Мир кристаллов
| Вид материала | Реферат |
- Направление: Физика Тема: «Волшебный мир кристаллов» Научно, 239.25kb.
- Адаптивная системА управления процессАмИ роста кристаллов для методов Степанова и Чохральского, 252.54kb.
- Программа дисциплины дпп. В. 03 «Физика твердого тела» Специальность 032200., 165.38kb.
- Послания воды. Тайные коды кристаллов льда, 962.72kb.
- «алмазодобывающая промышленность россии», 210.45kb.
- Кристаллические и аморфные тела.(Урок физики в 10 классе) Цель урока, 71.64kb.
- Синтез и свойства люминесцентных фотонных кристаллов, 25.61kb.
- Реферат по физике на тему: «Профессии жидких кристаллов», 328.67kb.
- Программа предпрофильного курса «В царстве кристаллов», 59.24kb.
- Оптические свойства глобулярных фотонных стекол и кристаллов, инфильтрованных активными, 20.57kb.
Григорьевский филиал МОУ Шпикуловской СОШ
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.
ссылка скрыта 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 101000 больше 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 открытии фотонных кристаллов. Чем более свершенными занятиями и инструментами исследования природы и кристаллов, в частности, нам расскрываются.
Самый важный вывод моей работы: все физические свойства, благодаря которым кристаллы так широко применяются, зависят от их строения – их пространственной кристаллической решётки.
Наряду с твёрдотельными кристаллами в настоящее время широко применяются жидкие кристаллы, а в скором будущем мы будем пользоваться приборами, построенными на фотонных кристаллах.
К кристаллам относятся и ювелирные камни, из которых изготавливают украшения. Отношение человека к драгоценным камням за многие столетия претерпело изменения: от обожествления и применения в медицине до демонстрации своей состоятельности или доставления электрического удовольствия от красоты и гармонии камня.
Информационные источники:
- Школьникам о современной физике. В.А. Беляков. Профессии жидких кристаллов.Издательство «Просвещение». 1990.
- В.В.Гончар, А.В.Чудин. Бумажная планета. Суперальбом для моделирования. Кристаллы. Издательский центр «Аллегро - пресс» 1994.
- Физика. Проектная деятельность учащихся. Автор-составитель Н.А. Лымарева. Волгоград. Издательство «Учитель» 2007.
- Планета Земля. Большая серия знаний. «Современная педагогика». Москва 2003.
- Сайт Мир кристаллов.
- ссылка скрыта
- ссылка скрыта
- Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Москва.Большое в малом. 2005.
- Журнал «Физика в школе». №2. 2006.