут долго сохранятся в переохлаждённом состоянии. Переохлаждение в облаках доходит до - 30 ?с. Но как только в эти переохлаждённые облака врывается летящий самолет, тотчас же начинается бурная кристаллизация. Мгновенно самолет оказывается облепленным грудой, быстро растущих кристаллов льда.

4. Заселение кристалла дефектами.

Кристаллы заселён множеством различных дефектов. Дефекты как бы оживляют кристалл. Благодаря наличию дефектов, кристалл обнаруживает «память» о событиях, участником которых он стал или когда был, дефекты помогают кристаллу «приспосабливаться» к окружающей среде. Дефекты качественно меняют свойства кристаллов. Даже в очень малых количествах, дефекты сильно влияют на те физические свойства, которые совсем или почти отсутствуют в идеальном кристалле, являясь, как правило, «энергетически выгодными», дефекты создают вокруг себя области повышенной физико-химической активности. 1. Решеточные дефекты: Решеточные дефекты подразделяются на вакансии, атомы внедрения и примесные атомы. Вакансией называется незанятый частицей узел кристаллической структуры. Если пустой узел образуется в результате удаления частицы из объёма кристалла на его поверхность, то вакансия называется - дефектом по Шоттки. Дефекты по Шоттки снижают плотность вещества в кристалле. Они чаще встречаются в кристаллах с достаточно плотной упаковкой частиц близких размеров. В этих случаях в междоузлиях кристаллической структуры нет места для лишних частиц. Если частица перемещается из узла в междоузлие, то такое нарушение правильности решётки называется дефектом по Френкелю. Дефекты по Френкелю на величину плотности практически не влияют. Дефекты по Френкелю, наоборот, свойственны кристаллам с неплотными упаковками и частицами по своим размерам. 2. Одномерные дефекты: Одномерные дефекты кристаллической решетки называются дислокациями. Дислокации нарушают правильное чередование кристаллических плоскостей. Во многих кристаллах, особенно металлических, дислокации сравнительно легко перемещаются и размножаются.

3. Двумерные дефекты: Двумерные дефекты образуются границами кристалла. Границы нарушают периодичность строения кристалла. Одним из важных дефектов кристаллической структуры, является внешняя поверхность твердых тел. Во-первых, именно через поверхность кристалл взаимодействует со своим окружением. Во-вторых, частицы на поверхности связаны с решеткой значительно слабее, чем частицы, находящиеся в объёме.

5. Жидкие кристаллы и ультразвук.

До сих пор мы рассматривали не свойства жидких кристаллов, которые сегодня нашли воплощение в технических устройствах. Однако, как не эффективны сегодняшние применения холестеринов, нематиков, смектиков, перспективы их использования ещё более удивительны. Многообразие мезоморфного состояния вещества позволяет предположить, что жидкие кристаллы завтра вторгнутся в самые различные области деятельности человека. Сейчас мы кратко рассмотрим, как взаимодействуют между собой ультразвук и жидкие кристаллы. Попадающая на жидкий кристалл звуковая волна, приводит к изменению направления де ректора, что в свою очередь изменяет оптические свойства. Это означает, что жидкие кристаллы способны делать видимые звуковые колебания. Эти колебания создают периодические сдвиговые деформации слоя жидкого тематического кристалла, меняя интенсивность проходящего паиризованного света. Жидкий кристалл отделяет ещё одно интересное применение. Медики и физики уже давно изыскивают возможности наблюдения внутренних органов человека, не подвергая его действию рентгеновского излучения. Идея замены рентгеновского излучения ультразвуком возникла довольно давно. Идея заманчива, ведь ультразвук для человеческого организма совершенно безвреден. Однако, всё упиралось в трудности с регистрацией ультразвукового потока, прошедшего тела пациента. И вот тут жидкие кристаллы робко предложили свою помощь. Жидкие смектические кристаллы оказались чувствительными к ультразвуку. При этом как уже отмечали, нарушается молекулярная упаковка смектика, и оптическая картина этих нарушений позволяет судить о состоянии внутренних органов человека. Исследования, которые позволят увеличить чувствительность смектиков к ультразвуку, только начинаются.

6. Заключение.

Повествование о живом и не умирающем не может быть завершено, его можно лишь оборвать. Именно это я и вынуждена сделать, рассказав о «живом жидком кристалле» лишь малую толику из того, что о нём известно. Я попыталась рассказать о том, что такое кристаллы, каковы их свойства, возможные применения. Жидкие кристаллы, ещё далеко, далеко не распознаны. Нет пока теории, которая бы смогла учить и объяснять все макроскопические свойства. Ещё не все аналоги твердых кристаллических эфектов в жидких кристаллах обнаружены. Биологи только нащупывают подходы к изучению жидкокристаллического состояния биологических объектов. Словом «белых пятен» на кристаллической копии пока больше, чем исследованных. Эти «белые пятна» ждут своих первооткрывателей. В развитии каждой отрасли науки, если периоды открытий, забвений, взлета не является исключением наука о кристаллах. И если период забвения закончился, то взлёта кристаллы, видимо, не достигли. Если вначале взлёта присутствовали элементы восторга, бума, то теперь пришло время оглянуться и поразмыслить.

www.ronl.ru

Реферат - Кристаллы и их свойства

Лицей современных технологий управления

Реферат по физике

Кристаллы и их свойства

Выполнил:

Проверил:

Пенза 2001

Введение

Кристаллические тела являются одой из разновидностей минералов.

Кристаллическими называют твердые тела, физические свойства которых не одинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях.

Семейство кристаллических тел состоит из двух групп — монокристаллов и поликристаллов. Первые иногда обладают геометрически правильной внешней формой, а вторые, подобно аморфным телам, не имеют присущей данному веществу определенной формы. Но в отличие от аморфных тел структура поликристаллов неоднородна, зерниста. Они представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов — кристаллитов. Поликристаллическую структуру чугуна, например, можно обнаружить, если рассмотреть с помощью лупы образец на изломе.

По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.

Строение кристаллов

Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством — какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же — 120°.

Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах — кристаллографии.

Измерение углов между гранями кристаллов имеет очень большое практическое значение, так как по результатам этих измерений во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала. Простейшим прибором для измерения углов кристаллов является прикладной гониометр. Применение прикладного гониометра возможно только для исследования крупных кристаллов, невелика и точность измерений, выполненных с его помощью. Различить, например, кристаллы кальцита и селитры, сход­ные по форме и имеющие углы между соответственными гранями, равные 101° 55' первого и 102°41,5' у второго, с помощью прикладного гониометра очень трудно. Поэтому в лабораторных условиях измерений углов между гранями кристалла обычно выполняют с помощью более сложных и точных приборов.

Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.

Существует несколько способов, позволяющих узнать, является ли твердое тело кристаллом. Самый простой из них, но очень малопригодный для использования, был открыт в результате случайного наблюдения в конце XVIII в. Французский ученый Ренне Гаюи нечаянно уронил один из кристаллов своей коллекции. Рассмотрев осколки кристалла, он заметил, что многие из них представляют собой уменьшенные копии исходного образца.

Замечательное свойство многих кристаллов давать при дроблении осколки, подобные по форме исходному кристаллу, позволило Гаюи высказать гипотезу, что все кристаллы состоят из плотно уложенных рядами маленьких, невидимых в микроскоп, частиц, имеющих присущую данному веществу правильную геометрическую форму. Многообразие геометрических форм Гаюи объяснил не только различной формой «кирпичиков», из которых они состоят, но и различными способами их укладки.

Гипотеза Гаюи правильно отразила сущность явления — упорядоченное и плотное расположение структурных элементов кристаллов, но она не ответила на целый ряд важнейших вопросов. Существует ли предел сохранению формы? Если существует, то что представляет собой самый маленький «кирпичик»? Имеют ли атомы и молекулы вещества форму многогранников?

Еще в XVIII в. английский ученый Роберт Гук и голландский ученый Христиан Гюйгенс обратили внимание на возможность построения правильных многогранников из плотно укладываемых шаров. Они предположили, что кристаллы построены из шарообразных частиц — атомов или молекул. Внешние формы кристаллов согласно этой гипотезе являются следствием особенностей плотной упаковки атомов или молекул. Независимо от них к такому же выводу пришел в 1748 г. великий русский ученый М. В. Ломоносов.

При плотнейшей укладке шаров в один плоский слой каждый шар оказывается окруженным шестью другими шарами, центры которых образуют правильный шестиугольник. Если укладку второго слоя вести по лункам между шарами первого слоя, то второй слой окажется таким же, как и первый, только смещенным относительно него в пространстве.

Укладка третьего слоя шаров может быть осуществлена двумя способами (рис.1). В первом способе шары третьего слоя укладываются в лунки, находящиеся точно над шарами первого слоя, и третий слой оказывается точной копией первого. При последующем повторении укладки слоев этим способом получается структура, называемая гексагональной плотноупакованной структурой. Во втором способе шары третьего слоя укладываются в лунки, не находящиеся точно над шарами первого слоя. При этом способе упаковки получается структура, называемая кубической плотноупакованной структурой. Обе упаковки дают степень заполнения объема 74%. Никакой другой способ расположения шаров в пространстве при отсутствии их деформации большей степени заполнения объема не дает.

При укладке шаров ряд за рядом способом гексагональной плотной упаковки можно получить правильную шестигранную призму, второй способ упаковки ведет к возможности построения куба из шаров.

Если при построении кристаллов из атомов или молекул действует принцип плотной упаковки, то, казалось бы, в природе должны встречаться кристаллы только в виде шестигранных призм и кубов. Кристаллы такой формы действительно очень распространены. Гексагональный плотной упаковке атомов соответствует, например, форма кристаллов цинка, магния, кадмия. Кубической плотной упаковке соответствует форма кристаллов меди, алюминия, серебра, золота и ряда других металлов.

Но этими двумя формами многообразие мира кристаллов вовсе не ограничивается.

Существование форм кристаллов, не соответствующих принципу плотнейшей упаковки равновеликих шаров, может иметь разные причины.

Во-первых, кристалл может быть построен с соблюдением принципа плотной упаковки, но из атомов разных размеров или из молекул, имеющих форму, сильно отличающуюся от шарообразной (рис.2). Атомы кислорода и водорода имеют шарообразную форму. При соединении одного атома кислорода и двух атомов водорода происходит взаимное проникновение их электронных оболочек. Поэтому молекула воды имеет форму, значительно отличающуюся от шарообразной. При затвердевании воды плотная упаковка ее молекул не может осуществляться тем же способом, что и упаковка равновеликих шаров.

Во — вторых, отличие упаковки атомов или молекул от плотнейшей может быть объяснено существованием более сильных связей между ними по определенным направлениям. В случае атомных кристаллов направленность связей определяется структурой внешних электронных оболочек атомов, в молекулярных кристаллах — строением молекул.

Разобраться в устройстве кристаллов, пользуясь только объемными моделями их строения, довольно трудно. В связи с этим часто применяется способ изображения строения кристаллов с помощью пространственной кристаллической решетки. Она представляет собой пространственную сетку, узлы которой совпадают с положением центров атомов (молекул) в кристалле. Такие модели просматриваются насквозь, но по ним нельзя ничего узнать о форме и размерах частиц, слагающих кристаллы.

В основе кристаллической решетки лежит элементарная ячейка — фигура наименьшего размера, последовательным переносом которой можно построить весь кристалл. Для однозначной характеристики ячейки нужно задать размеры ее ребер а, в и с и величину углов a, b и g между ними. Длину одного из ребер называют постоянной кристаллической решетки, а всю совокупность шести величин, задающих ячейку, — параметрами ячейки.

На рисунке 3 показано, как можно застроить все пространство путем сложения элементарных ячеек.

Важно обратить внимание на то, что большинство атомов, а для многих типов кристаллической решетки и каждый атом принадлежит не одной элементарной ячейке, а входит одновременно в состав нескольких соседних элементарных ячеек. Рассмотрим, к примеру, элементарную ячейку кристалла каменной соли.

За элементарную ячейку кристалла каменной соли, из которой, переносом в пространстве можно построить весь кристалл, должна быть принята часть кристалла, представленная на рисунке.При этом нужно учесть, что от ионов, находящихся в вершинах ячейки, ей принадлежит лишь одна восьмая каждого из них; от ионов, лежащих на ребрах ячейки, ей принадлежит по одной четвертой каждого; от ионов, лежащих на гранях, на долю каждой из двух соседних элементарных ячеек приходится по половине иона.

Подсчитаем число ионов натрия и число ионов хлора, входящих в состав одной элементарной ячейки каменной соли. Ячейке целиком принадлежит один ион хлора, расположенный в центре ячейки, и по одной четверти каждого из 12 ионов, расположенных на ребрах ячейки. Всего ионов хлора в одной ячейке 1+12*1/4=4. Ионов натрия в элементарной ячейке—шесть половинок на гра­нях и восемь восьмушек в вершинах, всего 6*1/2+8*1/8=4.

Сравнение элементарных ячеек кристаллических решеток различного типа может проводиться по разным параметрам, среди которых часто употребляются атомный радиус, плотность упаковки и количество атомов в элементарной ячейке. Атомный радиус определяют как половину расстояния между центрами ближайших соседних атомов в кристалле.

Доля объема, занятая атомами в элементарной ячейке, называется плотностью упаковки.

Классификация кристаллов и объяснение их физических свойств оказываются возможными только на основе изучения их симметрии. Учение о симметрии является основой всей кристаллографии.

Для количественной оценки степени симметричности служат элементы симметрии — оси, плоскости и центр симметрии. Осью симметрии называют воображаемую прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл (или его решетка) несколько раз совмещается сам с собой. Число этих совмещений называют порядком оси.

Плоскостью симметрии называют плоскость, рассекающую кристалл на две части, каждая из которых является зеркальным отображением одна другой.

Плоскость симметрии как бы выполняет роль двустороннего зеркала (рис.4). Число плоскостей симметрии может быть различным. Например, в кубе их девять, а в снежинках любой формы — шесть.

Центром симметрии называют точку внутри кристалла, в которой пересекаются все оси симметрии.

Каждый кристалл характеризуется определенным сочетанием элементов симметрии. Ввиду того, что число элементов симметрии невелико, задача отыскания всех возможных форм кристаллов не является безнадежной. Выдающийся русский кристаллограф Евграф Степанович Федоров установил, что в природе может существовать только 230 различных кристаллических решеток, обладающих осями симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядка. Иначе говоря, кристаллы могут иметь форму различных призм и пирамид, в основании которых могут лежать только правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.

Е. С. Федоров является основоположником кристаллохимии — науки, занимающейся определением химического состава кристаллов путем исследования формы граней и измерения углов между ними. Кристаллохимический анализ по сравнению с химическим обычно занимает меньше времени и не приводит к разрушению образца.

Многие современники Федорова не только не верили в существование кристаллических решеток, но даже сомневались в существовании атомов. Первые экспериментальные доказательства справедливости выводов Федорова были получены в 1912 г. немецким физиком Э. Лауэ. Разработанный им метод определения атомной или молекулярной структуры тел с помощью рентгеновских лучей носит название рентгеноструктурного анализа. Результаты исследования структуры кристаллов с помощью рентгеноструктурного анализа доказали реальность существования всех рассчитанных Е. С. Федоровым кристаллических решеток. Теория этого метода слишком сложна, чтобы ее можно было рассмотреть в школьном курсе физики.

Наглядное представление о внутренней структуре кристаллов дает новый замечательный прибор для исследования строения кристаллов — ионный микропроектор, изобретенный в 1951 г. Устройство микропроектора сходно с устройством кинескопа телевизора (puc.5). В стеклянном баллоне располагается исследуемый кристалл металла в виде тончайшей иглы 1 диаметром около 10-5 —10-6см. Против острия иглы расположен люминесцентный экран 2, способный светиться при бомбардировке быстрыми частицами. После тщательной откачки воздуха из баллона в него вводят небольшое количество гелия. Между иглой и экраном прикладывают напряжение около 30 000 в .

Когда атомы гелия соударяются с острием положительно заряженной иглы, от них отрывается по одному электрону, и они становятся положительными ионами. Чаще всего соударение атомов гелия происходит с выступающими участками поверхности острия — «с торчащими» из решетки металла отдельными, атомами или группами атомов. Поэтому ионизация гелия в основном происходит около таких выступов. От каждого выступа-атома ион за ионом летит по прямым в направлении отрицательно заряженного катода 3. При ударах об экран они вызывают его свечение, создавая увеличенное до 107 раз изображение поверхности острия. Пунктир из светлых точек на фотографии — это изображение края ступенек слоев атомов, а сами светлые точки — отдельные атомы в вершинах ступенек. Вся картина хорошо передает периодичность и симметрию расположения атомов в кристалле.

Процесс роста кристаллов.

Никто не видел, как образуется зародыш кристалла в растворе или расплаве. Можно высказать предположение, что беспорядочно движущиеся атомы или молекулы случайно могут расположиться в таком порядке, какой соответствует кристаллической решетке. Если раствор не насыщен или температура расплава выше температуры кристаллизации, то зародыши образуются и тут же растворяются или разрушаются тепловым движением. В перенасыщенном растворе или в расплаве, охлажденном до температуры ниже температуры кристаллизации, скорость роста зародыша превышает скорость его разрушения.

Такое, казалось бы разумное предположение не согласуется с результатами практики. Как показывают расчеты, зародыш будет устойчив и сможет расти, если число молекул на его поверхности много меньше числа внутренних молекул. Теоретическая оценка ребра такого зародыша дает величину около 1*10-8м, т. е. равную нескольким десяткам межатомных расстояний. В объеме этого минимального устойчивого зародыша содержится несколько тысяч атомов. Ясно, что вероятность столкновения такого большого числа атомов ничтожно мала. Однако допустим, что зародыш каким-то образом все же образовался, и выясним, какие условия необходимы для того, чтобы он не растворился, а начал расти.

При образовании зародыша выделилось тепло. Атомы, образовавшие кристаллическую решетку зародыша, передали часть своей энергии соседним атомам расплава, которые начали двигаться быстрее. Атомы ближайшего окружения зародыша до тех пор не смогут «осесть» на нем, пока не передадут избыточную энергию более отдаленным атомам. Таким образом, рост зародыша будет происходить в том случае, если обеспечить постоянный отвод тепла из расплава.

Как же располагаются на поверхности зародыша оседающие атомы? Раньше считали, что рост кристаллов происходит слой за слоем. Сначала завершается построение одного слоя, потом начинается укладка следующего и т. д. В результате грани, наращиваясь слой за слоем, перемещаются параллельно самим себе в направлении, перпендикулярном плоскости грани, как при кладке кирпичной стены. О справедливости такого предположения, казалось бы, говорят факты существования плоских граней у кристаллов. На рисунке 6 показана модель недостроенной грани кристалла. Ясно, что осаждение нового атома наиболее вероятно в точке А поверхности, где он будет удерживаться тремя соседями, тогда как в любой другой точке поверхности грани он будет удерживаться меньшим числом соседей. Когда закончится застройка четвертого ряда, начнется застройка пятого и т. д., пока не завершится вся плоскость.

После этого рост кристалла затрудняется, так как образование нового слоя — событие менее вероятное. Где бы ни «осел» атом на завершенной плоскости, везде он будет связан с небольшим числом атомов кристалла. Вероятность того, что эта слабая связь будет нарушена тепловым движением, велика, поэтому атом не сможет закрепиться на кристалле и перейдет в раствор или в расплав. При таком механизме застройки атомных плоскостей скорость роста кристалла должна быть очень малой. В опыте же при выращивании кристаллов из паров с пересыщением всего в 1% была обнаружена скорость роста кристалла в 101000 раз больше рассчитанной теоретически! По-видимому, большего расхождения теории с опытом в физике не наблюдалось.

Объяснение этому расхождению теории и практики было найдено лишь сравнительно недавно, в 1949 г. Легкость, с какой начинается застройка новой атомной плоскости, оказалось возможным объяснить тем, что реальные кристаллы имеют множество дефектов структуры.

Описывая строение кристаллов, мы пользовались их идеальными моделями. Отличие реальных кристаллов от идеальных заключается в том, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой, а имеют целый ряд нарушений в расположении атомов, называемых дефектами. Знание условий образования дефектов и способов их устранения играет большую роль при использовании кристаллов на практике.

Схемы возникновения дефектов в кристаллах показаны на рисунке 7. Самые простые дефекты в идеальной кристаллической решетке возникают в результате замещения собственного атома чужеродным (рис.7, а), внедрения атома в междоузлие (рис.7, б), отсутствия атома в одном из узлов кристаллической решетки (рис.7.в).

Особую роль в процессе роста кристалла играют несовершенства его структуры, называемые дислокациями (смещениями). Простейшими видами дислокации являются краевая и винтовая. Краевая дислокация образуется в месте обрыва «лишней» атомной полуплоскости (pис. 8). В случае винтовой (дислокации атомные плоскости образуют систему, напоминающую винтовую лестницу. Количество дислокаций в кристаллах может быть очень большим, достигая 108 — 109см-3. Кристаллов без дислокаций не существует. Постоянное наличие открытой ступеньки винтовой дислокации создает благоприятные условия для роста кристалла, Ведь не нужно начинать строить ни новый ряд, ни новую плоскость. Атомы, пристраивающиеся к ступенькам, наращивают ее, и за счет этого она начинает перемещаться по поверхности грани. Но это движение не будет перемещением ступеньки параллельно самой себе, так как ее конец неподвижен. Нетрудно сообразить, что если атомы укладываются с постоянной скоростью вдоль всей длины ступеньки, то она по мере роста начнет изгибаться и примет форму спирали. Постоянное наращивание ступеньки новыми слоями атомов приведет к тому, что на грани кристалла образуется спиральная башенка (рис. 9). Центральная часть ее как бы ввинчивается в пространство, опережая в своем движении нижние ступеньки лестницы, которые со временем будут застроены полностью и исчезнут, превратившись в завершенный атомный слой.

Фотографии, полученные с помощью электронного микроскопа, подтвердили реальность спирального механизма роста кристаллов. Если имеется много близко расположенных дислокаций, то ступеньки роста кристаллов имеют высоту во много атомных слоев и их можно видеть даже в обычный микроскоп.

Зарождение кристалла облегчается при наличии в растворе или расплаве мельчайших инородных тел — пылинок и других загрязнений. Очевидно, в данном случае зародыши кристаллов образуются не путем объединения при случайных столкновениях атомов или молекул, а в результате осаждения атомов на твердых инородных телах, пылинках, практически всегда присутствующих в расплаве или газе. Например, зародышами снежинок являются взвешенные в воздухе твердые пылинки, чаще всего мельчайшие кварцевые песчинки. Неправильная форма пылинки, на которой начинается зарождение кристалла, способствует возникновению в нем дислокации и резкому возрастанию скорости роста кристалла.

Способы зарождения новых слоев и скорости роста граней кристаллов различных веществ неодинаковы. Одни кристаллы вырастают в виде пластин, другие — в виде иголок. Это вызвано многими причинами. Одна из них — различие молекул вещества по форме. Различие скоростей роста граней кристаллов многих веществ объясняется зависимостью от направления величины сил связи частиц, образующих кристалл. Вероятность прилипания молекул в направлении действия больших сил, конечно, оказывается большей, чем в направлении действия меньших сил. Так обстоит дело в кристаллах с пластинчатой структурой (слюда, графит), в которых рост происходит преимущественно вдоль плоскостей, где действуют сильные связи. В направлениях, перпендикулярных этим плоскостям, скорость роста значительно ниже.

Но не только форма молекул и заметная разница сил их взаимодействия в различных направлениях определяют форму растущего кристалла. Если кристаллы растут при больших пересыщениях пара или раствора, то часто образуются необычные для данного вещества ветвистые, древовидные формы, называемые дендритами. Объясняется это тем, что вершины кристаллов соприкасаются с более пересыщенным паром или раствором, чем их грани. Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются в глубь неиспользованного раствора или пара, что способствует их дальнейшему быстрому росту и т, д.

Примером дендритных образовании являются снежинки, ледяные узоры на стекле. При медленном росте кристаллы льда принимают обычную для них форму шестигранных призм. Дендриты образуются при быстром охлаждении расплавов солей и металлов. В природе довольно часто встречаются в виде дендритов серебро, медь, золото.

Кристаллы в природе

Вопрос о происхождении большинства минералов в природе тесно связан со сложной проблемой происхождения и развития Земли. Согласно современным представлениям Земля образовалась путем объединения первоначально холодного вещества, имевшегося в солнечной системе в виде твердых частиц пыли. За счет выделения энергии при столкновении частиц, а также за счет ряда других источников энергии Земля должна была разогреться до 1000—2000° С. При такой высокой температуре слои, близкие к поверхности и не сжатые давлением вышележащих слоев, должны были расплавиться. В этом расплавленном слое произошло разделение пород: менее плотные породы, типа гранитов, всплыли на поверхность, под ними расположился слой более плотных базальтов и еще ниже — породы, слагающие мантию. Газы, освободившиеся при расплавлении вещества верхнего слоя земного шара, образовали атмосферу Земли. При последующем остывании Земли расплавленные слои затвердели и образовали земную кору, пары воды после конденсации из атмосферы создали Мировой океан.

Многие минералы и горные породы образовались при охлаждении земной коры подобно тому, как образуется лед при замерзании воды. Магма, вещество земной коры в расплавленном состоянии, представляет собой сложный расплав различных веществ, насыщенный различными горячими газами и парами. При охлаждении магмы сначала в ней образовались кристаллы того вещества, температура кристаллизации которого самая высокая. По мере дальнейшего охлаждения происходила кристаллизация других минералов, обладающих меньшей температурой кристаллизации, и так до тех пор, пока вся магма не затвердела. Так, в честности, могли образовываться такие распространенные породы, как граниты.

Рассматривая зернистую поверхность гранита, можно сделать вывод, какой из входящих в его состав минералов образовался раньше других. Зерна этого минерала крупнее и имеют форму, близкую к форме правильных кристаллов, так как им не мешали расти кристаллы других минералов. Зерна кристаллов, образовавшихся позднее, мельче и имеют случайную форму, так как для их роста остались лишь промежутки между зернами ранее выросших кристаллов. Чем медленнее понижалась температура магмы, т. е. чем дольше росли кристаллы, тем крупнозернистее получался минерал. Мелкозернистые же минералы образовались при более быстром охлаждении, А при очень быстром охлаждении магмы, например при ее выбросах на поверхность Земли во время извержения вулканов, она затвердела раньше, чем начали расти кристаллы. Вероятно, так образовался обсидиан, встречающийся на Кавказе.

При затвердевании объем земной коры уменьшался и в ней появлялись трещины и пустоты. В таких пустотах рост кристаллов происходит беспрепятственно. В них часто находят круги и хорошо ограненные кристаллы кварца, пластинчатые кристаллы слюды площадью в несколько квадратных метров и многие другие.

Многие минералы возникли из пересыщенных водных растворов. Первым среди них следует назвать каменную соль NaCl являющуюся одним из наиболее знакомых каждому человеку минералов. Толщина пластов каменной соли, образовавшихся при испарении воды соленых озер, достигает в некоторых месторождениях нескольких сотен метров.

Каждому знаком способ образования кристаллов из пара. Снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев, представляют собой кристаллы льда, выросшие из паров воды.

Подобным образом образуются и кристаллы некоторых минералов. Например, летучие пары соединений борного ангидрида оседая на стенках пустот и трещин остывающей магмы, образуют кристаллы турмалина, иногда достигающие 2—3 м длины.

На стенках кратеров «курящихся» вулканов постоянно образуются кристаллы серы, хлористого аммония, каменной соли и других веществ, достигающих поверхности Земли в виде пара. Однажды при извержении Везувия за несколько дней из паров образовалась жила кристаллов гематита (Ре2 О3 ) толщиной 1 м .

Многие кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов. Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5 — 10 лет образуется драгоценный камень жемчуг, имеющий поликристаллическое строение.

В морской воде растворено много различных солей. Мириады организмов, населяющих моря, строят свои раковины и скелеты из углекислого кальция и кремнезема. Выпадая в осадок, раковины и скелеты умерших организмов образуют мощные пласты так называемых осадочных пород. Рифы и целые острова в океанах сложены из кристалликов углекислого кальция, составляющих основу скелета беспозвоночных животных — коралловых полипов. Мощные слои известняка в земной коре являются результатом многовековых отложений раковин и панцирей различных организмов. В результате движений земной коры часть известняка оказалась на значительной глубине, где под действием высокого давления и температуры без плавления превратилась в мрамор. Мрамор является типичным примером видоизмененных — метаморфических — пород. Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и неживым установить очень трудно и понятия «кристалл» и «жизнь» не являются взаимоисключающими. Простейшие живые организмы — вирусы — могут соединяться в кристаллы. Конечно, в кристаллическом состоянии они не обна­руживают никаких признаков живого, так как сложные жизненные процессы в кристаллах протекать не могут. Но при изменениях внешних условий на благоприятные (такими для вирусов являются условия внутри клеток живого организма) они начинают двигаться, размножаться.

Наконец, самое удивительное. Казалось бы, кристалл и живой организм представляют собой примеры осуществления крайних возможностей в природе. В кристалле неизменными остаются сами атомы и молекулы и их взаимное расположение в пространстве, в живом организме не только не существует сколько-нибудь постоянной структуры в расположении атомов и молекул, но даже ни на одно мгновение не остается неизменным его химический состав. В процессе жизнедеятельности организма одни химические соединения разлагаются на более простые, другие сложные соединения синтезируются из простых.

Но при всех химических процессах, протекающих в живом организме, этот организм остается самим собой в течение многих десятков и сотен лет! Более того, потомки каждого живого организма являются удивительно точной его копией! Следовательно, в клетках любого животного или растения имеется что-то постоянное, неизменное, способное управлять химическими процессами, протекающими в них. Такими носителями «программы» процессов, протекающих в живой клетке, оказались молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, называемой коротко ДНК. Эти молекулы уже упоминались во введении, когда речь шла о самых больших молекулах в природе.

Молекулы ДНК не только управляют процессами жизнедеятельности клетки, но и несут в себе полную информацию о строении и развитии всего живого организма из одной только клетки! С полным основанием можно сказать, что молекула ДНК является основой жизни.

Согласно современным данным, молекула ДНК представляет собой двойную спираль, составленную из небольшого числа сравнительно простых молекулярных соединений, повторяющихся в строго определенном для данного вида порядке. Диаметр молекулы ДНК равен 2*10-9м, а длина может достигать нескольких сантиметров. Такие гигантские молекулы с точки зрения физики рассматриваются как особый вид твердого тела — одномерные апериодические кристаллы. Следовательно, кристаллы — это не только символ неживой природы, но и основа жизни на Земле.

Получение и применение кристаллов

Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала, встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие находят применение при изготовлении оптических приборов.

К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными камнями, алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические пли другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости.

Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.

Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокий химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.

Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.

Разработка сравнительно простого способа изготовления «драгоценного камня» приводит к тому, что он перестает быть драгоценным. Объясняется это тем, что большинство драгоценных камней является кристаллами широко распространенных в природе химических элементов и соединений. Так, алмаз — это кристалл углерода, рубин и сапфир — кристаллы окиси алюминия с различными примесями.

Рассмотрим основные способы выращивания монокристаллов. На первый взгляд может показаться, что осуществить кристаллизацию из расплава очень просто. Достаточно нагреть вещество выше температуры плавления, получить расплав, а затем охладить его. В принципе это правильный путь, но если не принять специальных мер, то в лучшем случае получится поликристаллический образец. А если опыт проводить, например, с кварцем, серой, селеном, сахаром, способными в зависимости от скорости охлаждения их расплавов затвердевать в кристаллическом или аморфном состоянии, то нет никакой гарантии, что не будет получено аморфное тело.

Для того чтобы вырастить один монокристалл, недостаточно медленного охлаждения. Нужно сначала охладить один небольшой участок расплава и получить в нем «зародыш» кристалла, А затем, последовательно охлаждая расплав, окружающий «зародыш», дать возможность разрастись кристаллу по всему объему расплава. Этот процесс можно обеспечить медленным опусканием тигля с расплавом сквозь отверстие в вертикальной трубчатой печи. Кристалл зарождается на дне тигля, так как оно раньше попадает в область более низких температур, а затем постепенно разрастается по всему объему расплава. Дно тигля специально делают узким, заостренным на конус, чтобы в нем мог расположиться только один кристаллический зародыш (рис. 10).

Этот способ часто применяется для выращивания кристаллов цинка, серебра, алюминия, меди и других металлов, а также хлористого натрия, бромистого калия, фтористого лития и других солей, используемых оптической промышленностью. За сутки можно вырастить кристалл каменной соли массой порядка килограмма.

Недостатком описанного метода является загрязнение кристаллов материалом тигля.

Этого недостатка лишен бестигельный способ выращивания кристаллов из расплава, которым выращивают, например, корунд, (рубины, сапфиры). Тончайший порошок окиси алюминия из зерен размером 2—100 мкм высыпается тонкой струёй из бункера, проходит через кислородно-водородное пламя, плавится и в виде капель попадает на стержень из тугоплавкого материала. Температура стержня поддерживается несколько ниже температуры плавления окиси алюминия (2030°С). Капли окиси алюминия охлаждаются на нем и образуют корку спекшейся массы корунда. Часовой механизм медленно (10—20 мм1ч) опускает стержень, и на нем постепенно вырастает не ограненный кристалл корунда, по форме напоминающий перевернутую грушу, так называемая буля (рис. 11).

Как и в природе, получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй — в медленном понижении температуры раствора. Чаще применяют второй способ. В качестве растворителей используют воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя.

Кристалл растет из тех участков пересыщенного раствора, которые его непосредственно окружают. В результате этого вблизи кристалла раствор оказывается менее пересыщенным, чем вдали от него. Так как пересыщенный раствор тяжелее насыщенного, то над поверхностью растущего кристалла всегда имеется направленный вверх поток «использованного» раствора. Без такого перемешивания раствора рост кристаллов быстро бы прекратился. Поэтому часто дополнительно перемешивают раствор или закрепляют кристалл на вращающемся держателе (рис. 12). Это позволяет выращивать более совершенные кристаллы.

Чем меньше скорость роста, тем лучше получаются кристаллы. Это правило справедливо для всех методов выращивания. Кристаллы сахара и поваренной соли легко получить из водного раствора в домашних условиях. Но, к сожалению, не все кристаллы можно вырастить так просто. Например, получение кристаллов кварца из раствора происходит при температуре 400°С и давлении 1000 ат.

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.

Самый твердый и самый редкий из природных минералов — алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.

Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов «сверхтвердых сплавов». Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 000 000 оборотов.

Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним но разнообразию технических применении рубин — благородный корунд, окись алюминия Al2 O3 с красящей примесью окиси хрома. Мировое производство искусственных рубинов превышает 100 г. в год. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей из химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого твердого стекла изнашиваются за несколько дней при протяжке через них искусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев, рубиновые нитеводители оказываются практически вечными.

Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера — прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемою в виде тонкого светового луча.

Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.

Как получаются драгоценные камни в природе

и как получают их искусственно

В начале было уже сказано о том, какие природные геологические процессы существуют. Большинство драгоценных камней образуется в результате процессов, требующих высоких температур и давлений.

Для того чтобы минерал образовал хороший кристалл, ему необходимы условия для роста, т. е. свободное пространство. Обычно горные породы являются очень плотными, и минералы, которые в них образуются, имеют неправильные формы. Прозрачные и почти идеальные по форме кристаллы самоцветов образуются в полостях трещин и других пустотах. В камерах и занорышах пeгмaтитoв растут кристаллы топазов, изумрудов, турмалинов, в полостях кварцевых жил — кристаллы аметиста, горного хрусталя и т. д. При экзогенных процессах, когда происходит разрушение и выветривание пород, драгоценные камни, как более устойчивые, охраняются и накапливаются в коре выветривания и россыпях. Тем самым они становятся более доступными для добычи, потому что гораздо легче доставать минералы из рыхлых пород, чем из твердых.

При искусственном выращивании кристаллов в аппаратах создаются те же физико-химические условия, которые характерны для природных процессов. Даже некоторые термины, которые издавна используются геологами и минералогами, нашли применение в техническом языке, например термин «гидротермальные условия».

Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала, встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие находят применение при изготовлении оптических приборов.

К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными камнями. Алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические или другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости. Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.

Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокой химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.

Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов.

Первые попытки искусственно получить замечательные минералы человек предпринимал с давних пор. Еще в средние века алхимики с помощью философского камня пытались превратить простые вещества в драгоценные камни. Но все это были попытки с негодными средствами, потому что алхимики совершенно не представляли законов строения вещества. Успех пришел лишь тогда, когда был в достаточной мере познан процесс минералообразования. В настоящее время существует целый ряд способов выращивания кристаллов. Исходное вещество может быть твердым, растворенным или расплавленным, даже может находиться в газообразном состоянии. Из более чем 3000 минералов, существующих в природе, искусственно удалось получить уже несколько сот. Трудности синтеза связаны с необходимостью очень точного соблюдения режима выращивания кристаллов.

Но даже искусственно выращенные кристаллы часто имеют дефекты. Сейчас производятся опыты по выращиванию кристаллов в космосе в условиях невесомости. Первые опыты, проведенные на палубе космического корабля «Салют», показали, что это направление является весьма перспективным.

Из всех замечательных минералов наиболее высокие температуры и давления необходимы для образования алмазов. В природе их находят в так называемых кимбёрлитовых трубках, которые образуются в результате взрыва газов на глубинах свыше 50 км. Кимберлит представляет собой ультраосновную породу, получившую название по руднику Кимберли в Южной Африке. Температура на этих глубинах составляет 1000—1100°С, а давление превышает несколько десятков атмосфер. Но и таких высоких давлений оказывается недостаточно. Как показывает синтез искусственных алмазов, для их образования необходимы поистине чудовищные давления в десятки тысяч атмосфер. Только в таких условиях углерод, хорошо известный нам по графиту, из которого делают карандаши, может перейти в гексагональную модификацию и дать вместо черной массы прозрачные кристаллы. Как же достигаются такие сверхвысокие давления в глубинах Земли? Предполагают, например, что это осуществляется за счет механизма кавитации локального повышения давления в результате взрыва газовых пузырьков. Полуразрушенный материал кимберлитов при взрыве с большой силой устремляется к поверхности Земли по тектоническим трещинам. Вместе с алмазами в кимберлитах находят скопления ювелирного граната — пиропа фиолетово-красного и оранжево-красного цвета, а также хризолита. Однако хризолит ювелирного качества, как менее устойчивый минерал, сохраняется лишь в свежих невыветренных породах.

Первые алмазоносные трубки взрыва были открыты в 1870 г. в Южной Африке. В последние десятилетия алмазные трубки открыты у нас в Якутии. Алмазы добываются также из россыпей, образовавшихся в результате размыва коренных месторождений.

Около ста лет назад люди впервые попытались получить синтетический алмаз. Первая удача пришла к англичанину Ганнею в 1889 г. Он получил мелкие кристаллики алмаза в порах чугуна, где нaxoдилиcь костное масло, литий и углерод. Раскаленный чугун подвергался резкому охлаждению. Эти первые искусственные алмазы хранятся в Британском музее. Получить новые кристаллы таким способом уже никому не удалось, хотя попыток было сделано немало. Получение алмазов из простого угля казалось в то время совершенно фантастическим. Помните одного из героев рассказа Герберта Уэллса? Он наполнял стальной цилиндр графитовой смесью и взрывчаткой и нагревал его в топке. Затем два года заставлял остывать, чтобы кристаллы алмазов достигли значительного размера. Как пишет Г. Уэллс: «Я решил дать остывать моей аппаратуре два года, чтобы температура снижалась постепенно. Под конец я перестал поддерживать огонь. Я извлек цилиндр и вскрыл его, он был еще так горяч, что обжигал мне руки, выскреб стамеской хрупкую лавообразную массу и размельчил ее молотком нa чугунной плите. Я обнаружил три крупных и пять мелких алмазов». Разумеется, этот способ получения алмазов совершенно фантастический, и алмазы таким путем получить нельзя.

И только в середине XX в. фантастика стала реальностью. В 1955 г. была разработана специальная аппаратура, создающая давление в десятки и сотни тысяч атмосфер при температурах 1200—1500°С. В 1960 г. на июльском пленуме ЦК КПСС было объявлено о получении синтетического алмаза в СССР. Советский искусственный алмаз марки САМ (синтетический алмаз монокристальный) с 1965 г. выпускается в промышленных количествах. Алмазы получают из порошка графита, смешанного с никелем. Смесь прессуется в виде небольших дисков размером до 2—3 см, которые затем нагреваются до температуры 2000—3000°С при давлении до 10* 109 Па. В таких поистине невероятных условиях графит превращается в алмаз. Разумеется, прежде чем строить такие сложные установки, процесс перехода графита в алмаз был изучен теоретически. Исходя из термодинамических свойств того и другого минерала, была рассчитана теоретическая кривая перехода графит — алмаз.

Получаемые кристаллы имеют кубическую или октаэдрическую форму. По твердости они даже превосходят естественный алмаз. Производство искусственных алмазов в настоящее время практически целиком направлено для нужд буровой техники и абразивной промышленности. Ювелирные кристаллы алмазов пока получены в незначительном количестве.

Был даже сконструирован специальный робот, который вырабатывает алмазы.

На железную ладонь робота кладут сырье — графит. Робот вкладывает графит в свою «грудь»—печь, в которой графит нагревается до высоких температур при больших давлениях. В конце концов опять же на ладонь робота выпадает кристалл синтетического алмаза в форме небольшого шарика.

Способы искусственного получения ювелирных алмазов в условиях высоких давлений сейчас технически освоены, но экономически нерентабельны из-за низкой скорости процесса. Наиболее перспективным в настоящее время, считается метод выращивания алмазов при совместном отложении графита и алмаза при температурах 1000—1200°С из углесодержащего газа (CHi иди CSi). Затем графит сжигается в водородной среде при давлении 5 • 105— 20 • 105 Па и получается чистый алмаз.

Обратимся теперь к другой группе драгоценных камней — рубинам и сапфирам. Эти замечательные минералы, представляют собой оксид алюминия (глинозем), в природе встречаются в различных магматогённых и метаморфических породах. Глинозем входит в состав многих минералов горных пород, и для того, чтобы он выделился в свободном виде, как самостоятельный минерал, порода должна быть богата алюминием. Чтобы вместо обычного корунда, имеющего тот же химический состав, выделялись благородные рубин и сапфир, необходимы благоприятные условия для роста кристаллов и содержание в породе определенных химических элементов. Поэтому природные месторождения драгоценных рубинов и сапфиров очень редки. Наиболее известны месторождения в Индии и Шри Ланка.

Извлекать кристаллы из плотных метаморфических или магматических пород очень сложно, поэтому основное значение для добычи рубина и сапфира имеют остаточные и россыпные месторождения.

Искусственный рубин был впервые получен в начале нашего века в небольшой лаборатории в окрестностях Парижа. Выдающийся советский минералог А. Е. Ферсман так описывал эту лабораторию в 1936 г. «В тихой улице захолустного городка около Парижа маленькая грязненькая лаборатория. В тесном помещении среди паров и накаленной атмосферы на столах несколько цилиндрических приборов с синими окошечками. Через них химик следит за тем, что делается в печи, регулирует пламя, приток газа, количество выдуваемого белого порошка. Через короткий промежуток 5-6 ч он останавливает печь и с тоненького красного стерженька снимает красную прозрачную грушу,..». Этот способ получения искусственного рубина известен под названием «метод профессора Вернейля». Порошок оксида алюминия непрерывно поступает в зону печи, где происходит горение водорода в кислороде. При создавшейся высокой температуре порошок плавится. Капли расплавленной массы падают вниз и попадают на маленький кристаллик рубина, который помещается здесь в качестве затравки. На затравке кристаллизуется прозрачная «булька» — грушевидный монокристалл рубина, который постепенно растет вверх. В России в настоящее время работают аппараты системы Попова, которые позволяют получать синтетические монокристаллы рубина в виде стержней диаметров 2—4 см и длиной до 2 м. Самым новым методом получения искусственных рубина и сапфира является метод диффузионной плавки постепенно вытесняющий метод Вернейля.

Красная окраска искусственного рубина получается за счет добавки оксида хрома. При добавлении к порошку глинозема других веществ получают синюю окраску сапфира или оранжевые, желтые, зеленые, розовые, фиолетовые окраски, которых в природе нет. Искусственные рубины и сапфиры чище, прозрачнее и дешевле природных. Они широко применяются для изготовления ювелирных изделий.

Целая группа драгоценных камней (топаз, аквамарин, изумруд, турмалин, аметист, горный хрусталь и др.) в природных условиях связана с пегматитовыми и гидротермальными образованиями. Рост кристаллов в таких условиях происходит в пустотах горных пород. Размеры этих пустот могут достигать несколько десятков кубических метров, хотя обычно их объемы не превышают нескольких кубических дециметров. Пустоты образуются под воздействием самых разнообразных геологических причин и в минералогии имеют различные названия: камеры, заморыши, жеоды, миндалины и т. д. Кристаллы в этих пустотах омываются, горячими гидротермальными растворами, содержащими различные вещества. Обычно в таких пустотах растут не единичные кристаллы, а целые их семейства, которые называются друзами. Расскажем, к примеру, как образуются в природе изумруды, которые пока еще не были получены искусственно. Месторождения изумрудов обычно связаны с пегматитами, где ювелирные кристаллы формируются в камерах. Известны также месторождения изумрудов в метаморфических породах, переработанных бериллиеносными растворами. Поскольку благородная темно-зеленая окраска изумруда объясняется присутствием в минерале хрома, необходимо, чтобы этот элемент содержался в породе в значительных количествах. Иначе вместо изумруда образуется обыкновенный берилл. Поэтому месторождения изумрудов чаще всего залегают среди ультраосновных пород, богатых хромом, железом, магнием и другими элементами. Примером таких месторождений могут служить знаменитые копи Урала. Известные месторождения изумруда в Колумбии образовались при низких температурах не более 100 – 1800 С в результате просачивания минералообразующих растворов через известняк и отложения изумрудов в полостях, образовавшихся при растворении известняков горячими растворами.

Из этой группы замечательных минералов наиболее, освоено искусственное получение горного хрусталя. Сейчас в нашей стране практически все виды аппаратуры, использующие горный хрусталь (кварц), работают на синтетических кристаллах. Искусственные кристаллы горного хрусталя получают в гидротермальных условиях. Это слово «гидротермальные» мы употребляли при описании природных условий образования минералов. Оно используется и в технике для обозначения условий получения кристаллов из «горячей воды». Кристаллы выращивают в специальных трубах — автоклавах высотой несколько метров. Автоклавы изготовляют из нержавеющей высоколегированной стали и покрывают изнутри серебром. Это делается для того, чтобы на трубе не образовалась ржавчина, которая при попадании в растущий кристалл кварца может вызвать различные нежелательные дефекты монокристалла. В нижней части трубы размещается кварцевый песок, через который просачивается вода с добавками щелочей. Процесс происходит при температуре несколько сот градусов и высоком давлении. В этих условиях кремнезем растворяется в воде, насыщенный раствор кремнезема в воде омывает маленький затравочный кристалл кварца, помещенный в верхней части автоклава. Кристалл растет в автоклаве несколько месяцев, а особо чистые кристаллы растут несколько лет. Требования технологии очень высоки: температурный режим, например, нe может изменяться даже на доли градуса в течение всего роста кристалла. В таких условиях выращивают кристаллы горного хрусталя массой до 15 кг.

Создавая прибор для выращивания искусственного хрусталя, человек в значительной степени использовал знания, полученные при изучении природных условий образования минерала, и эти природные условия искусственно воссоздал в автоклаве.

А вот другая группа оксида кремния (IV) — благородные опалы и агаты, которые отличаются от обычного кварца значительным содержанием воды. Эти некристаллические колломорфные минералы формируются совсем в других условиях. В природе они образуются из кремнистого геля, который отлагается в пустотах лав — застывшей массы, которая образуется при извержениях вулканов. Эти породы называются вулканическими, или эффузивными. Выпадение кремнезема в порах и пустотах вулканических пород связано с понижением температуры кремнистого геля до 100 —1500 С. Месторождения благородного опала встречаются также в древних корах выветривания. Предполагают, что в результате испарения грунтовых вод под действием сухого климата происходило увеличивание концентрации кремнезема и выпадения его почти на поверхности Земли. К этому типу относятся основные месторождения благородного опала в Австралии.

Еще совсем недавно, мы ничего не знали об искусственном опале. Но вот пришло сообщение, что французский химик Гилсон синтезировал и выпустил на международный рынок белые и черные драгоценные синтетические опалы, которые обладают всеми внешними признаками, свойственными природным благородным опалам и, в первую очередь, ирризацией. Даже специалисты по драгоценным камням затрудняются отличать полученные синтетические опалы oт природных. Технология производства искусственных опалов пока остается тайной изобретателя.

Список драгоценных камней, которые получают искусственно, все время растет.

Российские ученые разгадали еще один секрет природы – получение аметиста – горного хрусталя густо фиолетового цвета. Аметисты выращивают так же, как и кристаллы кварца. Затем кристаллы облучают g-лучами в реакторах. Под воздействием облучения в кристалле возникают разные дефекты, которые и обуславливают его фиолетовый цвет. В данном случае окраска аметиста не обусловлена примесью каких либо других элементов, а имеет другие причины.

Можно не сомневаться, что пройдет еще несколько лет, и любые кристаллы драгоценных камней и других замечательных минералов могут быть получены искусственным путем.

Мы рассмотрели естественные и искусственные условия образования драгоценных камней. Однако существует еще одна группа минералов о которых мы не можем сказать ни слова: они не существуют в природе. Это минералы созданные человеком в лабораторных условиях. Несколько лет назад в ювелирных магазинах появились изделия с прекрасными прозрачными камнями различного цвета. По красоте они не уступают бриллиантам. Эти искусственные камни были названы фианитами в честь места их рождения Физического института Академии наук имени П.Н. Лебедева (ФИАН). По составу феаниты представляют собой смесь оксидов циркония и гафния. Фианиты изготовляются для различных отраслей народного хозяйства: оптики, электроники, производства лазеров, ювелирных изделий. Другой известный искусственный минерал, широко используемый в ювелирном деле, — гранатит – алюминиево-иттриевый гранат. Новые минералы окрашивают в различные цвета с помощью хромофор, и они великолепно имитируют драгоценные камни.

Круг искусственных драгоценных камней, применяемых в ювелирном деле (гемологии), постоянно расширяется. Современная гемология использует многочисленные синтетические минералы: изумруды, шпинели, гранаты, рубины, сапфиры, имитацию жада и многие другие.

Многие века и даже тысячелетия употреблялись замечательные минералы в качестве украшений, и люди даже не подозревали, какие огромные скрытые возможности таятся, к примеру, в бриллиантовом колье на шее у светской дамы или в рубиновом перстне на пальце вельможи. Но шли годы, бурное развитие науки и техники вовлекало в сферу производства все новые и новые материалы, и многие из тех свойств, которые определили драгоценность минералов, оказались совершенно необходимыми в технике. Выяснилось, например, что с помощью рубинового лазера можно с большой точностью измерить расстояние от Земли до Луны. Самый ценный камень — алмаз — в настоящее время является больше техническим камнем, чем камнем красоты. Алмазы используют для шлифовки, резки, с помощью специальных приспособлений — буровых коронок, усаженных алмазами, сверлят Землю в поисках полезных ископаемых. Образно говоря, прошли времена алмазных корон — настали времена алмазных коронок. Электротехника, оптика, радиотехника, военное дело, точная механика и многие другие отрасли народного хозяйства претендуют на драгоценные камни вовсе не из-за их красоты, а именно из-за их эамечательных свойств.

Использование минералов для технических целей началось уже давно, может быть раньше, чем их применение в качестве украшений. Когда первобытный человек взял в руку обломок нефрита и стал рубить им дерево — это и было первое техническое применение камня. Позже человек усовершенствовал свой инструмент: привязав обломок нефрита к палке, он получил каменный топор. Разумеется, современнее применение минералов в технике намного сложнее.

Какие же свойства определили широкое применение минералов в современной технике?

Твердость. Твердость минералов — это комплексное физическое свойство, зависящее от внутренней структуры, значений межатомных расстояний, валентности ионов и атомов, слагающих минерал, и т. д. В практической минералогии для определения твердости пользуются произвольной нелинейной шкалой Мооса. Все минералы по этой шкале делятся на десять групп с твердостью от 1 до 10. Более точные количественные значения твердости определяют с помощью специальных приборов — склерометров. Алмазную или стальную пирамидку вдавливают в пришлифованную поверхность минерала, а затем изменяют длину диагонали образовавшейся ямки. Затем эти значения рассчитываются а килограммах на 1 мм.

Первым в ряду стоит алмаз, имеющий максимальную твердость, равную 10. Недаром его название произошло от греческого слова адамас, что означает «непобедимый». Такая «непобедимость» алмаза определила его широкое применение для изготовления режущих инструментов. Самым простым из них является известный всем стеклорез. Это наиболее древнее техническое применение алмаза, которое мы знаем. Алмазы употребляют в металлообрабатывающей промышленности для изготовления пил; резцов, приготовления полировальной пасты, используют для конструирования алмазных коронок, обеспечивающих высокопроизводительное бурение горных пород и т. д.

Подсчитано, что мировая потребность в алмазах составила к 1975 г. более 20 т, и это для минерала, масса кристаллов которого измеряется в каратах (0,02 г). Американские специалисты писали, что если изъять из употребления в США алмазные инструменты, то промышленный потенциал этой страны снизится вдвое.

Разумеется, в технике применяются не ювелирные алмазы, а тем более не бриллианты. В дело идут рядовые алмазы — крошка, «борт», а также черная разновидность алмазов — «карбонадо». С каждым годом растет потребление искусственных алмазов, поскольку природные месторождения не удовлетворяют сейчас и половины запросов промышленности.

С алмазом по твердости соперничает рубин, имеющий твердость 9 по шкале Мооса, или 2000 кг/мм. Этот минерал является прекрасным абразивом. Хорошо известны твердые абразивные шлифовальные круги, порошки, пасты. В производстве используются не ювелирные рубины и сапфиры, а невзрачный корунд. В настоящее время широко применяется искусственный корунд — электрокорунд, или алунд, получаемый путем электроплавки высококачественных алюминиевых руд — бокситов.

Всем хорошо известно выражение «часы на 17 (или на 23) камнях». Эти камни в часах есть не что иное, как вкладыши из рубина, в которых вращаются оси шестеренок. Вы можете увидеть эти красноватые рубины, открыв крышку часов. Качество ручных или карманных часов зависит, в частности, от того, сколько шестеренок вращается на рубиновых подшипниках. Рубиновые камни определяют долговечность часов.

Еще один «замечательный минерал», или точнее минералы, используется в абразивной промышленности — гранат. Эта группа минералов содержит много разновидностей. В качестве абразива обычно применяют железистый гранат -—альмандин. Твердость этого минерала по шкале Мооса равна 7, а количественно составляет 11ОО кг/мм2. Из гранатов изготовляют шлифовальные порошки, точильные круги, шкурки. Иногда они заменяют в приборостроении рубин.

Список замечательных минералов, используемых из-за их твердости в промышленности, можно было продолжить. Но уже из того, что мы перечислили, можно понять, что твердость, являющаяся необходимым свойством драгоценных камней и определяющая их долгую жизнь в качестве украшений — качество, необходимое и для промышленных целей.

Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства.

В Индии и на Цейлоне с древних времен, было известно, что кристаллы турмалина, положенные в горячую золу, сначала притягивали, а затем отталкивали частицы золы. Это явление стало известно в Европе в 1703 г., когда голландские купцы привезли кристаллы турмалина с Цейлона. Карл Линней в 1747 г. дал турмалину научное название — электрический камень (tapis elektricus). Позже это явление было названо пироэлектричеством. Оно заключается в появлении электрических напряжений на гранях кристалла при нагревании. Проявления пьезоэлектрических свойств кристаллов впервые были установлены в 1880 г. Сущность этого явления заключается в том, что если к граням таких кристаллов подвести электрическое напряжение, кристаллы деформируются: сжимаются или растягиваются. И наоборот, если сжимать или растягивать пьезокристалл, на его гранях возникают электрические напряжения. Как правило, все пироэлектрические кристаллы являются пьезо-злектриками, но не все пьезоэлектрики обладают пироэлектрическими свойствами.

Среди замечательных минералов основными пьезоэлектриками являются монокристаллы кварца и турмалина. Из многочисленных кристаллографических модификаций кварца в качестве пьезо-электрика используется чаще всего низкотемпературный а-кварц, устойчивый до температуры 573°С.

Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства кристаллов используются в технике уже много лет. Одно из применений пьезо-электриков известно буквально каждому. Это звукосниматели в наших проигрывателях, которые превращают механические колебания иглы на граммофонной пластинке в электрические токи, которые затем усиливаются и подаются на динамик.

На аналогичной основе пьезоэлектрические свойства кристаллов используются в ультразвуковой гидроакустике, дефектоскопии, при изучении свойств газов, жидкостей и твердых тел, для измерения давлений и вибраций, при изготовлении стабилизаторов и фильтров радиочастот. Предложено даже использовать пьезокристалл для лампы-вспышки при фотографировании. По замыслу и расчетам изобретателя при механическом ударе по кристаллу выделяется количество энергии, достаточное для вспышки электрической лампочки.

Современные технические требования к пьезокристаллам очень высоки: требуется, чтобы в кристалле был участок размером не менее 12Х12Х1,5 мм без всяких дефектов, трещинок, включений и т. д. Поскольку в природных кристаллах редко удается найти подобные участки, в технике все более и более используются искусственные кристаллы кварца и других минералов.

Оптические свойства. Из различных оптических свойств замечательных минералов в технике ценятся почти те же самые, которые определяют использование этих минералов в качестве украшений: прозрачность, двупреломление, поляризующие свойства и т. д.

Каждый из нас хорошо знает искусственное «горное солнце» — аппарат, широко применяемый в медицине. При включении этот аппарат излучает удивительный свет — ультрафиолетовый. Лампа в аппарате сделана не из обычного стекла, а из кварцевого, которое в отличие от обычного пропускает инфракрасную, а особенно ультрафиолетовую части спектра света. Эти лучи поистине являются целебными, а кроме того, придают загар человеческой коже. Применение кварцевой лампы не ограничивается только медициной. Она используется в органической химии, минералогии и других отраслях для изучения веществ в ультрафиолетовых лучах. Даже филателисты при изучении марок прибегают к помощи этой лампы: она позволяет отличать фальшивые марки от настоящих.

Кварц употребляется в технике и для других целей. Чистые бездефектные кристаллы горного хрусталя идут на изготовление призм, спектрографов, поляризующих пластинок.

Другим замечательным минералом, применяемым в оптике, является флюорит. Это чистые прозрачные бесцветные или слабо окрашенные кристаллы. Их ценными свойствами являются изотропность, незначительная дисперсия, низкий коэффициент преломления и, так же как у Горного хрусталя, высокая способность пропускать инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Флюорит используется для изготовления линз телескопов и микроскопов, для изготовления призм спектрографов и в других оптических приборах.

Но, пожалуй, самое большое значение имеет использование оптических свойств замечательных минералов, связанное с изобретением лазера — оптического квантового генератора. Слово «лазер» представляет собой сокращение английских слов Ughf amplification by stimulated emission of radiation — усилитель света при вызванном излучении. Принцип работы лазера достаточно сложен, для генерации электромагнитного излучения в нем используется энергия, которая возникает при переходе атомов или электронов из одного энергетического состояния в другое.

Первый лазер бал создан в 1960 г. на рубине, в котором незначительная часть ионов Al3 была замещена ионами хрома. Этот лазер излучал яркий свет с длиной волны 694,3 нм. С помощью рубинового лазера было проведено точное определение (локация) расстояния от Земли до Луны. Затраты энергии при этом не превышали энергии сгорания десятка спичек. В настоящее время применение лазеров в технике все более расширяется. Они используются для изучения физики плазмы, при хирургических операциях, в телевидении для съемок и передачи изображения, для сверления и сварки металлов и т. д. И xoтя в последнее время появились лазеры и на других веществах, например газовые или полупроводниковые лазеры, минерал рубин по-прежнему остается одним из наиболее употребительных материалов. Преимущества рубина заключаются в его выдающихся механических свойствах, о которых мы говорили раньше: в его твердости, теплотоупорности и устойчивости в сильно агрессивных условиях. Из других кристаллических веществ для лазеров используются алюминиево-иттриевые гранаты, флюорит и ряд других преимущественно искусственных, кристаллов.

Этими примерами можно было бы закончить наш короткий рассказ о применении минералов в технике. Но области применения минералов, все более расширяются, дальнейшее развитие науки продолжает выявлять в них все новые и новые свойства. Рубиновые стекла в иллюминаторах и приборах космических кораблей, световоды из горного хрусталя, позволяющие практически мгновенно передавать с помощью лазерного луча громадное количество информации, алмазы в качестве детекторов ядерных излучений — даже простое перечисление показывает, что замечательные минералы находятся на самом переднем крае науки и техники.

Рост потребления минералов не обеспечивается природными месторождениями, поэтому все более и более расширяется синтез минералов, их искусственное производство на заводах.

Лабораторная работа №1

Выращивание кристаллов

Оборудование: поваренная соль, дистиллированная вода, воронка, стеклянная палочка, вата, стаканы.

Существуют два простых способа выращивания кристаллов из пересыщенного раствора: путем охлаждения насыщенного раствора или путем его выпаривания. Первым этапом при любом из двух способов является приготовление насыщенного раствора. В условиях школьного физического кабинета проще всего выращивать кристаллы алюмокалиевых квасцов.

Растворимость любых веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением температуры — уменьшается.

При охлаждении насыщенного при 40° С раствора до 20° С в нем будет находиться около 15 г избыточного количества квасцов на 100 г. воды. При отсутствии центров кристаллизации это вещество может оставаться в растворе, т. е. раствор будет пересыщенным.

С появлением центров кристаллизации избыток вещества выделяется из раствора, и при каждой данной температуре в растворе остается то количество вещества, которое соответствует коэффициенту растворимости при этой температуре. Избыток вещества пз раствора выпадает в виде кристаллов, число которых тем больше, чем большее число центров кристаллизации содержится в растворе. Центрами кристаллизации могут служить загрязне­ния на стенках посуды с раствором, пылинки, мелкие кристаллики квасцов. Если дать выпавшим кристалликам подрасти в течение суток, то среди них найдутся чистые и совершенные по форме экземпляры. Они могут служить затравками для выращивания крупных кристаллов.

Для выращивания крупного кристалла в тщательно отфильтрованный насыщенный раствор вносят кристаллик — затравку, заранее прикрепленный на волосе или топкой леске, предварительно обработанной спиртом.

Можно вырастить кристалл и без затравки. Для этого волос или леску обрабатывают спиртом и опускают в раствор так, что бы конец висел свободно. На конце волоса или лески может начаться рост кристалла.

Если для выращивания приготовлен крупный затравочный кристалл, то его лучше вносить в слегка подогретый раствор. Раствор, который был насыщенным при комнатной температуре, при температуре на 3—5° С выше комнатной будет ненасыщенным. Кристалл-затравка начнет растворяться в нем и потеряет при этом верхние, поврежденные и загрязненные слои. Это приведет к увеличению прозрачности будущего кристалла. Когда температура станет комнатной, раствор вновь станет насыщенным, и растворение кристалла прекратится. Если стакан с раствором прикрыть так, чтобы вода из раствора могла испаряться, то вскоре раствор станет пересыщенным и начнется рост кристалла. Во время роста кристалла стакан с раствором лучше всего держать в теплом сухом месте, где температура в течение суток остается постоянной. На выращивание крупного кристалла в зависимости от условий эксперимента может потребоваться от нескольких дней до нескольких недель.

Порядок выполнения работы:

1. Я тщательно вымыл 2 стакана и воронку и подержал их над паром

2. Налил 100 гр. Дистиллированной воды в стакан и нагрел ее до 300С. Приготовил насыщенный раствор соли и слил его через ватный фильтр в чистый стакан. Закрыл стакан крышкой. Подождал пока раствор остынет до комнатной температуры и открыл стакан. Через некоторое время началось выпадание кристаллов.

3. Через сутки слил раствор через ватный фильтр в чистый стакан. Среди множества кристаллов оставшихся на дне первого стакана выбрал самый чистый кристалл правильной формы. Прикрепил кристалл – затравец к нитке и подвесил его в раствор. Поставил стакан в теплое место.

4. Рост кристалла происходил в течение 61 дня. Кристалл – затравка имел вытянуто – овальную форму. После помещения затравки в раствор рост кристалла не происходил, а наоборот он растворялся, так как температура была на 3 – 90С выше комнатной и раствор стал не насыщенным, при этом он потерял верхние, поврежденные слои, что привело к увеличению прозрачности будущего кристалла. Когда температура стала комнатной, раствор вновь стал насыщенным, и растворение кристалла прекратилось. Начался рост кристалла. За счет испарения воды из раствора темп роста кристалла увеличивался.

К выступающим частям кристалла – вершинкам и ребрам – вещество поступает в большем, чем к серединам граней количестве, поэтому градиенты концентрации (пресыщения) возникают и вдоль поверхности. Пока размеры кристалла невелеки, малы и гридиенты пересыщений, кристалл обычно растет плоскогранным. Причина этого заключается в том, что слои роста имеют повышенные скорости продвижения по поверхности по сравнению со скоростью возникновения новых слоев. Однако, с увеличением кристалла градиенты пересыщений вдоль граней возрастают и кристалл растет по всей своей площади.

В дальнейшем рост кристалла соли происходил нормально.

5. В конце срока выращивания я вынул кристалл соли из раствора, тщательно осушил салфеткой и измерил его. Кристалл соли увеличился в три раза от начальных размеров затравки. На этом выращивание кристалла соли завершено.

Выращенный кристалл имеет пирамидальную форму с небольшими отклонениями. Стороны кристалла ровные, имеют форму прямоугольников. Первоначальное ощущение – что это срослось множество квадратиков и прямоугольников, такой вид имел кристалл.

Исходя из этого я пришел к выводу, что атомы кристаллов имеют правильную геометрическую форму, и когда они сращиваются в один кристалл, тот приобретает так же правильную геометрическую форму с небольшими отклонениями.

Вывод: в этой лабораторной работе я научился выращивать кристаллы поваренной соли и узнал, что этим способом можно выращивать кристаллы любых других простых веществ, а так же, что необходимо для выращивания и как происходит рост кристаллов.

Лабораторная работа №2

Изготовление прикладного гониометра

и измерение углов между гранями кристаллов.

Оборудование: две линейки, транспортир, кристаллы поваренной соли.

Для измерения углов между гранями кристаллов служит прибор называемый прикладным гониометром. Самодельный гониометр можно изготовить из двух линеек.

Цель работы: изготовление самодельного гониометра и измерение углов между гранями поваренной соли.

Порядок выполнения работы.

1. Я изготовил прикладной гониометр. Для этого скрепил две линейки с помощью винта и гайки.

2. Приложил кристалл к одной из линеек у точки крепления так, Чтобы грань кристалла была перпендикулярна плоскости линейки. Повернул вторую линейку так, чтобы вторая грань кристалла была перпендикулярна плоскости второй линейки. Закрепил взаимное положение линеек винтом и измерил величину угла между ними с помощью транспортира.

3. Таким же образом измерил величину угла между другими пересекающимися гранями того же кристалла, а так же между гранями других кристаллов.

4. Результаты измерений занес в отчетную таблицу.

Вывод: в этой лабораторной работе я изготовил самодельный гониометр и измерил углы между гранями поваренной соли. Сравнив результаты всех измерений, я пришел к выводу, что кристаллы имеют примерно одинаковую форму граней (при этом не важно какую форму имеет сам кристалл). Все грани имеют одинаковые размеры углов (88 – 900), т.е. грани имеют прямые углы, что дает им правильную геометрическую форму. Один образец поваренной соли имеет форму пирамиды с небольшими отклонениями. Второй образец поваренной соли так же имеет форму пирамиды с небольшими отклонениями.

www.ronl.ru

Реферат - Мир кристаллов - Разное

Тамбовской области Жердевского района

РЕФЕРАТ

«МИР КРИСТАЛЛОВ»

Выполнила работу:

обучающаяся 8 класса

Баширева Виктория

Руководитель работы:

учитель физики

Гребенникова И. А.

2011

«Отыщи всему начало, и ты многое поймешь!»

Козьма Прутков

Введение.

Темой своего реферата я выбрала кристаллы, так как считаю эту область физики одной из самых интересных: и для изучения, и для работы.

В наше время наука идет вперед с огромной скоростью. Для воплощения в жизнь некоторых проектов требуются материалы, обладающие определенными свойствами, но эти материалы не существуют в природе, но их можно вырастить искусственно. Выращивать можно и встречающиеся в природе кристаллы – например алмазы – для снижения их стоимости или получения экземпляров больших размеров.

Ещё один вид кристаллов, повсеместно применяющиеся в электронике – это жидкие кристаллы. Их можно увидеть везде – экраны телевизоров и мониторы компьютеров, электронные часы и микрокалькуляторы, экраны мобильных телефонов и фотоаппаратов и т.д. и т.п. А в скором будущем – фотонные кристаллы.

По моему мнению. Изучение кристаллов, во всех их проявлениях, является наиболее перспективным и востребованным занятием в области физики твердого тела на несколько ближайших десятилетий.

^ История кристаллов и минералов.

Кристаллы издавна привлекали внимание людей своей красотой, правильной формой, загадочностью. «Кристалл» в переводе означает «замерзший». Так древние греки называли горный хрусталь, ведь они думали, что это сильно сжатый лёд. Конечно же, это не лед, а природный родственник стекла. Однако название прижилось на многие века и, более того, теперь кристаллами называют все химические соединения, имеющие симметрию.

^ С незапамятных времен тянется история драгоценных кристаллов, многие из которых во много раз дороже золота.

Самоцветам удивительной красоты приписывались чудотворные свойства, но порой они являлись причиной трагических событий. Пример тому – история одного из самых замечательных алмазов.

Алмаз «Кохинор» в настоящее время принадлежит английской королеве. Первые известия об этом алмазе приходят к нам из Древней Индии. Многие века он был родовой ценностью раджей. Но в 1526 году бесценный камень оказался в руках могущественных завоевателей Азии – Великих Монголов, и с тех пор стал камнем раздора. Череда убийств и прочих бед преследовало царствующие фамилии. И вот в 1739году персидский шах Надир обманом узнал, что тогдашний владелец алмаза Великий Монгол Мухаммед постоянно носит его в своём тюрбане. При прощальном визите Надир – шах предложил Мухаммеду – шаху в знак вечной дружбы обменятся тюрбанами.

Ничего не поделаешь! Когда же новый владелец размотал тюрбан и увидел алмаз, он воскликнул: «Кох-и-нур!» («Гора света!») и тем дал название камню. В сокровищницу английской короны Кохинор попал как военный трофей в 1848 году.

Обычно алмазы бесцветны и прозрачны. Главным достоинством алмаза является его непревзойдённая твёрдость. Нет на свете материала, способного распилить алмаз. Его можно только расколоть или отшлифовать при помощи другого алмаза.

Поиски и разведка драгоценных камней – дело плохо предсказуемое, и часто старатели годами работают впустую, но иногда совершенно случайно счастливчик находит богатую жилу. Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром.

Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.

Заметной вехой в истории кристаллографии явилась книга, написанная в 1784 французским аббатом Р.Гаюи. Вообще говоря, кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды, так как вода, в сущности, не что иное, как расплавленный лед. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород. Магма, проникающая в трещины земной коры или вытесняемая в виде лавы на ее поверхность, содержит многие элементы в разупорядоченном состоянии. При охлаждении магмы или лавы атомы и ионы разных элементов притягиваются друг к другу, образуя кристаллы различных минералов. В таких условиях возникает много зародышей кристаллов. Увеличиваясь в размере, они мешают друг другу расти, а поэтому гладкие наружные грани у них образуются редко.

Кристаллы в природе образуются также из растворов, примером чему могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором хлорида натрия. Если дать воде возможность медленно испаряться, то в конце концов раствор станет насыщенным и дальнейшее испарение приведет к выделению соли. Положительно заряженные ионы натрия притягивают отрицательно заряженные ионы хлора, в результате чего образуется зародыш кристалла хлорида натрия, который выделяется из раствора. При дальнейшем испарении другие ионы пристраиваются к образовавшемуся ранее зародышу, и постепенно растет кристалл с характерной внутренней упорядоченностью и гладкими наружными гранями.

Кристаллы образуются также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы. Сегодня в лабораториях выращивают искусственные кристаллы, но качество их в большинстве случаев уступает природным, поскольку часто невозможно создать те огромные давления и температуры, которые необходимы для роста некоторых камней.

Так что же, алмазы и хрусталь, рубин и изумруды можно выращивать подобно растениям? Да. Сегодня в лабораториях выращивают искусственные кристаллы, но качество их уступает природным, т.к. невозможно создать те огромные давления и температуры.

В недрах Земли минералы растут благодаря тому, что там, в толще горных пород, и высокая температура и давление, при которых даже камни становятся жидкими. И когда то по каким – то причинам слой породы, содержащий нужный минерал, выходит на поверхность Земли, где спадают температура и давление, начинается волшебный процесс кристаллизации (замерзание) камня.

^ В обычных условиях материал, из которых сложены эти бриллианты, мы встречаем везде и даже не замечаем.

А ведь алмаз – родной брат чёрного угля, хрусталь – это преобразившийся речной песок, рубин и вовсе сделан и с того же материала, что и алюминиевая ржавчина. И единственное различие этих совсем непохожих родственников заключается в том, что первые состоя из молекул, аккуратно уложенных в узлы прочной кристаллической решётки, а вторые – из тез же молекул, но слепленных по – другому и менее крепко.

^ В недрах Земли идёт непрерывный процесс возникновения новых кристаллов. Скопление ценных минералов медленно растут, образуя фантастические каменные сады.

Геометрия кристаллов.

Слово «симметрия» мы употребляем по отношению к тем предметам, которые выглядят «со всех сторон одинаково». В более широком смысле это слово означает наличие определённого порядка, закономерности в расположении отдельных частей предмета. Красота той или иной вещи часто зависит от степени соблюдения в ней симметрии.

Уже древнегреческие философы знали, что существует только шесть абсолютно симметричных пространственных фигур. Это тетраэдр с четырьмя гранями, куб – шестью, октаэдр – с восемью, додекаэдр – с двенадцатью, икосаэдр – с двадцатью и наконец, шар, о котором одновременно можно сказать, что у него нет ни одной грани и что их бесконечно много. Оставим шар в покое, и у нас останется пять правильных многогранников. Это пять так называемых платоновых тел. Евклид доказал в своём знаменитом трактате «Начала», что их только пять, и невозможно придумать больше никаких других тел, склеенных из одинаковых многоугольников.

^ Так уж устроен наш мир!

Однако, если позволить себе чуть – чуть нарушить полную симметрию и попробовать комбинировать в качестве граней фигуры правильные многоугольники разных типов, то можно построить ещё тринадцать не менее красивых «почти правильных» тел. Их впервые построил Архимед, и потому они называются архимедовыми телами.

Строгая упорядоченность граней симметричных многогранников создаёт впечатление, что они могут существовать только в виде фантастических моделей. Но кристаллические минералы являются не единственными реальными подтверждениями присутствия таких форм в природе. Нередко правильные геометрические фигуры встречаются там, где мы их меньше всего ожидаем увидеть, или мы настолько привыкли к ним, что просто не замечаем их.

^ Виды кристаллов очень разнообразны.

АЛМАЗ - минерал, самородный элемент, встречается в виде восьми- и двенадцатигранных кристаллов (нередко с закругленными гранями) и их частей.

РУБИН - прозрачный, ярко-красного, темно-красного или

фиолетово-красного цвета. Окраска создается примесью хрома.

Исходным материалом для САПФИРА является корунд -

бесцветный оксид алюминия. При добавления к нему титана и

железа в период его формирования образуются кристаллы

сапфира прекрасного синего цвета. Кристаллы сапфира

являются гексагональными дипирамидами и относятся к

тригональной сингонии.

ИЗУМРУД является разновидностью берилла — силиката

алюминия и бериллия. Кристаллы изумруда принадлежат к

гексагональной сингонии.

Как известно, форма является вторичной по отношению к содержанию. В соответствии с этим и кристаллографы всегда подчёркивают, что форма кристалла, прежде всего, зависит от его внутреннего строения, т. е. от кристаллической структуры.

Такую структуру схематично изображают в виде пространственной решётки. При этом, рёбра и грани кристалла соответствуют узлам, рядам и плоским сеткам решётки. Вместе с тем не стоит забывать о том, что на формирование кристаллического тела накладывает свой отпечаток и питающая его среда.

Обратимся теперь к самим формам кристаллов и познакомимся с тем, как кристаллографы научились их определять и даже наперёд предсказывать. Подчеркнём, что ими был создан строго математический вывод всех возможных на свете кристаллических форм.

В течении долгих столетий геометрия кристаллов казалась таинственной и неразрешимой загадкой. Не случайно на гравюре великого немецкого художника Альбрехта Дюрера (1471-1528) изображена Меланхолия в виде печального ангела, безнадёжно всматривающегося в огромный кристалл.

^ Вплоть до 17 века дальше описаний «удивительных угловатых тел» дело не пошло.

Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твёрдыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далёком прошлом совершенную огранку, успела утратить её под действием воды, ветра, трения о другие твёрдые тела. Так, многие округлые прозрачные зёрна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца,лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.

Правильная многогранная форма кристалла, прежде всего, бросается в глаза наблюдателю, и она, конечно же, не составляет главную особенность кристаллического тела, но всё-таки я предлагаю обратить внимание на это явление - идеальную форму кристалла.

Форму, которую принимает монокристалл тогда, когда при его росте устранены все случайные факторы, называют идеальной. Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми рёбрами и обладает симметрией. Как и всякий многогранник, кристалл имеет некоторое число граней P, рёбер R, вершин E, причём эти числа связаны между собой соотношением P+E=R+2. например, у куба 6 граней, 8 вершин и 12 рёбер (6+8=12+2). Для октаэдра, додекаэдра это соотношение также справедливо.

Куб, октаэдр, додекаэдр представляют собой простые правильные многогранники. В форме правильных многогранников кристаллизуется сравнительно небольшое число кристаллов. В форме куба кристаллизуется поваренная соль, сернистый цинк, в форме октаэдров - алмаз, в форме ромбического додекаэдра - гранат.

Чаще всего вещества кристаллизуются в виде сложных многогранников, т.е. они бывают ограничены несколькими сортами равных между собой граней. Так, например, кристалл квасцов имеет обычно 6 восьмиугольных граней, 8 шестиугольных граней и 12 четырехугольных граней. Идеальные формы кристаллов симметричны. По выражению известного русского кристаллографа Евграфа Степановича Фёдорова (1853-1919) , кристаллы блещут симметрией.

^ В кристаллах можно найти различные элементы симметрии: плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии.

Рассмотрим симметрию некоторых простейших кристаллических форм. Кристаллы в форме куба (NaCl , KCl и др.) имеют девять плоскостей симметрии, три из которых проходят параллельно граням куба, а шесть – по диагоналям. Кроме того, куб имеет три оси симметрии 4-го порядка, четыре оси 3-го порядка и шесть осей 2-го порядка, кроме того, он имеет центр симметрии. Всего в кубе 1+9+3+4+6=23 элемента симметрии. Кристаллы алмаза, калиевых квасцов имеют форму октаэдров. Октаэдры обладают такими же элементами симметрии, что и кубы.

У кристаллов магния, имеющих форму гексагональной призмы (т.е. призмы, опирающейся на правильный шестиугольник) , 6 плоскостей симметрии и одна ось симметрии 6-го порядка. У кристаллов медного купороса имеется лишь центр симметрии, других элементов симметрии у них нет.

Из этого небольшого обзора симметрий различных кристаллов можно сделать вывод, что различные кристаллы обладают разной симметрией. Есть формы богатые симметрией (куб, октаэдр), есть бедные (кристаллы медного купороса). У разных кристаллов различны элементы симметрии. Например, кристаллы магния обладают осью симметрии 6-го порядка, а кристаллы NaCl имеют 13 осей симметрии, но ни одна из них не является осью симметрии 6-го порядка и т.д.

Совокупность имеющихся элементов симметрии определяет вид симметрии. Так, можно утверждать, что кристаллы поваренной соли (в виде кубов) и кристаллы калиевых квасцов (в виде октаэдров) обладают одинаковой симметрией и относятся к одному виду симметрии.

^ Кристаллы магния, медного купороса имеют свои своеобразные виды симметрии.

На первый взгляд кажется, что число видов симметрии может быть бесконечно большим. Геометрические фигуры (многогранники) действительно имеют бесчисленное множество видов симметрии. Однако среди кристаллов не встречаются оси вращения 5-го порядка, а также оси вращения выше 6-го порядка. Это ограничивает число возможных видов симметрии кристаллов. В 1867 г. впервые со всей очевидностью русский инженер и кристаллограф А.В.Гадолин доказал, что кристаллы могут обладать лишь 32 классами симметрии.

^ Применение кристаллов в науке и технике.

Кристаллы встречаются повсюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем их в лабораториях и в заводских установках, создаём приборы и изделия из кристаллов, лечимся ими и т.д. Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. На всём этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. Например, зависимость цвета от температуры используется для медицинской диагностики. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Температурная зависимость цвета позволяет также контролировать качество изделий без их разрушения. Если металлическое изделие нагревать, то его внутренний дефект изменит распределение температуры на поверхности. Эти дефекты выявляются по изменению цвета нанесённого на поверхность жидкокристаллического материала.

Тонкие плёнки жидких кристаллов, заключённые между стёклами или пластмасса, нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств. Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и небольших калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном. Сравнительно недавно было получено углеродное и полимерное волокно на основе жидкокристаллических матриц.

1. Алмаз. Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение.

Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила - это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень.

^ Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах.

В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия.

Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, каленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в Промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никакого износа даже после 25 млн. оборотов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его в качестве теплоотводящей подложки в полупроводниковых электронных микросхемах.

^ Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях — это бриллианты.

2. Рубин. Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же мине­рал - корунд, окись алюминия А1 2О 3. Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми казались рубиновые стержни – нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются, в то время как нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.

Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча.

3. Жидкие кристаллы. Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают анизотропией. Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле.

Наибольший интерес для техники представляют холестерические жидкие кристаллы. В них направление осей молекул в каждом слое немного отличается друг от друга. Углы поворота осей зависят от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла. Эта зависимость используется в медицине: можно непосредственно наблюдать распределение температуры по поверхности человеческого тела, а это важно для выявления скрытых под кожей очагов воспалительного процесса. Для исследования изготовляют тонкую полимерную плёнку с микроскопическими полостями, заполненными холестериком. Когда такую плёнку накладывают на тело, то получается цветное отображение распределения температуры. Этот же принцип используется в жидкокристаллических термометрах.

Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенно-цифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и т.д. Нужная цифра или буква воспроизводится с помощью комбинации небольших ячеек, выполненных в виде полосок. Каждая ячейка заполнена жидким кристаллом и имеет два электрода, на которые подаётся напряжение. В зависимости от величины напряжения, загораются те или иные ячейки. Индикаторы можно делать чрезвычайно миниатюрными, они потребляют мало энергии.

^ Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах

4. Вольфрам и молибден. На современном уровне технического развития резко возросли скорости нагрева и охлаждения деталей приборов и машин, значительно увеличился интервал температур, при которых им приходится работать. Очень часто требуется длительная работа при очень высоких температурах, в агрессивных средах. Также необходимы машины, способные выдерживать большое число температурных циклов.

При таких сложных условиях эксплуатации детали и целые узлы многих машин и приборов очень быстро изнашиваются, покрываются трещинами и разрушаются. Для работы при высоких температурах широко применяются тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам. Монокристаллы вольфрама и молибдена, полученные при помощи зонной плавки, используются для изготовления сопел реактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей обшивок головных частей ракет, ионных двигателей, турбин. атомных силовых установок и во многих других устройствах и механизмах Поликристаллические вольфрам и молибден применяются для изготовления анодов, катодов, нитей накаливания в лампах, высокотемпературных электрических печей.

5 . Кварц. Эго диоксид кремния, один из самых распространённых минералов земной коры, по сути, песок. Природные кристаллы кварца имеют размеры от песчинок до нескольких десятков сантиметров, встречаются кристаллы размером до одного метра и более. Чистый кристалл кварца бесцветен, ничтожные посторонние примеси вызывают разнообразную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы — это горный хрусталь, фиолетовые — аметист, дымчатые — раухтопаз. Оптические свойства кварца обусловили широкое применение его в оптическом приборостроении: из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров. Кварц, в отличие от стекла, хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают специальные линзы, применяемые в ультрафиолетовой оптике.

Кварц также обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способен преобразовывать механическое воздействие в электрическое напряжение. Благодаря этому свойству кварц широко применяется в радиотехнике и электронике — в стабилизаторах частоты (в том числе и в часах), всевозможных фильтрах, резонаторах и тд, С помощью кристаллов кварца возбуждают (и измеряют) малые механические и акустические воздействия.

^ Из плавленого кварца изготавливают тигли, сосуды и другие емкости для химических лабораторий.

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах "на счастье" и "своих камнях", соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи. Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.

Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

Искусственные кристаллы. С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До 20 в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в конце 1940-х годов были синтезированы изумруды, а в 1955 фирма "Дженерал электрик" и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов. Многие технологические потребности в кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе - из раствора, расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы сегнетовой соли выращиваются из водного раствора при атмосферном давлении.

Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.

Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный. 

  Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

Вероятно в ближайшее время будут использоваться сочетания традиционных полупроводниковых устройств на базе фотонных кристаллов. В будущем планируется переход на компьютеры, основанные исключительно на фотонике, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с компьютерами, основанными на электронике.

^ В 2004 г. появилось сообщение о создании лазера на основе искусственного инвертированного опала.

Выращивание кристаллов.

Выращивание кристаллов – процесс занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества образуют кристаллы разной формы. А некоторые их вовсе не образуют. Если кристаллизация идёт очень медленно, то получается один большой кристалл, если быстро - то множество мелких.

Кристаллы могут также расти при конденсации паров – так получаются снежинки и узоры на холодном стекле. При вытеснении металлов из растворов их солей с помощью более активных металлов также образуются кристаллы. Например, если в раствор медного купороса опустить железный гвоздь, он покроется красным слоем меди. Но образовавшиеся кристаллы меди настолько мелкие, что их можно разглядеть только под микроскопом. На поверхность гвоздя медь выделяется очень быстро, поэтому и кристаллы её, слишком мелкие. Но если процесс замедлить кристаллы получатся большими.

Механизм роста кристаллов долгое время считалось очевидным, что при росте кристалл строится слой за слоем. Сначала завершается построение одного слоя, потом начинается укладка следующего и т. д. В результате грани, наращиваясь слой за слоем, перемещаются параллельно самим себе, как при кладке кирпичной стены. О справедливости такого предположения, казалось бы, говорят факты существования плоских граней у кристаллов. Ясно, что осаждение нового атома наиболее вероятно в точке А поверхности, где он будет удерживаться тремя Соседями, так как в любой другой точке поверхности грани он будет удерживаться меньшим числом соседей (см. приложение). Когда закончится застройка четвертого ряда, начнется застройка пятого и т. д., пока не завершится вся плоскость.

После этого рост кристалла затрудняется, так как образование нового Слоя событие менее вероятное. В любом месте на завершенной плоскости атом будет связан с небольшим числом атомов кристалла. Вероятность того, что эта слабая связь будет Нарушена тепловым Движением, велика, поэтому атом не может закрепиться на кристалле.

При таком механизме застройки атомных плоскостей скорость роста кристалла должна быть очень малой. В опыте же по выращиванию кристаллов из паров с перенасыщением всего 1% была обнаружена скорость роста кристалла в 101000больше рассчитанной теоретически.

Заключение.

Представления о кристаллах, их строении и свойствах развивались на протяжении нескольких веков. Точкой отсчёта истории кристаллов может быть известие о существовании изумрудов в Индии за 2 тыс. лет до н. э., алмазов на 1000 – 1500 лет до н. э., рубинов Цейлона за 600 лет до н. э. Человек пытается разгадать природу кристалла с 13 – 14 веков н. э., а в середине 20 века весь мир удивили жидкие кристаллы, в конце 20 века сенсацией стало известие об от

www.ronl.ru

Реферат - Жидкие кристаллы - Программирование

S=^«cos»e>-73), (1) где в—угол между направлениями директора и мгно- венным направлением длинной оси молекул, a • обозначает среднее по времени значении cos'@. Из формулы (1) ясно, что параметр 5 может принимать значения от 0 до 1. Значение -S==1 соответствует полному ориентационномупорядку. Причем .S==1 достигается, как нетрудно понять, если значение в не изменяется во времени и равно 0, т. е. если направление длинных осей молекул строго совпадает с направлением директора. =='/3. Значение S==0, таким образом, соответствует уже нематику, перешедшему в изотропную жидкость. В нематической же фазе значение параметра порядка S^>0, минимально непосредственно при температуре перехода Т 14 из изотропной жидкости в нематическую фазу и возрастает по мере понижения температуры ниже TN' В целом же при изменении температуры происходит смена следующих фазовых состояний. При температуре ниже точки перехода нематика в обыкновенный кристалл или, как ее называют, температуре плавления Тщ — кристаллическое состояние. В интервале температур от Т м, до TN—нематический жидкийкристалл. Выше TIN— обычная жидкость. Пока что речь шла об однодоменном состоянии нема-тического образца, в котором ориентация директора одинакова во всех его точках, как изображено на рис. 4. В таком однодоменном образце нематика наиболее ярко проявляются его свойства, типичные для твердых кристаллов, в частности, двупреломление света. Последнее означает, что показатели преломления для света, плоскость поляризации которого перпендикулярна директору и плоскость поляризации которого содержит директор, указываются различными. Однако для того чтобы полунить однодоменный образец нематика, как, впрочем, и любых других разновидностей жидких кристаллов, необ ходимо принятие специальных мер, о которых будет рассказано ниже. Если же не приняты специальные предосторожности, то жидкокристаллический образец представляет собой совокупность хаотическим образом ориентированных малых однодоменных областей. Именно с такими образцами, как правило, имели дело первые исследователи жидких кристаллов, и мутный расплав, возникавший после первого плавления МББА, о котором говорилось выше, и был образцом такого вида. На границах раздела различным образом ориентированных однодоменных областей в таких образцах происходит, как говорят, нарушение оптической однородности или, что то же самое, скачок значения показателя преломления. Это непосредственно следует из сказанного выше о двупреломлении однодоменного нематического образца и просто соответствует тому, что для света, пересекающего границу раздела двух областей с различной ориентацией директора, показатели преломления этих областей различны, т. е. показатель преломления испытывает скачок. А как хорошо известно, на границе раздела двух областей с различными показателями преломления свет испытывает отражение. С таким отражением каждый знаком на примере оконных стекол. Так же, как и в случае с оконным стеклом, на одной границе раздела (одном скачке оптической однородности) отражение света в нематикеможет быть невелико, но если таких границ много (в образце много неупорядоченных однодоменных областей), такие нерегулярные нарушения оптической однородности приводят к сильному рассеянию света. Вот почему нематики, если не принять специальных мер, сильно рассеивают свет. После первого плавления при температуре Тд, возникает мутный расплав. Пока что речь шла о том, как выглядит нематик в неполяризованном свете. Очень интересную и своеобразную картину представляет нематик, если его рассматривать в поляризованном свете и анализировать поляризацию прошедшего через него света (см. рис. 5). На рис. 5 представлена схема такого опыта. Поляризатор Pi линейно поляризует свет от источника света, а поляризатор Pi пропускает только определенным образом линейно поляризованный свет, прошедший через нематический образец А. Картина, которую увидит наблюдатель в свете, прошедшем через поляризатор, представляет собой причудливую совокупность пересекающихся линий. Эти линии или, как их называют, нити и представляют собой изображение границ раздела между однодоменными областями. А почему эти границы можно видеть или, как говорят, визуализовать, в поляризованном свете будет понятно из дальнейшего. Наблюдениям этих нитей первыми исследователями нематик и обязан своему названию. Нема —это по гречески нить. Отсюда и название—нематический жидкий кристалл или нематик. Здесь же надо сказать, что реально наблюдения описанной картины нематика в связи с малостью размеров областей с одинаковой ориентацией директора осуществляются с помощью поляризационного микроскопа. Упругость жидкого кристалла. Выше в основном говорилось о наблюдениях, связанных с проявлением необычных оптических свойств жидких кристаллов. Первым исследователям бросались в глаза, естественно, свойства, наиболее доступные наблюдению. А такими свойствами как раз и были оптические свойства. Техника оптического эксперимента уже в девятнадцатом веке достигла высокого уровня, а, например, микроскоп, даже поляризационный, т. е. позволявший освещать объект исследования поляризованным светом и анализировать поляризацию прошедшего света, был вполне доступным прибором для многих лабораторий. Оптические наблюдения дали значительное количество фактов о свойствах жидкокристаллической фазы, которые необходимо было понять и описать. Одним из первых достижений в описании свойств жидких кристаллов, как уже упоминалось во введении, было создание теории упругости жидких кристаллов. В современной форме она была в основном сформулирована английским ученым Ф. Франком в пятидесятые годы. Постараемся проследить за ходом мысли и аргументами создателей теории упругости ЖК. Рассуждения были (или могли быть) приблизительно такими. Установлено, что в жидком кристалле, конкретно нематике, существует корреляция (выстраивание) направлений ориентации длинных осей молекул. Это должно означать, что если по какой-то причине произошло небольшое нарушение в согласованной ориентации молекул в соседних точках нематика, то возникнут силы, которые будут стараться восстановить порядок, т. е. согласованную ориента цию молекул. Конечно, исходной, микроскопической, причиной таких возвращающих сил является взаимодействие между собой отдельных молекул. Однако надеяться на быстрый успех, стартуя от взаимодействия между собой отдельных молекул, да еще таких сложных, как в жидких кристаллах, было трудно. Поэтому создание теории пошло по феноменологическому пути, в рамках которого вводятся некоторые параметры (феноменологические), значение которых соответствующая теория не берется определить, а оставляет их неизвестными или извлекает их значения из сравнения с экспериментом. При этом теория не рассматривает молекулярные аспекты строения жидких кристаллов, а описывает их как сплошную среду, обладающую упругими свойствами. Для кристаллов существует хорошо развитая теория упругости. Еще в школе учат тому, что деформация твердого тела прямо пропорциональна приложенной силе и обратно пропорциональна модулю упругости К. Возникает мысль, если оптические свойства жидких кристаллов подобны свойствам обычных кристаллов, то, может быть, жидкий кристалл, подобно обычному кристаллу, обладает и упругими свойствами. Может показаться на первый взгляд, что эта мысль совсем уж тривиальна. Однако не торопитесь с суждениями. Вспомните, что жидкий кристалл течет, как обычная жидкость. А жидкость не проявляет свойств упругости, за исключением упругости по отношению к всестороннему сжатию, и поэтому для нее модуль упругости по отношению к обычным деформациям строго равен нулю. Казалось бы, налицо парадокс. Но его разрешение в том, что жидкий кристалл — это не обычная, а анизотропная жидкость, т. е. жидкость, «.свойствакоторой различны в различных направлениях. Таким образом, построение теории упругости для жидких кристаллов было не таким уж простым делом и нельзя было теорию, развитую для кристаллов, непосредственно применить к жидким кристаллам. Во-первых, Существенно, что, когда говорят о деформации в жидких кристаллах, то имеют в виду отклонения направления директора от равновесного направления. Для нематика, например, это означает, что речь идет об изменении от Точки к точке в образце под влиянием внешнего воздействия ориентации директора, который в равновесной ситуации, т. е. в отсутствии воздействия, во всем образце ориентирован одинаково. В обычной же теории упруго сти деформации описывают смещение отдельных точек твердого тела относительно друг друга под влиянием приложенного воздействия. Таким образом, деформации в жидком кристалле — это совсем не те привычные всем деформации, о которых говорят в случае твердого тела. Кроме того, упругие свойства жидкого кристалла в общем случае следует рассматривать, учитывая его течение, что также вносит новый элемент и тем самым усложняет рассмотрение по сравнению с обычной теорией упругости. Поэтому здесь ограничимся рассказом об упругости жидких кристаллов в отсутствие течений. Оказывается, любую деформацию в жидком кристалле можно представить как одну из трех допустимых в ЖК видов изгибных деформаций либо как комбинацию этих трех видов деформации. Такими главными деформациями являются поперечный изгиб, кручение и продольный изгиб. Рис. 6, иллюстрирующий названные виды деформаций, делает понятным происхождение их названий. В поперечном изгибе меняется от точки к точке вдоль оси образца на рис. 6, а направление, перпендикулярное (поперечное) директору, в продольном изгибе — ориентация директора, а в кручении происходит поворот директора вокруг оси изображенного на рис. 6, б образца. Коэффициенты пропорциональности между упругой энергией жидкого кристалла и деформациями изгибов называют упругими модулями. Таких упругих модулей в жидких кристаллах по числу деформаций три —K1, К2 и Кз. Численные значения этих модулей несколько отличаются друг от друга. Так, модуль продольного изгиба Кз обычно оказывается больше двух других модулей. Наименьшую упругость жидкий кристалл проявляет по отношению к кручению, т. е. модуль Кг, как правило, меньше остальных. Такой результат качественно можно понять, вспоминая обсуждавшуюся выше модель нематика как жидкости ориентированных палочек. Действительно, чтобы осуществить продольный изгиб, надо прикладывать усилия, которые стремятся изогнуть эти палочки (а они жесткие)). В деформации же кручения, например, происходит просто поворот палочек-молекул относительно друг друга, при этом не возникает усилий, связанных с деформацией отдельной палочки-молекулы. Поэтому и оказывается, что упругость по отношению к продольному изгибу (модуль Кз), больше упругости по отношению к кручению (модуль К2). Модуль же К) имеет промежуточную между К2 и Кз величину. Чтобы сравнить упругость жидкого кристалла с упругостью обычного кристалла, надо сравнить их упругие энергии, приходящиеся на единицу объема. При этом можно для качественной оценки пренебречь различием модулей поперечного, продольного изгиба и кручения и, вычисляя упругую энергию жидкого кристалла, использовать их среднее значение. Сравнение показывает, что упругая энергия твердого тела в типичной ситуации оказывается по меньшей мере на десять порядков больше упругой энергии жидкого кристалла))) Таким образом, теория упругости жидких кристаллов, описывающая их как сплошную среду, т. е. претендующая только на описание свойств ЖК, усредненных по расстояниям больше межмолекулярных, приводит к выводу, что минимальная энергия жидкого кристалла соответствует отсутствию деформаций в нем. Для нематика таким состоянием с минимальной энергией или, как говорят, основным состоянием является конфигурация с одинаковой ориентацией директора во всем объеме образца. Любое отклонение распределения направлений директора от однородного (т. е. постоянного во всем объеме) связано с наличием в нематике дополнительной упругой энергии, т. е. может быть реализовано только за счет приложения внешних воздействий, например, связанных с поверхностями образца, внешними электрическими и магнитными полями и т. д. В отсутствие этих воздействий или при снятии их нематик стремится возвратиться в состояние с однородной ориентацией директора. Континуальная теория применима для описания и других типов жидких кристаллов. Для них, однако, требуются определенные модификации теории. Но об этом речь пойдет дальше. Гидродинамика ЖК.Только что мы познакомились с упругими свойствами жидкого кристалла, сближающими его с твердыми телами. При этом обнаружились существенные отличия его упругих свойств от свойств кристалла как в качественном, так и количественном отношении. Теперь познакомимся детально со свойством жидкого кристалла, типичным для жидкости, — текучестью, изучением которой занимается наука гидродинамика. Сразу следует сказать, что несмотря на солидный возраст гидродинамики, одной из древнейших научных дисциплин, и большие достижения, в этой науке существуют проблемы, не решенные до сих пор. К их числу относится проблема турбулентного, т. е. сопровождающегося нерегулярными вихрями, как в бурном потоке, течения жидкости. Эта проблема, находящаяся, кстати сказать, сейчас в центре внимания специалистов, не решена еще для самых обычных жидкостей, таких, как вода. А о полном описании турбулентного течения таких сложных сред, как жидкие кристаллы, пока что не идет и речи. Поэтому, говоря здесь о текучести жидких кристаллов, мы будем иметь в виду их спокойное течение, в которомнет нерегулярных вихрей, или, как принято называть его, «ламинарное течение». Ламинарное течение обычных жидкостей хорошо изучено. Основной характеристикой, определяющей течение в этих условиях, является вязкость, свойство жидко стей, всем хорошо известное на практике. Так, каждый, не задумываясь, скажет, что у воды вязкость небольшая, у смазочных масел гораздо больше, а у смолы—очень большая. Вязкость характеризуется количественно коэффициентом вязкости ?, который показывает, как сильно трение между соседними слоями текущей жидкости и насколько интенсивно передается движение жидкости от одной ее точки к другой (см. рис. 7). Именно из-за вязкости при течении жидкости по трубе ее скорость непосредственно на стенках трубы равна нулю, а в сечении трубы не постоянна, а возрастает по мере удаления от стенок, достигая максимума в центре. Типичными задачами в течении жидкостей являются течение жидкости по трубе (например, нефтепродуктов в трубопроводе) и движение тела (например, шарика под действием силы тяжести) в жидкости. Понятно, что оба эти примера имеют непосредственное отношение к практическим задачам. Гидродинамика давно уже дала точное описание таких течений и, зная вязкость жидкости и давление, создаваемое насосными станциями, можно абсолютно точно рассчитать поток нефти в трубопроводе или скорость движения тела в жидкости. Для нас здесь важно то, что именно в таких условиях выполняют измерение вязкости жидкостей. В соответствующих экспериментах трубу заменяют капилляром, а движущееся тело шариком, падающим под действием силы тяжести в жидкости. Течение жидкости в капилляре описывается законом Пуазейля, названным так в честь французского ученого, открывшего эту закономерность. В соответствии с этим законом количество жидкости, протекающей через трубу (капилляр), прямо пропорционально разности давлений на концах трубы, второй степени площади сечения трубы и обратно пропорционально коэффициенту вязкости. Скорость движения шарика в жидкости описывается законом Стокса, названного так по имени английского физика девятнадцатого века, современника Пуазейля. Эта закономерность гласит, что скорость движения шарика в жидкости прямо пропорциональна приложенной к нему силе и обратно пропорциональна радиусу шарика и вязкости жидкости. Обратим здесь внимание читателя на то, что в девятнадцатом веке и ранее было часто принято многим установленным учеными соотношениям, даже не очень важным, давать громкое имя «закон». В результате этой традиции появились приведенные выше термины — закон Пуазейля, закон Стокса и многие другие законы. Это не должно смущать читателя и вводить его в заблуждение при оценке значимости названных соотношений по сравнению со знакомыми ему со школьной скамьи фундаментальными законами, например, законами механики Ньютона или законами электромагнетизма Фарадея. Конечно, значимость соотношений, найденных Пуазей-лем и Стоксом, несравнима со значимостью фундаментальных законов Природы, а установившаяся здесь терминология—это просто дань времени. По современной практике вместо слова «закон» следовало бы употребить термин «формула», т. е. формула Пуазейля, формула Стокса. Названные закономерности, как будем их называть, после сделанного отступления прекрасно зарекомендовали себя при определении вязкости жидкостей. В частности, экспериментально была подтверждена их справедливость и показано, что значение коэффициента вязкости ? не зависит от скорости течения жидкости (скорости шарика), пока выполняются условия ламинарного течения. Приступая к изучению гидродинамики жидких кристаллов, исследователи начали с того, что просто применили описанные методы измерения вязкости к жидким кристаллам. Такой подход ничего хорошего не дал. Результаты измерений вязкости не воспроизводились и зависели, казалось бы, от случайных причин, таких, как предыстория образца, способа изготовления капилляров, применяемых в измерениях. Более того, некоторые измерения показывали зависимость коэффициента вязкости от скорости течения жидкого кристалла. Эти первые результаты показали, что гидродинамика жидких кристаллов гораздо сложней и интересней, чем гидродинамика обычных жидкостей. И конечно, надо сказать, что исследователи, начиная изучать гидродинамику жидких кристаллов, надеялись обнаружить новые, не известные для обычных жидкостей свойства и были бы разочарованы, если бы течение жидких кристаллов описывалось простыми формулами Пуазейля и Стокса. В чем же дело? Почему течение нематика оказывается более сложным, чем течение обычной жидкости? Дело в том, что течение жидкостивызывает переориентацию длинных осей молекул. А на введенном выше языке описания жидкого кристалла как сплошной среды с помощью задания в каждой его точке направления директора означает, что течение нематика, с одной стороны, может приводить к переориентации директора, а с другой, к тому, что характеристики течения оказываются различными при различной ориентации директора по отношению к направлению скорости течения жидкости. Эти результаты легко понять и на молекулярном уровне. При течении жидкости молекул-палочек по капиллярам, особенно узким, течение будет выстраивать палочки-молекулы вдоль оси капилляра. Если каким-либо' образом заставлять оставаться ориентацию палочек неизменной, то легко сообразить, что течение жидкости • случае ориентации палочек поперек капилляра будет затруднено по сравнению с течением при их ориентации вдоль капилляра. Эти интуитивные представления, которые мы черпаем из повседневного опыта, полностью подтверждаются на эксперименте. Еще в начале 40-х годов В. Н. Цветков исследовал зависимость скорости протекания нематика через капилляры от ориентации директора. При ориентации директора поперек капилляра скорость протекания жидкого кристалла через капилляр оказалась существенно меньше, чем при ориентации директора вдоль оси капилляра. Ориентация директора поперек оси капилляра осуществлялась с помощью прикладываемого перпендикулярно капилляру магнитного поля (о том, почему поле ориентирует нематик, речь еще впереди). Результат опыта, интерпретация которого проводилась с помощью формулы Пуазейля, показал, что при включенном магнитном поле наблюдаемая вязкость почти в 2 раза больше, чем в отсутствии магнитного поля. Таким образом, опыт показал, что для жидких кристаллов надо разрабатывать свою, более сложную и общую, чем для обычных жидкостей, теорию текучести. Такая теория разрабатывается усилиями многих исследователей. И оказалась она гораздо более сложной, чем обычная гидродинамика. Достаточно сказать, что в общем случае жидкий кристалл описывается восьмью коэффициентами вязкости. И даже упрощенный вариант этой теории, пренебрегающий сжимаемостью жидких кристаллов, содержит пять коэффициентов вязкости. Это определяет как трудности теоретического описания течения жидких кристаллов, так и постановку экспериментов, допускающих однозначную интерпретацию результатов. Здесь надо добавить, что в экспериментальном отношении дополнительные трудности связаны с тем, что в процессе течений в жидком кристалле могут возникать дефекты в ориентации директора. Дефектами называют точки или линии в нематике, на которых ориентация директора не определена. Поведение течений при наличии таких дефектов особенно сложно, и, в частности, упоминавшуюся выше зависимость вязкости нематика от скорости течения связывают с возникновением при возрастании скорости именно таких дефектов, Таким образом, можно констатировать, что течение жидких кристаллов—это весьма сложный процесс, а исследования гидродинамики ЖК находятся в начале своего пути. Облегчает исследование гидродинамики жидких кристаллов их двулучепреломление, оно позволяет визу-ализировать наведенные течением жидкого кристалла, изменения ориентации директора и, наоборот, по изменению двупреломления, т. е. оптических свойств нематика, судить о скоростях и изменении скоростей в потоке.Электрические свойства. Забегая вперед, скажем, что большинство применений жидких кристаллов связано с управлением их свойствами путем приложения к ним ! электрических воздействий. Податливость и «мягкость» жидких кристаллов по отношению к внешним воздействиям делают их исключительно перспективными материалами для применения в устройствах микроэлектроники, для которых характерны небольшие электрические напряжения, малые потребляемые мощности и малые габариты. Поэтому для обеспечения оптимального режима функционирования ЖК элемента в каком-либо устройстве важно хорошо изучить электрические характеристики жидких кристаллов. Начнем описание электрических свойств с электро проводности жидких кристаллов. Электропроводность — это величина, характеризующая количественно способность вещества проводить ток. Она является коэффициентом пропорциональности в формуле l==oU, устанавливающей связь между током / и приложенным напряжением U. Поскольку проводимость о — характеристика вещества, то ее значение всегда приводится для единичного объема вещества с единичным сечением поверхностей. Такой «объемчик» можно представить себе в виде кубика или цилиндра. Напряжение прикладывается к противоположным граням куба или сечениям цилиндра, а ток в приведенной формуле—это суммарный ток через грани куба, к которым приложено напряжение, или через сечение цилиндра. Вспомнив курс школьной физики, читатель скажет, что проводимость — это величина, обратная удельному сопротивлению (строго говоря, введенную нами величину следует также называть удельной проводимостью, но слово «удельная» обычно опускают). Совершенно правильно] Более того, проводимость измеряется в тех же, что и сопротивление, единицах — в омах, точнее, обратных омах. Для объема ЖК в один кубический сантиметр ее типичное значение ^0~"—\0~" Ом-*-см. Это довольно-таки малая величина, характерная для органических жидкостей. Для металлов соответствующая величина на 16—18 порядков больше) Но здесь важно не абсолютное значение проводимости, а то, что проводимость в направлении вдоль директора (Гц отличается от проводимости поперек директора Од. . В большинстве нематиков сгц больше, чем Oi. Так, для нематика МББА вЦ/»1==1,5- Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионный характер. Это означает, что ответственными за перенос электрического тока в ЖК являются не электроны, как в металлах, а гораздо более массивные частицы. Это положительно и отрицательно заряженные фрагменты молекул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие избыточный электрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и химической природы содержащихся в них примесей. В частности, электропроводность нематика можно целенаправленно изменять, добавляя в него контролируемо» количество ионных добавок, в качестве которых могут выступать некоторые соли. Из сказанного понятно, что ток в жидком кристалле представляет собой направленное движение ионов в системе ориентированных палочек-молекул. Если ионы представить себе в виде шариков, то свойство нематика обладать проводимостью вдоль директора в ?. больше, ????, представляется совершенно естественным и понятным. Действительно, при движении шариков вдоль директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек, чем при движении поперек молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать, что продольная проводимость о II будет превосходить поперечную проводимость. Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных палочек-молекул с необходимостью приводит к следующему важному заключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора (мы считаем, что поле приложено поперек директора), ионы, сталкиваясь с молекулами-палочками, будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдоль направления электрического тока. Мы приходим к заключению, что электрический ток в жидком кристалле должен приводить к переориентации директора. Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуация оказывается не такой простой, как может показаться на первый взгляд. Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а периодическое в пространстве возмущение ориентации директора. Дело здесь в том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионов носителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовлекать в свое движение также и молекулы нематика. В результате такого вовлечения прохождение тока в жидком кристалле может сопровождаться гидродинамическими потоками, вследствие чего может установиться периодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкого кристалла. Вследствие же обсуждавшейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика возникнет периодическое возмущение распределения директора. Подробней на этом интересном и важном в приложении жидких кристаллов явлении мы остановимся ниже, рассказывая об электрооптике нематиков. Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме молекул жидкого кристалла, мы пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. А всегда ли такая аппроксимация хороша? Рассматривая модели структур молекул, можно прийти к заключению, что не для всех соединений приближение молекула-палочка наиболее адекватно их форме. Далее мы увидим, что с формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жидких кристаллов. Сейчас мы остановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов, связанном с отклонением ее формы от простейшей молекулы-палочки, проявляющемся в существованиифлексоэлектрического эффекта. Интересно, что открытие флексоэлектрического эффекта, как иногда говорят о теоретических предсказаниях, было сделано на кончике пера американским физиком Р. Мейером в 1969 году. Рассматривая модели жидких кристаллов, образованных не молекулами-палочками, а молекулами более сложной формы, он задал себе вопрос: «Как форма молекулы может обнаружить себя в макроскопических свойствах?» Для конкретности Р. Мейер предположил, что молекулы имеют грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил, что отклонение формы молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее, сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента. Возникновение дипольного момента у молекулы несимметричной формы — типичное явление и связано оно с тем, что расположение «центра тяжести» отрицательного электрического заряда электронов в молекуле может быть несколько смещено относительно «центра тяжести» положительных зарядов атомных ядер молекулы. Это относительное смещение отрицательных и положительных зарядов относительно друг друга и приводит к возникновению электрического дипольного момента молекулы. При этом в целом молекула остается нейтральной, так как величина отрицательного заряда электронов в точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента равна произведению заряда одного из знаков на величину их относительного смещения. Направлен дипольный момент вдоль направления смещения от отрицательного заряда к положительному. Для грушеобразной молекулы направление дипольного момента по симметричнымсоображениям должно совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы — направлено поперек длинной оси. Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять, что без влияния на него внешних воздействий дипольный момент макроскопически малого, но, разумеется, содержащего большое число молекул объема жидкого кристалла, равен нулю. Это связано с тем, что направление директора в жидком кристалле задается ориентацией длинных осей молекул, количество же молекул, дипольный момент которых направлен по директору в ту и другую сторону — для грушеобразных молекул, или для банановидных молекул — поперек направления директора в ту и другую сторону, одинаково. В результате дипольный момент любого макроскопического объема жидкого кристалла равен нулю, так как он равен сумме дипольных моментов отдельных молекул. Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном образце. Стоит путем внешнего воздействия, например механического, исказить, скажем, изогнуть его, как молекулы начнут выстраиваться, и распределение направлений дипольных моментов отдельных молекул вдоль директора для грушеподобных молекул и поперек директора для банановидных будет неравновероятным. Это означает, что возникает преимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельных молекул и, как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объеме жидкого кристалла. Причиной такого выстраивания являются стерические факторы, т. е. факторы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул. Плотнейшей упаковке молекул именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором их диполь-ные моменты «смотрят» преимущественно в одну сторону. С макроскопической точки зрения рассмотренный эффект проявляется в возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля при деформации. Как видно из рисунка, это связано с тем, что при выстраивании диполей на одной поверхности деформированного кристалла оказывается избыток зарядов одного, а на противоположной поверхности — другого знака. Таким обрезом, наличие или отсутствие флексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и ее ди-польном моменте. Для молекул-палочек такой эффект отсутствует. Для только что рассмотренных форм молекул эффект есть. Однако, как уже, наверное, заметили наиболее внимательные читатели, для грушеподобных и банановидных молекул для наблюдения возникновения электрического поля в слое надо вызвать в нем различные деформации. Грушеподобные молекулы дают эффект при поперечном изгибе, а банановидные — при продольном изгибе жидкого кристалла Предсказанный теоретически флексоэлектрический эффект вскоре был обнаружен экспериментально. Причем на эксперименте можно было пользоваться как прямым, так и обратным эффектом. Это означает, что можно не только путем деформации ЖК индуцировать в нем электрическое поле и макроскопический дипольный момент (прямой эффект), но и, прикладывая к образцу внешнее электрическое поле, вызывать деформацию ориентации директора в жидком кристалле.

Электронная игра, электронный словарь и телевизор на ЖК» Известно, какой популярностью у молодежи пользуются различные электронные игры, обычно устанавливаемые в специальной комнате аттракционов в местах общественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном исполнении. На рис. 28 изображена игра «Ну, погоди!», освоенная отечественной промышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее элементом является жидкокристаллический матричный дисплей, на котором высвечиваются изображения волка, зайца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играющего, нажимая кнопки управления, заставить волка, перемещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо развлекательного назначения, эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее «высвечивается» время и может подаваться звуковой сигнал в требуемый момент времени. Еще один впечатляющий пример эффективности союза матричных дисплеев на жидких кристаллах и микроэлектронной техники дают современные электронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они представляют собой миниатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманный микрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках и которые снабжены матричным дисплеем и клавиатурой с алфавитом. Набирая на клавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее его перевод на другой язык. Представьте себе, как улучшится и облегчится процесс обучения иностранным языкам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снабжен подобным словарем) А наблюдая, как быстро изделия микроэлектроники внедряются в нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами) Легко представить и пути дальнейшего совершенствования таких словарей-переводчиков: переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод может быть и озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию в изучении языков и технике перевода. Требования к матричному дисплею, используемому в качестве экрана телевизора, оказываются значительно выше как по быстродействию, так и по числу элементов, чем в описанных выше электронной игрушке и словаре-переводчике. Это станет понятным, если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображение на экране формируется из 625 строк (и приблизительно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а время записи одного кадра 40 мс. Поэтому практическая реализация телевизора с жидкокристаллическим экраном оказывается более трудной задачей. Тем не менее налицо первые успехи в техническом решении и этой задачи. Так, японская фирма «Сони» наладила производство миниатюрного, умещающегося практически на ладони телевизора с черно-белым изображением и размером экрана 3,6 см. Несомненно, в будущем удастся создать телевизоры на ЖК как с более крупными экранами, так и с цветным изображением. Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказывается чрезвычайно эффективным не только в готовом изделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним из этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полупроводникового материала специальных масок, а затем в вытравливании с помощью фо тографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса производства преобразуются в элементы и соединения микроэлектронной схемы. От того, насколько малы размеры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут быть размещены на единице площадиполупроводника, а от точности и качества вытравливанияокон зависит качество микросхемы. Выше уже говорилось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерических жидких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить участки схемы с аномальным тепло-выделением. Не менее полезным оказалось применение жидких кристаллов (теперь уж нематических) на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литографическими окнами наносится ориентированный слой не- матика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение.В результате вполяризованном свете картина " вытравленных окон отчетливо визуализируется. Болеетого, этот метод позволяет выявить очень малые по раз- мерам неточности и дефекты литографических работ, 1 протяженность которых всего 0,01 мкм (рис. 29).

О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптические эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказывалось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем известны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы используются для производства наручных часов, в которые встроен калькулятор. Тут уже даже грудно сказать, как назвать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных применений жидких кристаллов еще более удивительны. Поэтому стоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники. Управляемые оптические транспаранты. Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологического характера. Хотя принципиально возможность создания таких экранов продемонстрирована, однако а связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. Поэтому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, в которые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света. О подобном проекторе уже рассказывалось в главе VII. Теперь же познакомимся с физическими явлениями, положенными в основу его работы. Принцип записи изображения очень прост. В отсутствие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которую еще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжен; .я на нем. При подсветке фотополупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происходит перераспределение электрических напряжений в ячейке — теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частности, его оптические характеристики изменяются соответственно величине поданного напряжения. Таким образом изменяются оптические характеристики жидкокристаллического слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любой электрооптический эффект из описанных выше. Практически, конечно, выбор электрооптического эффекта в таком сэндвичевом устройстве, называемом электроопти-ческим транспарантом, определяется наряду с требуе мыми оптическими характеристиками и чисто технологическимипричинами [6]. Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально — в точке засветки фотополупроводника. Поэтому такие транспаранты обладают очень высокой разрешающей способностью. Так, объем информации, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1Х1 см^. Описанный способ записи изображения, помимо всего прочего, обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную систему коммутации, т. е. систему подвода электрическихсигналов,которая применяется в матричных экранах на жидких кристаллах. Пространственно-временные модуляторы света. Управляемые оптические транспаранты могут быть использованы не только как элементы проекционного устройства, но и выполнять значительное число функций, связанных с преобразованием, хранением и обработкой оптических сигналов. В связи с тенденциями развития методов передачи и обработки информации с использованием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой информации, управляемые оптические транспаранты на жидких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято называть пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы и масштабы применения ПВМС в устройствах обработки оптической информации определяются тем, насколько сегодняшние характеристики оптических транспарантов могут быть улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повышения быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волн излучения, в котором надежно работают эти устройства. Как уже отмечалось, одна из основных проблем — это проблема быстродействия жидкокристаллических элементов, однако уже достигнутые характеристики модуляторов света позволяют совершенно определенно утверждать, что они займут значительное место в системах обработки оптической информации. Ниже рассказывается о ряде возможных применений модуляторов света. Прежде всего отметим высокую чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностью светового потока всего 10 ^—10 ^ Вт/см^. Кроме того, достигнуто высокое пространственное разрешение сигнала — около 300 линий на 1 мм. Спектральный диапазон работы модуляторов, выполненных на различных полупроводниковых материалах, перекрывает длины волн от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связи с применением в модуляторах фотополупроводников удается улучшить временные характеристики устройств по сравнению с быстродействием собственно жидких кристаллов. Так, модуляторы света за счет свойств фотополупроводника могут зарегистрировать оптический сигнал продолжительностью всего 10 ^— 10"^ с. Разумеется, изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала происходит с запаздыванием, т. е. более медленно, в соответствии с временем изменения оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии) электрического поля. Какие же, кроме уже обсуждавшихся функций, могут выполнять модуляторы света? При соответствующем подборе режима работы модулятора они могут выделять контур проектируемого на него изображения. Если контур перемещается, то можно визуализировать его движение. При этом существенно, что длина волны записывающего изображения излучения и считывающего излучения могут отличаться. Поэтому модуляторы света позволяют, например, визуализировать инфракрасное излучение, или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изображения в инфракрасном диапазоне длин волн. В другом режиме работы модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному освещению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изображению световые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света (в 10^—10° раз и более) В связи же с их высокой пространственной разрешающей способностью их использование оказывается эквивалентным усилителю с очень большим (10"—10^) числом каналов. Перечисленные функциональные возможности опти ческих модуляторов дают Основание использовать их 6 многочисленных задачах обработки оптической информации, таких как распознавание образов, подавление помех, спектральный и корреляционный анализ, интерферометрия, в том числе запись голограмм в реальном масштабе времени, и т. д. Насколько широко перечисленные возможности жидкокристаллических оптических модуляторов реализуются в надежные технические устройства, покажет ближайшее будущее. Оптический микрофон. Только что было рассказано об управлении световыми потоками с помощью света. Однако в системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. д. И вот для преобразования этих воздействий в оптический сигнал жидкокристаллические устройства оказываются опять-таки очень удобными и перспективными элементами оптических систем. Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, однако подавляющее большинство этих методов связано сначала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двуступенчатые и, следовательно, не такие уж простые и экономичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно непосредственно переводить в оптический сигнал, что устраняет промежуточное звено в цепи воздействие—световой сигнал, а значит, вносит принципиальное упрощение в управление световым потоком. Другое достоинство ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с узлами волоконно-оптических устройств. Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами, расскажем о принципе работы «оптического микрофона» на ЖК—устройства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический. Принципиальная схема устройства оптического микрофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые коле бания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока. Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК, выполненные в Акустическом институте АН СССР, показали, что по своим параметрам он не уступает существующим образцам и может быть использован в оптических линиях связи, позволяя осуществлять непосредственное преобразование звуковых сигналов в оптические. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акусто-оптические характеристики практически не изменяются [9]-Прежде чем перейти к другому примеру возможного применения ЖК в оптических линиях связи, напомним, что оптическое волокно представляет собой оптический волновод. Свет из этого волновода не выходит наружу по той причине, что снаружи на волокно нанесено покрытие, диэлектрическая проницаемость которого больше, чем во внутренней части волокна, в результате чего происходит полное внутреннее отражение света на границе внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный режим распространения света в волокне может быть также достигнут не только за счет резкой диэлектрической границы, но и при плавном изменении показателя преломления (диэлектрической проницаемости) от середины к поверхности волновода (рис. 45). По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое жидкого кристалла также может быть реализован волноводный режим распространения света вдоль слоя, если обеспечить соответствующее изменение диэлектрической проницаемости в пределах толщины слоя. А как мы знаем, изменения диэлектрических характеристик в ЖК можно добиться изменением ориентации директора (длинных осей молекул). Оказывается, в слое нематика или холестерина можно, например, путем приложения электрического поля обеспечить такой характер изменения ориентации директора по толщине, что для определенной поляризации света такой слой оказывается оптическим волноводом. Каждый увидит здесь очевидную аналогию между оптическим волокном-волноводом и жидкокристаллическим волноводом. Но имеется здесь и очень существенная разница. Эта разница состоит в том, что если диэлектрические характеристики оптического волокна, а следовательно, и его волноводные свойства, неизменны и формируются при его изготовлении, то диэлектрические, а следовательно, и волноводные свойства ЖК-волновода легко изменять путем внешних воздействий. Это значит, например, что если жидкокристаллический волновод включен в канал волоконной связи, то световой поток, идущий по этому каналу, можно модулировать, меняя характеристики ЖК-элемента. В простейшем случае это может быть просто прерывание светового потока, которое может происходить в ЖК-эле-менте при таком переключении электрического сигнала на нем, которое приводит к исчезновению его волновод-ных свойств. Кстати сказать, этот же ЖК-элемент может выполнять и функции оптического микрофона, если он устроен так, что акустический сигнал вызывает в нем возмущение ориентации директора. Как сделать стереотелевизор. В качестве еще одного заманчивого, неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристаллов стоит назвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидких кристаллов. Причем, что представляется особенно заманчивым, такая система «стереотелевидения на жидких кристаллах» может быть реализована ценой очень простой модификации передающей телекамеры и дополнением обычных телевизионных приемников специальными очками, стекла которых снабжены жидкокристаллическимифильтрами. Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Если учесть, что кадр изображения на телеэкране формируется построчно, причем так, что сначала высвечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с помощью очков с жидкокристаллическими фильтрами легко сделать так, чтобы правый глаз, например, видел только четные строчки, а левый — нечетные. Для этого достаточно синхронизировать включение и выключение жидкокристаллических фильтров, т. е. возможность воспринимать изображение на экране попеременно то одним, то другим глазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков с высвечиванием четных и нечетных строк. Теперь совершенно ясно, какое усложнение передающей телекамеры даст стереоэффект телезрителю. Надо, чтобы передающая телекамера была стерео, т. е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствующими восприятию объекта левым и правым глазом человека, четные строчки на экране формировались с помощью правого, а нечетные—с помощью левого объектива передающей камеры. Система очков с жидкокристаллическими фильтрами—затворами, синхронизированными с работой телевизора, может оказаться непрактичной для массового применения. Возможно, что более конкурентоспособной окажется стереосистема, в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стекол очков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляризации света, пропускаемого вторым стеклом. Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидкокристаллической пленки, нанесенной на экран телевизора и пропускающей от четных строк свет одной линейной поляризации, а от нечетных—другой линейной поляризации, перпендикулярной первой. Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализована или выживет совсем другая система, покажетбудущее. Очки для космонавтов. Знакомясь ранее с маской для электросварщика, а теперь с очками для стереотелеви дения, бы заметили, что в этих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Между тем существуют ситуации, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть отдельные участки поля зрения. Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрезвычайно ярком солнечном освещении, не ослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотелевидения позволяют решить управляемые жидкокристаллическиефильтры. Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а несколько независимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть поля зрения глаза. Такие очки могут быть полезны не только космонавтам, но и людям других профессий, работа которых может быть связана не только с ярким нерассеянным освещением, но и с необходимостью воспринимать большой объем зрительной информации. Например, в кабине пилота современного самолета огромное количество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно. Поэтому использование пилотом очков, ограничивающих поле зрения, может быть полезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать его внимание только на части нужных в данный момент приборов и устраняет отвлекающее влияние не нужной в этот момент информации. Конечно, в случае пилота можно пойти и по другому пути—поставить ЖК-фильтры на индикаторы приборов, чтобы иметь возможность экранировать их показания. Подобные очки будут очень полезны также в биомедицинских исследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количества зрительной информации. В результате таких исследований можно выявить скорость реакции оператора на зрительные сигналы, определить наиболее трудные и утомительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальной ор ганизации его работы. Последнее значит определить наилучший способ расположения панелей приборов, тип индикаторов приборов, цвет и характер сигналов различной степени важности и т. д. Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах, несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожное количество энергии, а в ряде случаев позволяют исключить из аппаратуры детали, совершающие механические движения. А как известно, механические системы часто оказываются наиболее громоздкими и ненадежными. Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются в виду? Это прежде всего диафрагмы, фильтры — ослабители светового потока, наконец, прерыватели светового потока в киносъемочной камере, синхронизованные с перемещением фотопленки и обеспечивающие покадровое ее экспонирование. Принципы устройства таких ЖК-элементов ясны из предыдущего. В качестве прерывателей и фильтров-ослабителей естественно использовать ЖК-ячейки, в которых под действием электрического сигнала изменяется пропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механических частей—системы ячеек в виде концентрических колец, которых могут под действием электрического сигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна. Следует также отметить, что слоистые структуры, содержащие жидкий кристалл и фотополупроводник, т. е. элементы типа управляемых оптических транспарантов, могут быть использованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но и для автоматической установки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре. При всей принципиальной простоте обсуждаемых устройств их широкое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологических вопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элемен-тов, их работы в широком температурном интервале, наконец, конкуренции с традиционными и устоявшимися техническими решениями и т. д. Однако решение всех этих проблем — это только вопрос времени, и скоро, наверное, трудно будет себе представить совершенный фотоаппарат, не содержащий ЖК-устройства.

www.ronl.ru

Реферат - Твердые кристаллы - Геология

                             СПЕЦИАЛЬНОСТЬ:МЕНЕДЖМЕНТ

                    СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ:УПРАВЛЕНИЕ  ПЕРСОНАЛОМ         

        К  У  Р  С  О  В  А  Я      Р  А  Б  О  Т  А 

                                     НАТЕМУ:

                      ТВЕРДЫЕ КРИСТАЛЛЫ     

    Выполниластудентка: Савдур А.С.

Студенческий билет №: С-84-98-УП

Курс Iгруппа 1

Дата выполненияработы:10.05.99

Руководитель: Горбатова

Содержание.

II. Введение…………………………………………………………3

III. Основная часть……..……………………………………….4-35

        1.Что такоекристалл……………………………………….4-5

        2. Монокристаллыи кристаллические агрегаты……….....5-6

        3.Симметрия вкристаллах………………………………….6-9

        4.Формакристаллов……………………………………….9-12

        5. Законпостоянства двугранных углов. Отклонения

                 отзакона……………………………………………12-15

        6. Как определитьвещество по форме его кристалла….15-17

        7. Атомнаяструктура кристаллов…………..…………...17-20

        8. Теорияплотнейших шаровых упаковок…..……….…20-23

        9. Есть либеспорядок в кристалле?……………………...23-27

        10. О некоторыхсвойствах кристаллов..………………..27-28

        11. Волны света вкристаллах…………………………….28-30

        12. Как растеткристалл…………………………………...30-32

        13. Атомыблуждают по кристаллу……………...……....32-34

        14. О прочностикристаллов……………………………...34-35

IV. Заключение……..………………………………………………………36

V. Список используемой литературы……..………………………………37

Аннотация.

Данная работа посвященакристаллам. Даны наиболее общие сведения о форме, структуре и симметрии кристаллов.Также раскрыт механизм роста. Отдельные главы посвящены теории плотнейших шаровыхупаковок, закону о сохранении двугранных углов и прочности кристаллов. Работасодержит сведения о беспорядке и дефектах в кристалле. Для более наглядногоописания классификации и свойств кристаллов приведены две таблицы.

                             Словноволшебный скульптор,

Светлые грани кристаллов

                                                          Лепитбесцветный раствор.

Н.А.Морозов

Кристаллы одни из самыхкрасивых и загадочных творений природы. В настоящее время изучениеммногообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она выявляет признакиединства в этом многообразии, исследует свойства и строение как одиночныхкристаллов, так и кристаллических агрегатов. Кристаллография является наукой,всесторонне изучающей кристаллическое вещество. Данная работа также посвященакристаллам и их свойствам.

В давние временасчиталось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождениев природе крупных однородных кристаллов — явление нечастое. Однакомелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почтивсе горные породы: гранит, песчаники известняк — кристалличны. По мере совершенствования методов исследованиякристалличными оказались вещества, до этого считавшиеся аморфными. Сейчас мызнаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговицаглаза.

В настоящее времякристаллы имеют большое распространение в науке и техники, так как обладаютособыми свойствами. Такие области использования кристаллов, как полупроводники,сверхпроводники, пьезо- и сегнетоэлектрики, квантовая электроника и многиедругие требуют глубокого понимания зависимости физических свойств кристаллов отих химического состава и строения.

В настоящее времяизвестны способы искусственного выращивания кристаллов. Кристалл можновырастить в обыкновенном стакане, для этого требуется лишь определенный раствори  аккуратность с которой необходимо ухаживать за растущим кристаллом.

В школьных учебникахкристаллами обычно называют твердые тела, образующихся в природных илилабораторных условиях и имеющие вид многогранников, которые напоминают самыенепогрешимо строгие геометрические построения. Поверхность таких фигурограничена более или менее совершенными плоскостями- гранями, пересекающимисяпо прямым линиям- ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины. Сразу жеследует оговорится, что приведенное выше определение требует существенныхпоправок. Вспомним, например, всем известную горную породу границ, состоящую иззерен полевого шпата, слюды и кварца. Все эти зерна являются кристаллами,однако, их извилистые зерна не сохранили прежней прямолинейности иплоскогранности, а следовательно не подходят к вышеуказанному описанию. Одновременныйрост всех составляющих гранит кристаллов, мешавших друг другу развиваться, ипривел к тому, что отдельные кристаллы не смогли получить свойственную имправильную многогранную форму. Итак, для образования правильно ограненныхкристаллов необходимо, чтобы ничто не мешало им свободно развиваться, нетеснило бы их и не препятствовало их росту.

 Кристаллов в природесуществует великое множество и так же много существует различных формкристаллов. В реальности, практически невозможно привести определение, котороеподходило бы ко всем кристаллам. Здесь на помощь можно привлечь результатырентгеновского анализа кристаллов. Рентгеновские лучи дают возможность как бынащупать атомы внутри кристаллического тела и определяет их пространственноерасположение. В результате было установлено, что решительно все кристаллыпостроены из элементарных частиц, расположенных в строгом порядке внутрикристаллического тела. Упорядоченность расположения таких частиц и отличаеткристаллическое состояние от некристаллического, где степень упорядоченностичастиц ничтожна.

    Во всех безисключения кристаллических постройках  из атомов можно выделить множествоодинаковых атомов, расположенных наподобие узлов пространственной решетки.Чтобы представить такую решетку, мысленно заполним пространство множествомравных параллелепипедов, параллельно ориентированных и соприкасающихся по целымграням. Простейший пример такой постройки представляет собой кладка изодинаковых кирпичиков. Если внутри кирпичиков выделить соответственные точки,например, их центры или вершины, то мы и получим модель пространственнойрешетки. Для всех без исключения кристаллических тел характерно решетчатоестроение.

Вот теперь мы подошли квозможности дать общее определение для кристаллов. Итак, кристаллами называются«все твердые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы)расположены строго закономерно наподобие узлов пространственных решеток»[4]. Это определения является максимальноприближенным к истине, оно подходит к любым однородным кристаллическим телам: ибулям (форма кристалла, у которого нет ни граней, ни ребер, ни выступающихвершин), и зернам, и плоскогранным фигурам)

В отличие от другихагрегатных состояний, кристаллическое состояние многообразно. Одни и те же посоставу молекулы могут быть упакованы в кристаллах разными способами. Отспособа же упаковки зависят физические и химические свойства вещества. Такимобразом одни и те же по химическому составу вещества на самом деле частообладают различными физическим свойствами. Для жидкого состояния такоемногообразие не характерно, а для газообразного- невозможно.

Если взять, например,обычную поваренную соль, то легко увидеть даже без микроскопа отдельныекристаллики. Каждый кристаллик есть вещество NaCl, но одновременно он имеетчерты индивидуума. Он может быть большим или малым кубическим илипрямоугольно-параллелепипедальным, по-разному ограненным и т.д.

В жидкости нельзя увидетьотдельные индивидуумы- капельки, в кристаллическом же веществе они видимы.

Если мы хотимподчеркнуть, что имеем дело с одиночным, отдельным кристаллом, то называем его монокристаллом,чтобы подчеркнуть что речь идет о скоплении многих кристаллов,используется термин кристаллический агрегат.  Если в кристаллическомагрегате отдельные кристаллы почти не огранены, это может объяснятся тем, чтокристаллизация началась одновременно во многих точках вещества и скорость еебыла достаточно высока. Растущие кристаллы являются препятствием друг другу имешают правильному огранению каждого из них.

 В данной работе речьпойдет в основном о монокристаллах, а так как они являются составными частямикристаллических агрегатов, то их свойства будут схожи со свойствами агрегатов.

Рассматривая различные кристаллы мывидим, что все они разные по форме, но любой из них представляет симметричноетело. И действительно симметричность это одно из основных свойств кристаллов. Кпонятию о симметрии мы привыкли с детства. Симметричными мы называем тела,которые  состоят из равных одинаковых частей. Наиболее известными элементамисимметрии для нас являются плоскость симметрии (зеркальное отображение), осьсимметрии (поворот вокруг оси, перпендикулярной к  плоскости ). По углуповорота различают порядок оси симметрии, поворот на 180о – осьсимметрии 2-ого порядка, 120о – 3-его порядка и так далее.  Есть иеще оди элемент симметрии — центр симметрии. Представьте себе зеркало, но небольшое, а точечное: точку в которой все отображается как в зеркале. Вот этаточка и есть центр симметрии. При таком отображении отражение поворачивается нетолько справа налево, но и с лица на изнанку.

Все кристаллысимметричны.  Это значит, что в каждом кристаллическом многограннике можнонайти плоскости симметрии, оси симметрии, центры симметрии и другие элементысимметрии так, чтобы совместились друг с другом одинаковые части многогранника.Введем еще одно понятие относящиеся к симметрии полярность. Представимконус и цилиндр, у обоих объектов есть по одной оси симметрии бесконечногопорядка, но они  различаются полярностью, у конуса ось полярна (представимцентральную ось в виде стрелочки, указывающей к вершине), а у цилиндра осьнеполярна.

Поговорим о видахсимметрии в кристалле. Прежде всего в кристаллах могут быть оси симметриитолько 1, 2, 3, 4 и 6 порядков. Представим плоскость, которую надо полностьюпокрыть  семи-, восьсми-, девятиугольниками и т.д., так чтобы между фигурами неоставалось пространства, это не получится, пятиугольниками покрыть плоскостьтак же нельзя. Очевидно, оси симметрии 5, 7-го и выше порядков не возможны,потому что при такой структуре атомные ряды и сетки не заполнят пространствонепрерывно, возникнут пустоты, промежутки между положениями равновесия атомов.Атомы окажутся не в самых устойчивых положениях и кристаллическая структураразрушится.

В кристаллическоммногограннике можно найти разные сочетания элементов симметрии – у одних мало,у других много. По симметрии, прежде всего по осям симметрии, кристаллы делятсяна три категории.                        

  К высшей категорииотносятся самые симметричные кристаллы, у них может быть несколько осейсимметрии порядков 2,3 и 4, нет осей 6-го порядка, могут быть плоскости ицентры симметрии. К таким формам относятся куб, октаэдр, тетраэдр и др. Им всемприсуща общая черта: они примерно одинаковы во все стороны.

У кристаллов среднейкатегории могут быть оси 3, 4 и 6 порядков, но только по одной. Осей 2 порядкаможет быть несколько, возможны плоскости симметрии и центры симметрии. Формыэтих кристаллов: призмы, пирамиды и др. Общая черта: резкое различие вдоль ипоперек главной оси симметрии.

 У кристаллов низшейкатегории не может быть ни одной оси симметрии 3 4 и 6 порядков, могут бытьтолько оси 2 порядка, плоскости или центр симметрии. Структура данныхкристаллов самая сложная.

 Из кристаллов к высшейкатегории относятся:  алмаз, квасцы, гранаты германий, кремний, медь, алюминий,золото, серебро, серое олово вольфрам, железо; к средней категории – графит,рубин, кварц, цинк, магний, белое олово, турмалин, берилл; к низшей – гипс,слюда, медный купорос, сегнетовая соль и др. Конечно в этом списке не былиперечислены все существующие кристаллы, а только наиболее известные из них.Категория, к которой принадлежит кристалл характеризует его физическийсвойства.

Категории в свою очередьразделяются на семь сингоний. В переводе с греческого «сингония» означает«сходноугольство». В сингонию объединяются кристаллы с одинаковыми осямисимметрии, а значит, со сходными углами поворотов в структуре. Классификациякристаллов по категориям и сингониям  приведена в таблице 1.

Плоскости и центрсимметрии могут быть в любой сингонии. Всего сингоний семь.

Каждый кристаллическиймногогранник обладает определенным набором элементов симметрии.  Полный наборвсех элементов симметрии, присущих данному кристаллу называется классомсимметрии. Сколько же всего таких наборов? Их количество ограничено.Математическим путем было доказано, что в кристаллах  существует 32 видасимметрии.

Таб.1

Тригональная

Тетрагональная

Гексагональн

ая.

Одна ось симметрии порядка выше, чем 2, а именно:

Одна ось 3-ого порядка

Одна ось 4-ого порядка

Одна ось 6-ого порядка

Ромбическая

Моноклинная

Триклинная

Изучение внешней формыкристаллов  началось прежде изучения симметрии, однако только после вывода 32видов симметрии появилась надежная основа для создания геометрического учения овнешней форме кристаллов. Основным его понятием является понятие простой формы.

 Простые формы могут бытьобщими и частными в зависимости от того, как расположена исходная грань поотношению к элементам симметрии. Если она расположена косо, то простая формаполученная из нее будет общей. Если же  исходная форма расположена параллельноили перпендикулярно к элементам симметрии, то получается частная простая форма.Простые формы так же могут быть закрытыми и открытыми. Закрытая форма можетодна образовать кристаллический многогранник, в то время как одна открытаяпростая форма замкнутого многогранника образовать не может.

Каждая грань кристаллапредставляет собой плоскость, на которой располагаются атомы. Когда кристаллрастет все грани передвигаются параллельно сами себе, так как на нихоткладываются все новые и новые слои атомов. По этой причине, параллельнокаждой грани в структуре кристалла располагается огромное количество атомныхплоскостей,  которые когда-то в начальных стадиях роста тоже располагались  награнях кристалла, но в процессе роста оказались внутри него.

Ребра кристаллапредставляют собой прямые, на которых атомы располагаются в ряд. Таких рядов вкристалле тоже огромное количество и они располагаются параллельнодействительным ребрам кристалла.

Кристаллическиймногогранник обычно представляет собой комбинацию нескольких простых форм,грани (или ребра) которых являются действительными гранями (ребрами). Грань,которой на данном кристалле нет, но которая может оказаться на другихкристаллах того же вещества, называется  возможной гранью. Возможнойгранью может быть плоскость, проходящая через два действительных или возможных ребра кристалла. Точно так же, если возьмем две реальные грани, которые наданном кристаллическом многограннике не пересекаются, то линия, параллельнаялинии их пересечения, будет возможным ребром кристалла.

Совокупность граней,пересекающихся в параллельных ребрах, называется поясом или зоной. Апараллельная этим ребрам линия называется осью зоны.

 Необходимо упомянуть,что кристаллографами был создан строго математический вывод всех возможных насвете кристаллических форм, и теперь можно не только предположить, какова будетформа кристалла, а с большой уверенностью рассчитать будущую форму.

В течении долгих летгеометрия кристаллов казалась таинственной и неразрешимой загадкой. В 1619великий немецкий математик и астроном Йоган Кеплер обратил внимание нашестерную симметрию снежинок. Он попытался объяснить ее тем, что кристаллыпостроены из мельчайших одинаковых шариков, теснейшим образом присоединенныхдруг к другу (вокруг центрального шарика можно в плотную разложить только шестьтаких же шариков). По пути намеченному Кеплером пошли в последствии Роберт Гуки М. В. Ломоносов. Они так же считали, что элементарные частицы кристалловможно уподобить плотно упакованным шарикам. В наше время принцип плотнейшихшаровых упаковок лежит в основе структурной кристаллографии, только сплошныешаровые частицы старинных авторов заменены сейчас атомами и ионами.

Через 50 лет послеКеплера датский геолог, кристаллограф и анатом Николас Стенон впервыесформулировал основные понятия о формировании кристаллов: «Рост кристаллапроисходит не изнутри, как у растений, но путем наложения на внешние плоскостикристалламельчайших частиц, приносящихся извне некоторой жидкостью». Этаидея о росте кристаллов в результате отложения на гранях все новых и новыхслоев вещества сохранила свое значение и до сих пор.

Очень часто кристаллыодного и того же вещества срастаются друг с другом закономерным образом,образуя так называемый двойник. При этом обычно возникают дополнительныеэлементы симметрии, называющиеся в данном случае двойниковые элементысимметрии. Если сросток состоит из многих кристаллов, закономерно чередующихсядруг с другом, то он называется полисинтетическим двойником. Двойниковыекристаллы являются очень распространенным явлением в природе. Многие вещества,получаемые в лаборатории, также часто имеют двойники как простые, так иполисинтетические.

Симметричность кристалловвсегда привлекала внимание ученых. Уже в 79 г. нашего летоисчисления ПлинийСтарший упоминает о плоскогранности и прямобедренности кристаллов. Этот вывод иможет считается первым обобщением геометрической кристаллографии. С тех пор напротяжении многих столетий весьма медленно и постепенно накапливался материал,позволивший в конце XVIII в. открыть важнейший закон геометрической кристаллографии-закон постоянства двугранных углов.  Этот закон связывается обычно с именемфранцузского ученого Роме де Лиля, который в 1783г. опубликовал монографию,содержащую обильный материал по измерению углов природных кристаллов. Длякаждого вещества (минерала), изученного им, оказалось справедливым положение,что углы между соответственными гранями во всех кристаллах одного и того жевещества являются постоянными.

Не следует думать, что доРоме де Лиля никто из ученых не занимался данной проблемой. История открытиязакона постоянства углов прошла огромный, почти двухвековой путь, прежде чемэтот закон был отчетливо сформулирован и обобщен для всех кристаллическихвеществ. Так, например, И. Кеплер  уже в 1615г. указывал на сохранение углов в60о между отдельными лучиками у снежинок. В 1669 г. Н. Стенон открылзакон постоянства углов в кристаллах кварца и гематита. Внимательно разглядываяреальные кристаллы кварца, Стенон также обратил внимание на их отклонение отидеальных геометрических многогранников с плоскими гранями и прямыми ребрами. Всвоем трактате он впервые ввел в науку реальный кристалл с его несовершенствамии отклонениями от идеализированных схем. Однако все эти отклонения не помешалиученому открыть на тех же кристаллах кварца основной закон геометрическойкристаллографии. Однако написал он об этом очень кратко в пояснениях крисункам, приложенным к его сочинению, поэтому честь называться автором законадосталась Лилю. Годом позже Стенона  Э. Бартолин  сделал тот же выводприменительно к кристаллам кальцита, а в 1695 г. Левенгук — к кристаллам гипса.Он показал, что и у микроскопически малых и у больших кристаллов гипса углымежду соответственными гранями одинаковы. В России закон постоянства углов былотурыт  М. В. Ломоносовым для кристаллов селитры (1749г.) пирита, алмаза инекоторых других минералов. Однако вернемся к определению данному Лилем. В еговерсии закон постоянства углов звучит следующим образом: «Грани кристалламогут изменятся по своей форме и относительным размерам, но их взаимные наклоныпостоянны и неизменны для каждого рода кристаллов.»

Итак, все кристаллыобладают тем свойством, что углы между соответственными гранями постоянны.Грани у отдельных кристаллов могут быть развиты по-разному: грани,наблюдающиеся на одних экземплярах, могут отсутствовать на других — но если мыбудем измерять углы между соответственными гранями, то значения этих угловбудут оставаться постоянными независимо от формы кристалла.

Однако, по мересовершенствования методики и повышения точности измерения кристалловвыяснилось, что закон постоянства углов оправдывается лишь приблизительно. Водном и том же кристалле углы между одинаковыми по типу гранями  слегкаотличаются друг от друга. У многих веществ отклонения двухгранных углов междусоответственными гранями достигает 10 -20', а в некоторых случаях и градуса.

Грани реального кристалланикогда не представляют собой идеальных плоских поверхностей. Нередко онибывают покрыты ямками или бугорками роста, в  некоторых случаях гранипредставляют собой кривые поверхности, например у кристаллов алмаза. Иногдазамечаются на гранях плоские участки, положение которых слегка отклонено отплоскости самой грани, на которой они развиваются. Эти участки называются вкристаллографии вицинальными гранями, или просто вициналями. Вицинали могутзанимать большую часть плоскости нормальной грани, а иногда даже полностьюзаменить последнюю. Иногда на гранях наблюдаются ступеньки имеющие формупандуса. Таким образом можно говорить о скульптуре граней, являющейся причинойотклонения от равенства двугранных углов. Изучением различных наростовзанимается раздел кристаллографии — Морфология внешней формы кристаллов.

 Наблюдаются, конечно, иболее закономерные изменения двугранных углов, например зависимость оттемпературы. В таблице 2 приведены значения углов между гранями кварца приразной температуре.

T, oC

T, oC

-166

21

100

200

128o11’54’’

128o12’51”

128o13’12”

128o13’36”

128o14’54”

300

400

500

550

575

128o16’12”

128o17’54”

128o20’12”

128o22’00”

128o23’18”

В заключении раздела оглавном геометрическом законе кристаллографии необходимо сказать о случаяхрезкого изменения углов кристаллов., которое возникает при полиморфномпревращении вещества ( образование данным веществом  разные по симметрии иформе кристаллы), явлении, открытом позже формулировки закона постоянствауглов. Одно и то же вещество при полиморфном превращении скачком меняет своисвойства. Например, переход ромбической серы в моноклинную  сопровождаетсяувеличением удельного объема на 0.014 сантиметра на грамм и термическимэффектом в 3.12 калорий на грамм. Еще резче меняет свои свойства кристаллический углерод при переходе алмаза в графит. Плотность алмаза 3.5,графита 2.2; твердость алмаза 10, графита 1 и т.д.

При полиморфном превращениинаряду со скачкообразным изменением физических свойств, скачком меняется ивнешняя форма кристаллов, при этом совокупность двугранных углов одноймодификации может совсем не соответствовать совокупность двугранных угловдругой.

Учитывая все вышесказанное,можно так сформулировать закон постоянства углов: «Во всех кристаллах,принадлежащих к одной полиморфной  модификации данного вещества, при одинаковыхусловиях углы между соответствующими гранями (и ребрами) постоянны.»

К концу XIX-XX века внауке накопилось множество данных о внешней форме и углах кристаллов Е. С.Федоров критически пересмотрел и суммировал весь фактический материал поизмерениям кристаллов, накопленный к тому времени; произвел сам множествокристаллографических измерений; обработал эти измерения новым, созданным им,оригинальным методом; сопоставил эти измерения с развитой им теорией строениякристаллов и, соединив воедино опыт и теорию создал кристаллохимическийанализ.

 На основе кристаллохимическогоанализа можно было определять состав вещества, исходя из внешней формы егокристаллов. По  внешней форме кристалла этот анализ позволял получить первыесхематические представления о внутреннем строении кристалла.

Кроме углов между гранями,Федоров принял во внимание еще и то, как развиваются грани природныхкристаллов. Формы одного и того же вещества могут быть весьма разнообразными.При идеальных условия роста все грани кристалла развиваются свободно, но вреальных условия они чаще всего развиваются неодинаково. Природные кристаллыодного и того же минерала из разных месторождений могут оказаться совсемразличными, вовсе не похожими друг на друга. Тем не менее, как указал ученый,некоторые грани кристалла все же наиболее характерны для данного вещества, онивстречаются на разных кристаллах чаще всего – почти всегда.

В кристаллохимическоманализе  соединены представления о внешней форме и о внутреннем строениикристаллов. Гениально предвычислив все законы симметрии структуры кристалловзадолго до того, как существование атомных решеток  в кристаллах было доказанона опыте, Федоров считал несомненным, что внешние грани кристалла соответствуютего плоским сеткам, т. е. тем плоскостям кристаллических решеток, вдоль которыхрасположены частицы (атомы, ионы, молекулы), а наиболее развитые, чаще всеговстречающиеся грани кристалла совпадают с теми плоскими сетками, на которыхчастицы расположены гуще всего.

Таким образом, по внешнейформе кристалла можно судить о расположении частиц в его решетке. Расчетныеметоды Федорова и таблицы, составленные им и его учениками, позволяли по угламкристалла определить тип структуры вещества и его химический состав.

Кристаллохимическийанализ Е.С. Федорова был значительно развит и предельно упрощен впоследствииего учеником, профессором А. К. Болдыревом. Было выпущено два тома таблиц, подназванием «Определитель кристаллов», позволяющих определить химический составвещества по углам между гранями кристаллов.

«В наши дни, однако,анализ кристаллов по их внешней форме в значительной мере вытеснен достижениемХХ века – рентгеноструктурным анализом. Этот метод, основывающийся на симметрииструктуры кристаллов и на дифракции рентгеновских лучей в кристаллах, даетвозможность  определять кристаллическую структуру вещества независимо от того,какова его внешняя форма. Не нужно иметь многогранный кристалл, хватит и малойкрупинки кристаллического вещества, что бы с помощью рентгеноструктурногоанализа полностью определить симметрию его структуры»[2].

Теперь пришло времяуглубится в рассмотрение атомной структуры кристаллов, о которой так частоупоминалось выше.

«Все найдено!»-воскликнул Рене Жюст Гаюи (1743-1822), заметив, что случайно выпавший из егорук большой кристалл кальцита раскололся на множество маленькихпараллелепипедальных (ромбоэдрических) осколков (кальцит обладает хорошейспайностью — способностью раскалываться – по ромбаэдру). В этот именно момент вего уме зародилась новая теория строения кристаллов.  В отличие от Кеплера,Гука и Ломоносовы, Гаюи предположил, что кристаллы построены не из мельчайшихшариков, а из молекул параллелепипедальной формы и что предельно малые спайныеосколки и являются этими самими молекулами. Иными словами, кристаллыпредставляют собой своеобразные кладки из молекулярных «кирпичиков» Несмотря навсю свою наивность с современной точки зрения эта теория сыграла в свое времябольшую историческую роль, дав толчок к зарождению теории решетчатого строениякристаллов.

Во всем мире вы ненайдете ни одного атома или иона, ни одной молекулы, которые покоились бы: всеони движутся, но движения эти различны.

«Кристаллы построеныправильно, строго закономерно. И в них тоже атомы, ионы и молекулы не находятсяв покое, но частицы не сталкиваются друг с другом, потому что все онирасположены правильным строем и каждая может только колеблется околоопределенного положения. Ряды частиц в пространстве, подобны трехмернымрешеткам из атомов, которые образуют кристаллическую структуру»[5].

Структура всехкристаллических веществ периодична и закономерна. Во всех кристаллах частицывыстраиваются симметричными правильными рядами, плоскими сетками, трехмернымирешетками. В твердом кристаллическом веществе каждая частица движется “вольно”,колеблется, но только у своего места в строю. Строй частиц в кристаллическомвеществе похож на пчелиные соты или на строительные леса: влево и вправо,вперед и назад, вверх и вниз тянутся ровные, правильные, бесконечные рядычастиц. Однако отделиться, выйти из такой решетки частицы твердого тела немогут, только если, например, нагреть кристалл так, чтобы он начал плавится.

Порядок, закономерность,периодичность, симметрия расположения атомов — вот что характерно длякристаллов. Во всех кристаллах, во все твердых веществах частицы расположены правильным,четким строем, выстроены симметричным, правильным повторяющимся узором. Покаесть этот порядок существует твердое тело, кристалл. Нарушен порядок,рассыпался строй частиц -это значит, что кристалл расплавился, превратился вжидкость или испарился, перейдя в пар.

Одинаков ли порядок,строй атомов, в различных кристаллах? Конечно, нет. Природа бесконечноразнообразна и не любит повторений: строй атомов железа совсем не похож напостройку атомов кристалла льда. В каждом веществе есть именно свой характерныйузор и порядок расположения атомов, и от того, каков этот порядок, зависятсвойства вещества. Одни и те же атомы, частицы одного сорта, располагаясьпо-разному, образуют вещества с совсем разными свойствами. Посмотрим напримерна атомы углерода: сажа или копоть — мягкий черный порошок; уголь — болеетвердый камень; графит — мягкий стерженек, оставляющий след на бумаге; алмаз-кристалл, твердостью которого восхищаются люди, крохотный кристаллик алмаза,вставленный в металлическую оправу, легко режет стекло. Все эти вещи состоят изатомов углерода, а разнообразие их свойств зависит от разнообразиякристаллической структуры.

К началу ХХ века обатомах знали совсем мало, и не было известно, что же именно группируется илиправильно повторяется в пространстве, создавая геометрические формы инеизменные углы между гранями кристаллов, симметрию и анизотропию их свойств. Иуж совсем ничего не было известно об атомном строении поликристаллических тел,у которых нет правильной внешней формы, — о технических металлах и их сплавах,о горных породах, о порошках.

В 1912 г. Физику МаксуЛауэ и его ученикам Фридриху и Книппингу удалось доказать, что рентгеновскиелучи претерпевают дифракцию на атомных решетках кристаллов. С тех пор отпаланеобходимость определять структуру кристалла по методу Федорова, основываясь навнешней форме. Английский ученый Виллиам Лоренс Брегг, изучая рентгеновсоеоблучение кристаллов сделал 2 интересных вывода: 1)различные атомные плоскостив кристаллах действуют как зеркала, отражая рентгеновские лучи; 2) Способностьатом рассеивать рентгеновские лечи зависит от его атомного номера. Эти двазаключения сделали анализ кристаллов по результатам рентгеновского облученияеще более детальным.

Лишь через пару месяцевпосле открытия Лауэ был найден способ определения расстояния между атомами (d)по рентгенограммам. Пучок рентгеновских лучей с длинной волны l, отражающихся от серии параллельныхатомных плоскостей, отстоящих друг от друга на одинаковые расстояния d, будетусиливаться, если выполняется простое геометрическое соотношение, котороетеперь носить названия формулы Вульфа — Брегга:

                                        nl=2dsinq

Здесь n — целое число, а  q — угол между лучом и отражающейатомной плоскостью. Если знать длину волны рентгеновских лучей, а величины n и q измерить на опыте, то порентгенограмме можно определить расстояние между атомными плоскостями вкристалле. Это и удалось сделать Бреггу и он получил значение d=2.8*10-8сантиметра.

Так родилась структурная(рентгеновская) кристаллография — определение структур кристаллов с помощьюрентгеновских лучей.

Симметрия структуры кристаллаотражается в его внешней форме, но и в отсутствии внешней характерной формыкристалл остается кристаллом, потому что сохраняется симметрия его структуры иего физические свойства.

Кристаллическое состояниеявляется нормальным состоянием твердого вещества, аморфное — нарушенным,временным состоянием. Поэтому в кристаллическом состоянии вещество обнаруживаетсвои физические свойства в самом чистом виде и в самых богатых сочетаниях, а ваморфном же веществе свойств как бы затуманены.

Структура кристалла определяетего свойства и форму. Однако, кристаллическая структура обнаружена не только вприродных многогранниках камней, в кристаллических горных породах и металлах,но и в очень многих других телах, о которых никому и в голову не приходилоподумать, что они состоят из кристаллов. Вот, например, глина, она не похожа накристалл, но и она состоит из мельчайших кристаллических частичек. Даже в такихвещах, как сажа, человеческие кости, волосы, волокна шерсти, шелк, целлюлоза ит. п., обнаружено кристаллическое состояние.

Рентгенограммыкристаллических веществ и их расшифровка на основе федоровских законовпостроения пространственной решетки позволяют судить о симметриикристаллических структур. Но это только остов, скелет структуры кристалла.Каковы же свойства частиц из которых сложены кристаллические решетки? Чемобусловлены геометрические структуры строения кристаллов? Какова природа сил,связывающих эти частица? На эти и многие другие вопросы отвечаеткристаллохимия.

Неоценимым вкладом вразвитие кристаллохимии являются работы академика Николая Васильевича Белова пообоснованию и углублению теории плотной упаковки частиц в кристаллах. Геометрическая задача о максимальном заполнении пространства шарами имеетмножество решений, но только два из них имеют для кристаллографии наибольшеезначение.

Хорошо известно, чтоплотность газов меняется очень сильно, в тысячи и более раз. Уплотнить жидкостьуже значительно труднее: частицы расположены здесь гораздо плотнее, чем в газе.В твердых же телах частицы расположены наиболее плотно, максимально близко другк другу.

Атомы и ионы каждогоэлемента характеризуются определенным размером – сферой действия, внутрьпределов которой не могут проникать другие частицы. Известно также, что размерыанионов (отрицательно заряженных ионов) значительно превышают размеры катионов(положительных ионов). Представим себе катионы и анионы в виде шаровсоответствующих радиусов. Как можно уложить такие шары наиболее плотно?

Начнем с шароводинакового радиуса. Ясно, что в одном слое можно наиболее плотно уложитьравновеликие шары лишь одним способом: каждый шар окружен в слое шестьюближайшими соседями, между ним и его соседями имеются треугольные промежутки.Попробуем теперь закрыть  этот плотно упакованный слой вторым слоем, тоженаиболее плотно упакованным. Очевидно, шары второго слоя должны попасть вуглубления между шарами первого слоя. Это можно так же сделать лишь однимспособом: взять аналогичный первому слой и сдвинуть его так, чтобы «верхушки»шаров второго слоя попадали как раз в углубления между шарами первого слоя. Укаждого верхнего шара будут три одинаковых соседа в нижнем слое, и наоборот,каждый нижний шар будет соприкасаться с тремя верхними. Третий плотно упакованныйслой можно уложить уже двумя способами: В варианте а каждый шар третьегослоя лежит на трех шарах второго слоя таким образом, что под шаром третьегослоя нет шара в первом слое. В варианте б каждый шар третьего слоя также лежит на трех шарах второго слоя, однако, под каждым шаром третьего слояоказывается шар в первом слое. Первый вариант называется кубической упаковкой,второй – гексагональной.

Между ними существует иеще одно различие, кроме метода упаковки. В гексагональной структуре имеетсялишь одно направление, нормально (перпендикулярно) к которому расположеныплотнейшие плоские слои, тогда как в кубической таких направлений 4,соответственно четырем объемным диагоналям куба. Это обстоятельство приводит ксущественным физическим различиям. Плотность заполнения пространства шарами вобоих вариантах, конечно одинакова, и соответственно число шаров одинакова наединицу пространства (при условиино четырем объемным диагоналям куба. Этообстоятельство приводит к существенным физическим различиям. Плотностьзаполнения пространства шарамиЗная строение двух простейших упаковок шаров,легко понять, что число слоев в кристалле очень велико. На самом деле вгексагональной упаковке третий слой повторяет первый, поэтому упаковкадвухслойная. В кубической упаковке четвертый слой повторяет первый: упаковкатрехслойная.

 Представим теперь, что вплотной упаковке одинаковых шаров должны разместится шары меньшего размера. Вметаллах так размещаются кремний, углерод, кислород, водород, азот, образуясилициды, карбиды, оксиды, гидриды и нитриды.

В плотной упаковкеравновекликих шаров-анионов меньшие шары-катионы размещаются в пустотах междуанионами. В зависимости от разных типов пустот возникаю различные типывзаимного расположения катионов и анионов, а значит и разные типыкристаллических структур. Пустоты бываю двух типов.  Одни окружены четырьмяшарами, центры которых располагаются по вершинам тетраэдра, поэтому ониназываются тетраэдрические пустоты. Другие располагаются между шестьюшарами, центры шаров, замыкающих эту пустоту располагаются по вершинамоктаэдра, соответственно такой тип пустот называется октаэдрическимипустотами. Если радиус упаковки принять за единицу, то радиусы шаров,которые могут быть помещены в тетраэдрические и октаэдрические промежутки, будутсоответственно выражаться числами 0.22 и 0.41. На один шар плотнейшей  упаковкиприходится 1 октаэдрическая и 2 тетраэдрических пустоты. Это относится к обоимвидам упаковок.

Принцип плотнейшей укладкиполучил подтверждение для веществ с ненаправленными связями между структурнымиединицами, особенно для металлов и ионных соединений. Он остается справедливыми для структур молекулярных, в частности и органических соединений, хотя в этомслучае применение его осложняется тем что форма сложных молекул обычно сильноотличается от шаровой.

Однако данный принципхарактерен почти для всех кристаллических структур, поэтому его можнорассматривать как единственный возможный для кристаллов.

Послеоткрытия дифракции рентгеновских лучей в кристаллах и рождениярентгеноструктурного анализа не стало сомнений в том, что в кристаллах частицырасположены правильным трехмерным строем. Уже в первые десятилетия после 1812г. были расшифрованы структуры почти всех известных кристаллических веществ,измерены междуатомные расстояния, определены силы связи между частицами.   

 Структурщики как бы расставили атомы по их местам в решетках и определили силывзаимодействия между атомами. Появилась возможность вычислять величиныфизических свойств на основе структуры кристаллов. Теоретически расчеты хорошосовпадали с данными опытов. Анизотропия (различие свойств в зависимости отвыбранного направления) физических свойств кристаллов нашла свое объяснение взаконах кристаллического строения.

Стройнаясхема законов атомного строения могла объяснить многие физические свойствакристаллов. Она была логична, ясна и казалась незыблемой. Но бессильнаоказалась она в двух областях: в физике пластичности и прочности и в учении оросте кристаллов.

Началосьвсе со споров о прочности кристаллов и об их механической деформации.

Что жетакое деформация твердого тела? Всякое твердое тело деформируется следующимобразом: сначала, при небольшом усилии, деформация идет упруго, затемначинается деформация пластическая. Упруго –это значит, что после того, каквнешняя сила убрана, тело полностью восстановит свою изначальную форму, всеследы деформации исчезнут. Пластически – это значит, что изменения останутся.

Так же,как правило, деформируется поликристалл, если он вообще способендеформироваться.

Номонокристалл и тут ведет себя особенно, из-за своей анизотропии. Даже и приупругой деформации кристалл далеко не всегда деформируется так, как вы хотите.Вы его сжимаете, а он сдвигается в сторону; хотите сдвинуть, а он не толькосдвигается, но и растягивается. Если же вы доводите деформацию до пластической,то кристалл вообще начинает проявлять «свой характер». И с этим надо считаться,если вы хотите деформировать кристалл.

Пластическаядеформация кристаллов чаще всего происходит путем скольжения: отдельные слоикристалла соскальзывают параллельно друг другу, как карты в колоде.  Это неотдельные атомные слои, а «пачки» атомных слоев параллельных друг другу.

Пластическоескольжение происходит отнюдь не в том направлении, в котором приложена сила, атолько по определенным плоскостям и в определенных направлениях, заданныхструктурой кристалла. Обычно это те плоскости, в которых атомы упакованыплотнее всего. Оно и понятно: если атомная плоскость скользит параллельно самойсебе, то движение ее легче идет там, где расстояние между атомами самоемаленькое, короче всего переход от одного атома, к другому такому же.

Конечнои анизотропия деформации, и выбор плоскостей скольжения определяется структуройкристалла.

Вопросо прочности кристаллов всегда вызывал интерес у ученых. Первым из ученыхрасчеты на прочность кристаллов были сделаны в 1924 г. советскимфизиком-теоретиком Я. И. Френкелем. Расчеты прочности различных кристаллическихструктур были сделаны, однако на практике оказалось, что расчетная прочностькристалла в тысячи раз больше реальной прочности.  Френкель оказал  огромнуюуслугу проблеме прочности кристаллов, вскрыв кричащее противоречие междутеорией процесса скольжения и результатами эксперимента.

Представьтесебе, что воздвигнуто стройное высотное здание, каркас которого сложен изстальных балок. Но одна из балок попалась бракованная, надрезанная,надломанная. Чем определить прочность всего здания? Конечно ее «слабым местом»– надломленной балкой, из-за которой может начаться сдвиг и разрушение всейпостройки.

Воттакие слабые места, как оказалось, неизбежно существуют в каждом кристалле.Сначала их так и называли «слабые места» или «места разрыхления», однако позжестали называтьдислокациями. Сначала ученые лишь предположили ихсуществование, затем убедились на опыте, а затем научились управлять.

Итак,дислокация – это нарушение правильности расположения атомов в структуре вдольопределенной линии.

Представьтесебе, что в серии параллельных плоскостей решетки одна из плоскостейнедостроена, не кончена: это уже не плоскость, а полуплоскость. Край такойоборванной плоскости образует краевую дислокацию.

Достаточноразорвать одну связь между атомами рядом с дислокацией – и дислокация (крайоборванной плоскости) передвинется на одно междуатомное расстояние, а связьмежду атомами за ней восстановится. Разорвется следующая связь – оборваннаяплоскость передвинется дальше на один шаг. Так, шаг за шагом, перемещаясь путемпоочередного разрыва по одной связи, дислокация перейдет через весь кристалл. Ав результате атомная плоскость переместится на один междуатомный шаг. Итогомэтого перемещения будет сдвиг одной половины кристалла относительно другой егополовине, т.е. пластическое скольжение.

Очевидно,кристалл, в котором есть дислокация, деформировать гораздо легче, чем идеальнопостроенный кристалл, — ведь здесь не надо разрывать все атомные связи,достаточно осуществлять работу разрыва последовательно по одному ряду связей.

Данное явление очень ярко можно прокомментировать с помощью модели «ковра». Коверлежит на гладком полу: перемещать такой ковер по полу, если он к полу прилегаетплотно, -дело нелегкое: площадь соприкосновения ковра с полом велика, ковертяжелый, и усилия для его смещения понадобятся немалые. А вот если поперекковра имеется узкая складка, вдоль которой ковер отделен от пола, переместитьковер можно существенно меньшими усилиями. Они нужны лишь для того, чтобыразгладить складку. Когда складка пройдет через весь ковер, он сместится наширину складки. Складка –это легкоподвижный дефект в системе «ковер – пол», таккак в области складки ковер не соприкасается с полом.

Аналогичноковру со складкой, одна из тех атомных плоскостей кристалла, которыеориентированы перпендикулярно плоскости скольжения, обрывающаяся на этойплоскости, должна перемещаться легче прочих.

Итак,почему же реальная прочность кристаллов оказалась намного меньше теоретической?Теоретической прочностью обладал бы кристалл, если бы он был построенбезукоризненно, идеально правильно. На самом же деле, в реальном кристаллевсегда есть отступления от порядка, нарушения расположения атомов. Обладаятакими знаниями, человек научился извлекать из данного дефекта кристалловвыгоду.

Физические свойствакристаллов  чаще всего зависят от их структуры и химического строения.

Сначала стоит упомянутьдва  основных свойства кристаллов. Одним из них является анизотропия, окоторой  уже упоминалась выше. Под этим термином подразумевается изменениесвойств в зависимости от направления. Так, например, если вырезать из кристаллаповаренной соли в различных направлениях стержни в поперечным сечением 1мм2и испытать их на разрыв, то окажется, что они имеют различную прочность.

Вместе с тем кристаллыявляются телами однородными. Однородность кристаллического веществасостоит в том, что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировкиодинаковы по свойствам.

Поговорим сначала обэлектрических свойствах. В принципе электрические свойства кристаллов можнорассматривать на примере металлов, так как металлы, в одном из состояний, могутпредставлять собой кристаллические агрегаты. Электроны, свободно передвигаясь вметалле, не могут выйти наружу, для этого нужно затратить энергию. Если приэтом  затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает такназываемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и вмонокристаллах.  Вырванный из молекулярной орбиты электрон, оставаясь внутрикристалла, обуславливает у последнего металлическую проводимость (внутреннийфотоэлектрический эффект). В нормальных же условиях (без облучения) такиесоединения не являются проводниками электрического тока.

Поведением световых волн вкристаллах занимался Эразм Бертолин, он первый заметил, что волны ведут себянестандартно  при прохождении через кристалл.  Однажды Берталин  зарисовывалдвугранные углы исландского шпата, затем он положил кристалл на чертежи, тогдаученый в первый раз увидел, что каждая линия раздваивается. Он несколько разубедился, что все кристаллы шпата раздваивают свет, лишь тогда Берталин написалтрактат «Опыты с двупреломляющим исландским кристаллом, которые привели коткрытию чудесного и необыкновенного преломления»(1669г.). Ученый разослалрезультаты своих опытов в несколько стран отдельным ученым и академиям. Работыбыли приняты с полным недоверием. Английская Академия наук выделила группуученых на проверку данного закона (Ньютон, Бойль, Гук и др.). Эта авторитетнаякомиссия признала явление случайным, а закон несуществующим. О результатахопытов Берталина было забыто.

Лишь через 20 лет ХристианГюйгенс подтвердил правильность открытие  Берталина и сам открыл двупреломлениев кварце. Многие ученые, в последствии занимавшиеся этим свойством подтвердиличто не только исландский шпат но и многие другие кристаллы раздваивают свет.

Не раздваивают светкристаллы высшей категории такие как алмаз каменная соль, квасцы, гранаты,флюорит. У них ведь вообще анизотропия многих свойств проявляется слабее чем востальных кристаллах а некоторые свойства изотропны. Во всех кристаллах низшейи средней категорий, конечно если они прозрачны наблюдается двойноепреломление света.

/>                                     Рис.1

/>/>                                   

   Воздух                                                       Воздух

                                Стекло                                                           Кристалл

Преломление возникаетиз-за различия скорости света в разных средах… Так в стекле скорость света в1,5 раза меньше, чем в воздухе, следовательно коэффициент преломления равен1,5.

Причиной двупреломленияявляется анизотропия скорости света в кристаллах. В изотропной среде волнырасходятся во все стороны одинаково, как бы по радиусам шара. Не так вкристаллах. И световые и звуковые волны расходятся в них не кругами, и скоростьэтих волн, а значит и показатели преломления, в разных направлениях различны.

Представим, что вкристалле луч света раздваивается, один ведет себя как «обыкновенный», т. е.идет во все стороны по радиусам шара, другой — «необыкновенный» — идет порадиусам эллипсоида. В таком кристалле существует одно-единственноенаправление, в котором двупреломления нет. Обыкновенный и необыкновенный лучиидут вместе, луч света не раздваивается. Оно называется оптической осью.Так ведут себя по отношению к свету кристаллы средней категории, поэтому ихназывают оптически одноосными. В кристаллах низшей категории свет тожеиспытывает двойное преломление, но уже оба луча ведут себя как необыкновенные,у обоих показатели преломления во всех направлениях разные и обараспростроняются по радиусам эллипсоида. Кристаллы низшей категории называются оптическидвуосными. Кристаллы высшей категории, где свет расходится по радиусам шараво все стороны одинаково, называются оптически изотропны.

Проходя черездвупреломляющий кристалл, волна света не только раздваивается, но каждый изобразованных лучей еще и поляризуется, раскладываются на две плоскостиперпендикулярных друг другу. Является ли поляризация причиной двупреломления?

 Представим себевспаханное поле, разложим его по двум главным направлениям: вдоль и поперекборозд – естественно, что вдоль борозд идти проще, чем поперек. Теперьпопробуем тащить по вспаханному полю вкось какой-нибудь предмет. Мы заметим,что предмет будет двигаться не ровно, то скользя вдоль борозд, то перескакиваяпоперек них. Явно видно, что движение предмета как бы разлагается на дваперпендикулярных движения, притом с разными скоростями.

Волна ведет себя подобнымобразом, ведь она должна пройти сквозь атомную решетку, ряды которой лежатперед ней, как борозды на пашне. И она поэтому распадается в кристалле на двеволны., у которых плоскость колебаний взаимно перпендикулярные. Скорость этихволн в кристалле различны, как различны скорости хода вдоль борозд иперпендикулярно им А раз различны скорости значит и показатели преломленияразличны, в результате волны разойдутся как это показано на рисунке 1.

Как видно извышесказанного, явления поляризации света и двупреломления тесно связаны друг сдругом.

Еще Стенон писал, что нанаружные плоскости ранее ограненного кристалла осаждается новое вещество.Частицы (атомы, ионы, молекулы) из раствора, пара или расплава оседают награнях кристаллического зародыша, продолжая его рост слой за слоем.Теоретически кристаллизация должна начинаться при перенасыщенности раствора на30-50%. Эти цифры были рассчитаны учеными в двадцатые – тридцатые годы нашегостолетия. Однако на практике кристалл может расти и при малой пересыщенностираствора. Еще одна несостыковка имеет место быть при сравнении теории спрактикой. Долгое время ученые считали, что кристалл растет подобно кирпичнойкладке: пока недостроен предыдущий ряд, новый не строится. Естественно атомулегче осесть на плоскость «зацепившись» за находящийся рядом атом, но, когдаряд достроен и плоскость не нуждается в новых частицах, куда деваться«вновьприбывшему» атому? Считалось, что он отскакивает обратно в среду, изкоторой выпал. Тогда рост кристалла прекратился бы уже после построения первойграни. Как же происходит на самом деле?

В 1948 году английскийкристаллограф Франк выдвинул остроумную догадку: Кристалл растет непараллельными слоями, не как кирпичная кладка, а подобно винтовой лестнице илиспирали. Кристалл при росте как бы накручивается сам на себя, все времяпродвигая вперед одну и ту же ступень. На выходе этой ступеньки на граникристалла как бы заготовлена уютная «посадочная площадка» для  каждой вновьприсоединяющейся частицы. И хитрость здесь в том, что частицы, оседая,присоединяются к ступеньке, а ступенька не зарастает, только число оборотов ввинтовой лестнице увеличивается, и грань, продвигаясь вперед, непрерывнорастет. Именно так, по представлению Франка, в некоторых местах в кристалленарушено правильное чередование атомных слоев: атомные слои не параллельны другдругу, а закручены в единую винтовую лестницу. Схема такой атомной винтовойлестницы называется винтовая дислокация.

Однако, когда Франкрассказал о своей гипотезе на конференции по росту кристаллов в 1948 г.,слушатели с недоверием отнеслись к его теории, ведь в таком случае на граникристалла должен быть незарастающий выступ, меж тем спокон веков известно, чтограни у кристаллов гладкие. И тем не менее Франк оказался прав: на граняхкристаллов действительно имеются спиральные выступы. Оказалось, что тремягодами ранее в 1945 г. в Москве Г. Г. Леммлейн обнаружил, что назеркально-гладкой, ровной, плоской грани кристалла имеются спиральныеступеньки. Он обнаружил это при помощи росы нанесенной на грань кристалла.Росинки оседают и выделяют каждую неровность на поверхности, тогда в микроскопученый и разглядел эти выступы. Найденный им метод был назван «методом росы».

Сегодня уже нет сомненийв том, что именно так растут кристаллы из паров, расплавов и из слабопересыщенных растворов:  рост облегчается тем, что в кристалле есть винтовыедислокации и кристалл растет вдоль дислокации, образуя единую винтовую лестницуиз атомных плоскостей.

Сам факт, что некоторыеиз атомов в кристаллах блуждают, а не находятся в устойчивом состоянии вызываетдолю скептицизма. Ведь всем известно, что в кристаллах атомы расположены вузлах кристаллических решеток и они лишь совершают колебательные движения впределах не больше междуатомного расстояния. Однако из каждого правила естьисключения. То что некоторые атомы не находятся в узлах кристаллической решеткидоказал один из основоположников физики твердого тела, советский физик-теоретикЯков Ильич Френкель.

«Сам механизм перемещенийатомов в кристаллах похож на диффузионные процессы или скорее на испарение,только не во внешнюю среду, а во внутреннюю»[6].

 “Диффузия — этоперенос вещества приводящий к самопроизвольному выравниванию концентрацииразличных веществ”. Атомы или молекулы сорта А перемещаются туда, где их меньшевсего или нет совсем и где больше атомов сорта В, и наоборот. В результатепроисходит диффузионное перемешивание в газах, жидкостях и твердых телах. Прииспарении происходит произвольный отрыв единичных атомов вещества отпривычных им позиций. Освободившиеся атомы уходят во внешнюю среду. Надозаметить, что скорости как диффузии, так и испарения зависят от температуры, тоесть эти процессы термодинамические, чем выше температура, тем больше скорость.

Френкель, в своей статье“О тепловом движении в твердых и жидких телах” проводит аналогию между“внешним” и “внутренним” испарением, т. е. переходом атома (в кристалле) изузла в пространство между узлами. Согласно Френкелю, принципиального отличиямежду характером теплового движения атомов на поверхности тела и внутри него несуществует. Если возможен отрыв атомов вещества от его поверхности, то мыслимтак же и срыв атома из положения равновесия внутри тела. Однако мы должнысчитаться с тем, что в нормальных условиях атомы образуют в основном правильнуюкристаллическую решетку, и что внутреннее испарени6е может сопровождатьсянарушением в правильности расположения атомов.

Предположим, чтокакой-нибудь атом набравший случайно избыточную энергию, вырывается из клетки,образованной его соседями, как бы “раздвигая” прутья этой клетки, и вылетает изисходного положения равновесия в исходную плоскость. Атомы не занимают всегообъема тела, между ними остаются еще свободные промежутки (междоузлия),благодаря которым они оказываются способными совершать колебания. Конечно, еслиатом внедряется в одно из междоузлий, то он должен несколько потеснить своихновых соседей. Узлы решетки вблизи такого “дислоцированного” атома окажутсясмещенными; однако на небольшом расстоянии от этого места восстанавливаетсяправильная структура.

Таким образом, врезультате внутреннего испарения один из узлов, именно тот, где ранее находилсярассматриваемый атом, окажется вакантным, зато одно из междоузлий занятым.Такой процесс может многократно повторятся с тем же самым атомом. Переходя изодного междоузлия в другое, дислоцированный атом может странствовать по всемувнутреннему пространству кристалла.

В результате тепловогодвижения некоторые узлы обнажаются, оставаясь вакантными, а некоторыемеждоузлия заполняются сорвавшимися атомами. Реальный кристалл представляетсобой как бы двойной раствор, в котором наряду с “основными” атомами,находящимися в узлах, имеются два типа растворенных частиц: дислоцированныеатомы и свободные узлы “вакансии”. Дислоцированные атомы расположены так же,как располагаются посторонние атомы в случае их внедрения в междоузлие. Что жекасается вакансий, то они занимают место реальных атомов, т.е. располагаютсяподобно чужеродным атомам по принципу замещения.

Не только дислоцированныеатомы перемещаются по кристаллу, но и вакансии. Освободился один узел,образовалась вакансия, тут же в нее перескочил атом, например из нижнего ряда,на его месте образовался пустой узел, следовательно, вакансия сместилась наодин ряд вниз.

Это наиболее общееописание механизма перемещение атома по кристаллу. В настоящее время,существует множество формул и условий, помогающих определить частотуперемещения, направление и другие параметры.

О прочности кристаллов.

Ранее было описано, чтокристалл заполнен дефектами. Как же влияют дефекты на прочность кристаллов. Оодном, о прочности, мы уже говорили: дефекты понижают прочность, в сотни,тысячи раз. Если к кристаллу приложить внешнюю силу, то атомная постройканачнет разрушаться именно в месте слабины, там, где есть дефект. Дефект — дислокация — начинает двигаться по кристаллу.

Но не так все просто, помере того, как растет деформация кристалла, растет и число дефектов в нем. Атак как дефекты взаимодействуют друг с другом, то, чем их больше, тем труднееим двигаться в кристалле. Получается парадокс: если есть дефект кристалл — кристалл деформируется и разрушается легче, чем если дефекта нет. А еслидефектов слишком много, то кристалл опять становится прочным, и чем большедефектов, тем он более упорядочивается. Значит, если мы научимся управлятьчислом и расположением дефектов, мы сможем управлять прочностью материалов.

Еще сильнее удалось быизменить свойства кристаллов, если бы удалось вырастить кристалл совсем бездефектов. Как в стальном каркасе здания, если бы не было ни одной дефектнойбалки, прочность здания была бы расчетной. Без дефектов кристалл “не хочет”расти. И все же ученым удалось перехитрить природу. Научились выращиватькристаллы, в которых нет, совсем нет, дефектов, или есть один единственныйдефект, очень удачно расположенный.

Такие идеальные кристаллыудивительно прочны. «Обычное техническое железо выдерживает, не разрушаясь,усилие в 20-30 кг/мм2,самая лучшая конструкционная сталь — 200-300 кг/мм2, а бездефектный кристаллик железа — 1400 кг/мм2. Иначе говоря,бездефектные кристаллы железа прочнее обычного в 40-50 раз»[2].

Такие кристаллы научилисьрастить, измерять их свойства и прочность, но эти кристаллы очень и очень малы.Это “нитевидные кристаллы”, или “усы” — волоски диаметром не более 1-2 микрон.Растить такой кристалл очень сложно, а вырастет он чуть потолще — в немобязательно проявляются дефекты и прочность сразу снижается.

Такой усик выдерживаетнагрузку значительно большую, чем обычная проволока. Он деформируется упруго,восстанавливает свою форму после деформации, не меняется при высокихтемпературах. Уже широко применяются нитевидные кристаллы для созданиявысокопрочных композитных материалов. Композит, или композитный материал — этосплошная основа, металл или полимер пронизанный нитевидными кристаллами.

Созданыкристаллизационные установки в которых вытягивают монокристаллические нитисапфира длинной до 30 метров. Кристалл получается такой упругий и гибкий, чтоего наматывают как нить на катушку. А затем этими гибкими нитями упрочняютоснову. Из композитных материалов делают листы для обшивки самолетов и ракет. Человек научился получать материалы, гораздо прочнее природных.

Кристаллы из-за ихпрочности используют и в различных режущих аппаратах, так как кристалл один изсамых прочных материалов на Земле.

Человек применяеткристаллы почти во всех областях материальной сферы их цена и значениечрезвычайно велики.

Заключение.

Итак, в данной работебыла рассказана лишь малая часть того, что известно о кристаллах в настоящее время,однако и эта информация показала, насколько неординарны и загадочны кристаллыпо своей сущности.

В облаках, в глубинах Земли,на вершинах гор, в песчаных пустынях, в морях и океанах, в научных лабораториях,в клеточках растений, в живых и мертвых организмах – везде встретим мыкристаллы. Но может кристаллизация вещества совершается только на нашей планете?Нет, мы знаем теперь,  что и на  других планетах и далеких звездах все времянепрерывно возникают, растут и разрушаются кристаллы. Метеориты, космическиепосланцы, тоже состоят из кристаллов, причем иногда в их состав входяткристаллические вещества, на Земле не встречающиеся. Кристаллы везде.

Люди привыклииспользовать кристаллы, делать из них украшения,  любоваться ими. Теперь, когдаизучены методы искусственного выращивания кристаллов, область их применениерасширилась, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам икристаллическим агрегатам.

    Список  используемой литературы.

1.  «Кристаллы», М.П. Шаскольская, Москва «наука», 1978г.

2.   «Очерки о свойствах кристаллов», М.П. Шаскольская, Москва «наука», 1978г.

3.   «Симметрия в природе», И.И.Шафрановский, Ленинград «недра», 1985г.

4.   «Кристаллохимия», Г. Б. Бокий, Москва«наука», 1971г.

5.   «Живой кристалл», Я. Е. Гегузин,Москва «наука», 1981г.

6.   «Очерки о диффузии в кристаллах», Я.Е. Гегузин, Москва «наука», 1974г.

www.ronl.ru

Реферат - Кристаллы и их применение

Живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы, безусловно, никак не можем отвлечься от проблемы кристалличности: мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими… Изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она всесторонне рассматривает кристаллические вещества, исследует их свойства и строение. В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов — явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники, известняк — кристалличны. По мере совершенствования методов исследования кристалличными оказались вещества, до этого считавшиеся аморфными. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза, витамины, мелиновая оболочка нервов — это кристаллы. Долгий путь поисков и открытий, от измерения внешней формы кристаллов в глубь, в тонкости их атомного строения еще не завершен. Но теперь исследователи довольно хорошо изучили его структуру и учатся управлять свойствами кристаллов.

Кристаллы – это красиво, можно сказать чудо какое-то, они притягивают к себе; говорят же «кристальной души человек» о том, в ком чистая душа. Кристальная – значит, сияющая светом, как алмаз … И если говорить о кристаллах с философским настроем, то можно сказать, что это материал, который является промежуточным звеном между живой и неживой материей. Кристаллы могут зарождаться, стареть, разрушаться. Кристалл, когда растет на затравке (на зародыше), наследует дефекты этого самого зародыша. Вообще можно привести множество примеров, настраивающих на такой философский лад, хотя конечно здесь много от лукавого… Например, по телевидению теперь можно услышать о непосредственной связи степени упорядоченности молекул воды со словом, с музыкой и о том, что вода изменяется в зависимости от мыслей, от состояния здоровья наблюдателя. Я не воспринимаю этого всерьез. Вообще-то, шарлатанства и спекуляций около науки много. А молитва опосредована, действует через Духа Святаго и не надо смешивать научный подход и духовные вещи.

Но если говорить совсем серьезно, сейчас пожалуй нельзя назвать ни одну дисциплину, ни одну область науки и техники, которая бы обходилась без кристаллов. Когда я работала, ко мне валом валили медики, показывали почечные камни пациентов: их интересовали среды, в которых кристаллообразование произошло. И фармацевтов много побывало, ведь таблетки – это спрессованные кристаллы. Усвоение, растворение таблеток зависит от того, какими гранями покрыты эти микрокристаллики. Витамины, миелиновая оболочка нервов, белки, и вирусы – это все кристаллы. И наши консультации приносили большое удовлетворение, отвечая на возникающие вопросы….

Кристалл чудодейственен своими свойствами, он выполняет самые разные функции. Эти свойства заложены в его строении, которое имеет решетчатую трехмерную структуру.

Как пример использования кристаллов можно взять кристалл кварца, который используется в телефонных трубках. Если на пластинку из кварца воздействовать механически, то в ней в соответствующем направлении возникнет электрический заряд. В трубке микрофона кварц преобразует механические колебания воздуха, вызванные говорящим, в электрические. Электрические колебания в трубке Вашего абонента преобразуются в колебательные, и, соответственно, он слышит речь.

Будучи решетчатым, кристалл ограняется и каждая грань, как личность, своеобразна. Если грань плотно упакована в решетке материальными частицами (атомами или молекулами), то это очень медленно растущая грань. Например, алмаз. У него грани имеют форму октаэдра, они очень плотно упакованы атомами углерода, и отличаются в силу этого и блеском, и прочностью.

Кристаллография – наука не новая. У её истоков стоит М. В. Ломоносов. А вот выращивание искусственных кристаллов дело более позднее. Популярная книга Шубникова «Образование кристаллов» вышла в 1947 году. Эта научная практика выросла из минералогии, науки о кристаллах и аморфных телах. Выращивание кристаллов стало возможным благодаря изучению данных минералогии о кристаллообразовании в природных условиях. Изучая природу кристаллов, определяли состав, из которого они выросли и условия их роста. И теперь эти процессы имитируют, получая кристаллы с заданными свойствами. В деле получения кристаллов принимают участие химики и физики. Если первые разрабатывают технологию роста, то вторые определяют их свойства. Можно ли искусственные кристаллы отличить от природных? Вот вопрос. Ну, например, искусственный алмаз до сих пор уступает природному по качеству, в том числе и по блеску. Искусственные алмазы не вызывают ювелирной радости, но для использования в технике они вполне подходят, выступают в этом смысле на равных с природными. Опять же, нахрапистые ростовики (так называют химиков, выращивающих искусственные кристаллы) научились выращивать тончайшие кристаллические иглы, обладающие чрезвычайно высокой прочностью. Это достигается манипулированием химизмом среды, температурой, давлением, воздействием некоторых других дополнительных условий. И это уже целое искусство, творчество, мастерство – тут точные науки не помогут, они в этой области работают плохо. Еще покойный академик Николай Васильевич Белов говорил, что искусством выращивать кристалл обладает тот специалист, который тонко чувствует кристалл.

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Бах реферат
• 
  Реферат медузы
• 
  Реферат балет
• 
  Гегель реферат
• 
  Реферат морфология
• 
  Электричество реферат
• 
  Реферат электричество
• 
  Диета реферат
• 
  Реферат сыр
• 
  Реферат посуда
• 
  Реферат экономист