Курсовая: Твердые кристаллы - текст курсовой. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Курсовая

Твердые кристаллы

Банк рефератов / Геология и геодезия

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Курсовая работа
Язык курсовой: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 56 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникальной курсовой работы

Узнайте стоимость написания уникальной работы

30 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ У НИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ ИНСТИТУТ СОЦИО ЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПЕРСОНАЛОМ СПЕЦИАЛЬНОСТЬ : МЕНЕДЖМЕНТ СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ : УПРАВЛЕНИЕ ПЕРСОНАЛОМ К У Р С О В А Я Р А Б О Т А НА ТЕМУ : ТВЕРДЫЕ КРИСТАЛЛЫ Вы полнила студентка : Савдур А.С. Студенчес кий билет № : С -84-98-УП Курс I группа 1 Дата выполнения работы : 10.05.99 Руководитель : Г орбатова Содержание. I . Аннотация……………………………………………………… .2 II . Введение………………………………………………………… 3 III . Основна я часть……..………… …………………………… .4-35 1.Что такое кристалл……………………………………… .4-5 2. Монокристаллы и кристаллические агрегат ы……… .....5-6 3.Симметрия в кристаллах………………………………… .6-9 4.Форма кристаллов……………………………………… .9-12 5. Закон постоянства двугранных углов . О тклонения от закона…………………………………………… 12-15 6. Как определить вещество по форме его кристалла… .15-17 7. Атомная структура кристаллов…………..………… ...17-20 8. Теория плотнейших шаровых упаковок…..……….… 20-23 9. Есть ли беспорядок в кристалле ?…… ……………… ...23-27 10. О н екоторых свойствах кристаллов.. ……………… ..27-28 11. Волны света в кристаллах…………………………… .28-30 12. Как растет кристалл………………………………… ...30-32 13. Атомы блуждают по кристаллу……………...…… ....32-34 14. О прочности кристаллов…………………………… ...34-35 IV . Заключение……..… …………………………………………………… 36 V . Список используемой литературы……..……………………………… 37 Аннотация. Данная работа п освящена кристаллам . Даны наиболее общие свед ения о форме , структуре и симметрии криста ллов . Также раскрыт механизм роста . Отдельные главы посвящены теор ии плотнейших ша ровых упаковок , закону о сохранении двугранны х углов и прочности кристаллов . Работа сод ержит сведения о беспорядке и дефектах в кристалле . Для более наглядного описания классификации и свойств кристаллов приведены две таблицы. Словно вол шебный скульптор, Светлые грани кристаллов Лепит бесцветный раствор. Н.А.Морозов Введение. Кристаллы одни из самых красивых и загадочных творений природы . В настоящее вр емя изучением многообразия кристаллов занимается наука кри сталлография . Она выявляет п ризнаки единства в этом многообразии , исследу ет свойства и строение как одиночных крис таллов , так и кристаллических агрегатов . Крист аллография является наукой , всесторонне изучающей кристаллическое вещество . Данная работа такж е посвящена кристаллам и их свойст вам. В давние времена считалось , что криста ллы представляют собой редкость . Действительно , нахождение в природе крупных однородных кр исталлов - явление нечастое . Однако мелкокристаллич еские вещества встречаются весьма часто. Так , например , почти все горные породы : г ранит , песчаники известняк - кристалличны . По ме ре совершенствования методов исследования криста лличными оказались вещества , до этого считавш иеся аморфными . Сейчас мы знаем , что даже некоторые части организма крис т а лличны , например , роговица глаза. В настоящее время кристаллы имеют бол ьшое распространение в науке и техники , та к как обладают особыми свойствами . Такие о бласти использования кристаллов , как полупроводни ки , сверхпроводники , пьезо - и сегнетоэлектрики , ква нтовая электроника и многие другие требуют глубокого понимания зависимости физиче ских свойств кристаллов от их химического состава и строения. В настоящее время известны способы ис кусственного выращивания кристаллов . Кристалл мож но вырастить в обыкновенном стакане , для этого требуется лишь определенный раствор и аккуратность с которой необходимо ухажив ать за растущим кристаллом . Что такое к ристалл. В школьных у чебниках кристаллами обычно называют твердые тела , образующихся в природных или лабораторн ых усл овиях и имеющие вид многогранни ков , которые напоминают самые непогрешимо стр огие геометрические построения . Поверхность таких фигур ограничена более или менее соверше нными плоскостями - гранями , пересекающимися по прямым линиям - ребрам . Точки пересечения р ебер образуют вершины . Сразу же следует оговорится , что приведенное выше определение требует существенных поправок . Вспомн им , например , всем известную горную породу границ , состоящую из зерен полевого шпата , слюды и кварца . Все эти зерна являются кристалл а ми , однако , их извилистые зерна не сохранили прежней прямолинейности и плоскогранности , а следовательно не под ходят к вышеуказанному описанию . Одновременный рост всех составляющих гранит кристаллов , м ешавших друг другу развиваться , и привел к тому , что от д ельные кристаллы не смогли получить свойственную им правиль ную многогранную форму . Итак , для образования правильно ограненных кристаллов необходимо , чтобы ничто не мешало им свободно развива ться , не теснило бы их и не препятство вало их росту. Кристаллов в природе существует в еликое множество и так же много существуе т различных форм кристаллов . В реальности , практически невозможно привести определение , кото рое подходило бы ко всем кристаллам . Здесь на помощь можно привлечь результаты рент геновского анализа кристаллов . Рентгеновск ие лучи дают возможность как бы нащупать атомы внутри кристаллического тела и опр еделяет их пространственное расположение . В р езультате было установлено , что решительно вс е кристаллы построены из элементарных частиц , расположенных в строгом порядке внутри кристаллического тела . Упорядоченность рас положения таких частиц и отличает кристалличе ское состояние от некристаллического , где сте пень упорядоченности частиц ничтожна. Во в сех без исключения кристаллических постройках из атомо в можно выделить множество одинаковых атомов , расположенных наподобие узло в пространственной решетки . Чтобы представить такую решетку , мысленно заполним пространство множеством равных параллелепипедов , параллельно ориентированных и соприкасающихся по целы м граням . Простейший пример такой постройки представляет собой кладка из оди наковых кирпичиков . Если внутри кирпичиков вы делить соответственные точки , например , их цен тры или вершины , то мы и получим модел ь пространственной решетки . Для всех без и сключения кристаллических тел характерно решетчатое строение. Вот теп ерь мы подошли к возможности дать общее определение для кристаллов . Итак , кристаллами называются « все твердые те ла , в которых слагающие их частицы (атомы , ионы , молекулы ) расположены строго законом ерно наподобие узлов пространственных реш еток » [4]. Это определения являетс я максимально приближенным к истине , оно п одходит к любым однородным кристаллическим те лам : и булям (форма кристалла , у которого нет ни граней , ни ребер , ни выступающих вершин ), и зе рнам , и плоскогранным фигурам ) Монокристаллы и кристаллические агрегаты. В отличие от других агрегатных состояний , кристаллическое состояние многообразно . Одни и те же по составу молекулы могут быть упакованы в кристаллах разными способами . От способа же упаковки зависят физические и химическ ие свойства вещества . Таким образом одни и те же по химическому составу вещества на самом деле часто обладают различными физическим свойствами . Для жидкого состояния такое многообразие не характерно , а для газообразно г о - невозможно. Если взять , например , обычную поваренную соль , то легко увидеть даже без микроск опа отдельные кристаллики . Каждый кристаллик есть вещество NaCl, но одновременно он имеет черты индивидуума . Он может быть большим и ли малым кубическим или прямо угольно-пара ллелепипедальным , по-разному ограненным и т.д. В жидкости нельзя увидеть отдельные и ндивидуумы - капельки , в кристаллическом же вещ естве они видимы. Если мы хотим подчеркнуть , что имеем дело с одиночным , отдельным кристаллом , т о называем его мон окрис таллом, чтобы п одчеркнуть что речь идет о скоплении многих кристаллов , используется терми н кристаллический агрегат. Если в кристаллическом агрегате отдельные кристаллы почти не огранены , это может объяснятся тем , что кристаллизация на чалась одновреме нно во многих точках вещества и скорость ее была достаточно вы сока . Растущие кристаллы являются препятствием друг другу и мешают правильному огранению каждого из них. В данной работе речь пойдет в о сновном о монокристаллах , а так как они являются составны ми частями кристаллически х агрегатов , то их свойства будут схожи со свойствами агрегатов. Симметрия в кристаллах. Рассматривая различные кристаллы мы видим ,что все они разные по фор ме , но любой из них представляет симметрич ное тело . И действительно симме тричность это одно из основных свойств кристаллов . К понятию о симметрии мы привыкли с детства . Симметричными мы называем тела , которые состоят из равных одинаковых частей . Наиболее известными элементами симметрии дл я нас являются плоскость симметрии (зе р кальное отображение ), ось симметрии (повор от вокруг оси , перпендикулярной к плоскости ). По углу поворота различают порядок оси симметрии , поворот на 180 о – ось симметрии 2-ого поряд ка , 120 о – 3-е го порядка и так далее . Есть и еще оди элемент симметрии - центр симметрии . Представьте себе зеркало , но не большое , а точечное : точку в которой все отобр ажается как в зеркале . Вот эта точка и есть центр симметрии . При таком отображен ии отражение поворачивается не только справа налево , но и с лица на изнанку . В се кристаллы симметричны . Это значит , что в каждом кристаллическом многограннике можно н айти плоскости симметрии , оси симметрии , центр ы симметрии и другие элементы симметрии т ак , чтобы совместились друг с другом одина ковые части многогранника . Введем еще одно понятие относящиеся к симметрии полярность. Предс тавим конус и цилиндр , у обоих объектов есть по одной оси симметрии бесконечного порядка , но они различаются полярностью , у конуса ось полярна (представим центральную ось в виде стрелочки , указывающей к вершине ), а у цилиндра ось неполярна. Поговорим о видах симметрии в кристал ле . Прежде всего в кристаллах могут быть оси симметрии только 1, 2, 3, 4 и 6 порядков . Пред ставим плоскость , которую надо полностью покр ыть семи-,восьсми -, девятиугольниками и т. д ., так чтобы между фигурами не оставалось пространства , это не получится , пятиугольника ми покрыть плоскость так же нельзя . Очевид но , оси симметрии 5, 7-го и выше порядков не возможны , потому что при такой структур е атомные ряды и сетки не заполнят пр остр а нство непрерывно , возникнут пуст оты , промежутки между положениями равновесия атомов . Атомы окажутся не в самых устойчив ых положениях и кристаллическая структура раз рушится. В кристаллическом многограннике можно най ти разные сочетания элементов симметрии – у одних мало , у других много . По симметрии , прежде всего по осям симметрии , кристаллы делятся на три категории . К высшей кат егории относятся самые симметричные кристаллы , у них может быть несколько осей симмет рии порядков 2,3 и 4, нет осей 6-го поряд ка , могут быть плоскости и центры симметрии . К таким формам относятся куб , о ктаэдр , тетраэдр и др . Им всем присуща общая черта : они примерно одинаковы во все стороны . У кристаллов средней категории могут быть оси 3, 4 и 6 порядков , но только по од ной . Осе й 2 порядка может быть нескольк о , возможны плоскости симметрии и центры с имметрии . Формы этих кристаллов : призмы , пирами ды и др . Общая черта : резкое различие в доль и поперек главной оси симметрии. У кристаллов низшей категории не м ожет быть ни одной оси с имметрии 3 4 и 6 порядков , могут быть только оси 2 поряд ка , плоскости или центр симметрии . Структура данных кристаллов самая сложная. Из кристаллов к высшей категории о тносятся : алмаз , квасцы , гранаты германий , крем ний , медь , алюминий , золото , серебро , с ер ое олово вольфрам , железо ; к средней катег ории – графит , рубин , кварц , цинк , магний , белое олово , турмалин , берилл ; к низшей – гипс , слюда , медный купорос , сегнетовая соль и др . Конечно в этом списке не были перечислены все существующие кристаллы , а тол ь ко наиболее известные из них . Категория , к которой принадлежит кри сталл характеризует его физический свойства. Категории в свою очередь разделяются на семь сингоний . В переводе с греческого «сингония» означае т «сходноугольство» . В сингонию объединяются кри сталлы с одинаковыми осями симметрии , а значит , со сходными углами поворотов в структуре . Классификация кристаллов по ка тегориям и сингониям приведена в таблице 1. Плоскости и центр симметрии могут быт ь в любой сингонии . Всего сингоний семь . Каждый крис таллический многогранник о бладает определенным набором элементов симметрии . Полный набор всех элементов симметрии , п рисущих данному кристаллу называется классом симметрии. Скол ько же всего таких наборов ? Их количество ограничено . Математическим путем было д оказано , что в кристаллах существует 32 вида симметрии . Таб .1 Категория Синг ония Характерная симм етрия кристаллов Высшая Кубическая Несколько осей симметрии порядка выше ,, чем 2; обязательно четыре оси симметрии 3-ого порядка Средняя Три гональная Тетрагональная Гексагональн ая. Одна ось симметрии порядка вы ше , чем 2, а именно : Одна ось 3-ого порядка Одна ось 4-ого порядка Одна ось 6-ого порядка Низшая Ромбиче ская Моноклинная Триклинная Нет осей симметрии порядк а выше , чем 2.(Эти сингони и различаются по углам между кристаллографическими осями координат ) Форма криста ллов. Изучение внешней формы кристаллов началось прежде изучения симметрии , однако только после вывода 32 видо в симметрии появилась надежная основа для создания геометрич еского учения о внеш ней форме кристаллов . Основным его понятием является понятие простой формы. «Простой формой называется многогранник , котор ый может быть получен из одной грани с помощью элементов симметрии (оси , плоскости и центра симметрии )» [4]. Просты е формы могут быть общими и частными в зависимости от того , как расположена исходн ая грань по отношению к элементам симметр ии . Если она расположена косо , то простая форма полученная из нее будет общей . Если же исходная форма расположена параллель но или п е рпендикулярно к элемента м симметрии , то получается частная простая форма . Простые формы так же могут быть закрытыми и открытыми . Закрытая форма мож ет одна образовать кристаллический многогранник , в то время как одна открытая простая форма замкнутого много г ранника о бразовать не может. Каждая грань кристалла представляет собой плоскость , на которой располагаются атомы . Когда кристалл растет все грани передвигаю тся параллельно сами себе , так как на них откладываются все новые и новые слои атомов . По этой причи не , параллельно каждой грани в структуре кристалла распо лагается огромное количество атомных плоскостей , которые когда-то в начальных стадиях рос та тоже располагались на гранях кристалла , но в процессе роста оказались внутри н его. Ребра кристалла предста вляют собой прямые , на которых атомы располагаются в ряд . Таких рядов в кристалле тоже огром ное количество и они располагаются параллельн о действительным ребрам кристалла. Кристаллический многогранник обычно представ ляет собой комбинацию нескольких простых форм , грани (или ребра ) которых являются действительными гранями (ребрами ) . Грань , которой на данном кристалле нет , но которая может оказаться на других кристаллах того же вещества , называется возможной гранью . Возможной гранью может быть плоскость , прох одящая через два действи тельных или возможных ребра кристалла . Точно так же , если возьмем две реальные гра ни , которые на данном кристаллическом многогр аннике не пересекаются , то линия , параллельная линии их пересечения , будет возможным реб ром кристалла. С овокупность граней , пересекающихся в параллельных ребрах , называется поясом или зоной . А параллельная этим ребрам линия называется осью зоны. Необходимо упомянуть , что кристаллографами был создан строго математический вывод в сех возможных на свете кристал лических форм , и теперь можно не только предполо жить , какова будет форма кристалла , а с большой уверенностью рассчитать будущую форму. В течении долгих лет геометрия криста ллов казалась таинственной и неразрешимой заг адкой . В 1619 великий немецкий математи к и астроном Йоган Кеплер обратил внимание на шестерную симметрию снежинок . Он попытался объяснить ее тем , что кристаллы построены из мельчайших одинаковых шариков , теснейшим образом присоединенных друг к другу (вокр уг центрального шарика можно в плотную р азложить только шесть таких же шариков ). По пути намеченному Кеплером пошли в последствии Роберт Гук и М . В . Л омоносов . Они так же считали , что элемента рные частицы кристаллов можно уподобить плотн о упакованным шарикам . В наше время принци п плотнейших шар о вых упаковок леж ит в основе структурной кристаллографии , толь ко сплошные шаровые частицы старинных авторов заменены сейчас атомами и ионами. Через 50 лет после Кеплера датский геол ог , кристаллограф и анатом Николас Стенон впервые сформулировал основные пон ятия о формировании кристаллов : "Рост кристалла прои сходит не изнутри , как у растений , но п утем наложения на внешние плоскости кристалла мельчайших частиц , приносящихся извне некоторой жидкостью ". Эта идея о росте кристаллов в результате отложения на граня х все новых и новых слоев вещества сохра нила свое значение и до сих пор. Очень часто кристаллы одного и того же вещества срастаются друг с другом з акономерным образом , образуя так называемый д войник . При этом обычно возникают дополнитель ные элементы симметр ии , называющиеся в данном случае двойниковые элементы симметрии . Если сросток состоит из многих кристаллов , закономерно чередующихся друг с другом , то он называется полисинтетическим двойником . Двойниковые кристаллы являются очень распростран енным явление м в природе . Многие вещества , получаемые в лаборатории , также ча сто имеют двойники как простые , так и полисинтетические. Закон постоян ства двухгранных углов . Отклонения от закона. Симметричность к ристаллов всегда привлекала внимание ученых . Уже в 79 г . н ашего летоисчисления Плиний Старший упоминает о плоскогранности и пр ямобедренности кристаллов . Этот вывод и может считается первым обобщением геометрической к ристаллографии . С тех пор на протяжении мн огих столетий весьма медленно и постепенно накапливался материал , позволивший в конце XVIII в . открыть важнейший закон геометри ческой кристаллографии -закон постоянства двугран ных углов . Этот закон связывается обычно с именем французского ученого Роме де Лил я , который в 1783г . опубликовал монографию , со держащ у ю обильный материал по изм ерению углов природных кристаллов . Для каждог о вещества (минерала ), изученного им , оказалось справедливым положение , что углы между со ответственными гранями во всех кристаллах одн ого и того же вещества являются постоянны ми. Не сле дует думать , что до Роме де Лиля никто из ученых не занимался данной проблемой . История открытия закона постоянства углов прошла огромный , почти дв ухвековой путь , прежде чем этот закон был отчетливо сформулирован и обобщен для вс ех кристаллических веществ. Так , например , И . Кеплер уже в 1615г . указывал на сохр анение углов в 60 о между отдельными лучиками у снежи нок . В 1669 г . Н . Стенон открыл закон посто янства углов в кристаллах кварца и гемати та . Внимательно разглядывая реальные кристаллы кварца , Стенон та кже обратил внимание на их отклонение от идеальных геометрическ их многогранников с плоскими гранями и пр ямыми ребрами . В своем трактате он впервые ввел в науку реальный кристалл с его несовершенствами и отклонениями от идеализир ованных схем . Однако все эт и отк лонения не помешали ученому открыть на те х же кристаллах кварца основной закон гео метрической кристаллографии . Однако написал он об этом очень кратко в пояснениях к рисункам , приложенным к его сочинению , поэто му честь называться автором закона достала с ь Лилю . Годом позже Стенона Э . Бартолин сделал тот же вывод применител ьно к кристаллам кальцита , а в 1695 г . Лев енгук - к кристаллам гипса . Он показал , что и у микроскопически малых и у больши х кристаллов гипса углы между соответственным и гранями одинак о вы . В России закон постоянства углов был отурыт М . В . Ломоносовым для кристаллов селитры (1749г .) пир ита , алмаза и некоторых других минералов . Однако вернемся к определению данному Лилем . В его версии закон постоянства углов звучит следующим образом : "Гр а ни кристалла могут изменятся по своей форме и относительным размерам , но их взаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода кристаллов ." Итак , все кристаллы обладают тем свойс твом , что углы между соответственными гранями постоянны . Грани у отдельн ых кристалл ов могут быть развиты по-разному : грани , на блюдающиеся на одних экземплярах , могут отсут ствовать на других - но если мы будем и змерять углы между соответственными гранями , то значения этих углов будут оставаться п остоянными независимо от формы к рис талла. Однако , по мере совершенствования методик и и повышения точности измерения кристаллов выяснилось , что закон постоянства углов о правдывается лишь приблизительно . В одном и том же кристалле углы между одинаковыми по типу гранями слегка отличаются д руг от друга . У многих веществ отк лонения двухгранных углов между соответственными гранями достигает 10 -20', а в некоторых случая х и градуса . Грани реального кристалла никогда не представляют собой идеальных плоских поверхносте й . Нередко они бывают покры ты ямками или бугорками роста , в некоторых случаях грани представляют собой кривые поверхности , например у кристаллов алмаза . Иногда зам ечаются на гранях плоские участки , положение которых слегка отклонено от плоскости са мой грани , на которой они развива ю тся . Эти участки называются в кристалл ографии вицинальными гранями , или просто вици налями . Вицинали могут занимать большую часть плоскости нормальной грани , а иногда даже полностью заменить последнюю . Иногда на г ранях наблюдаются ступеньки имеющие форму п андуса . Таким образом можно говор ить о скульптуре граней , являющейся причиной отклонения от равенства двугранных углов . Изучением различных наростов занимается раздел кристаллографии - Морфология внешней формы кр исталлов. Наблюдаются , конечно , и более зак ономерные изменения двугранных углов , нап ример зависимость от температуры . В таблице 2 приведены значения углов между гранями ква рца при разной температуре. Таб .2 T, o C Угол T, o C Угол -166 0 21 100 200 128 o 11 ’ 54 ’ ’ 128 o 12 ’ 51” 128 o 13 ’ 12” 128 o 13 ’ 36” 128 o 14 ’ 54” 300 400 500 550 575 128 o 16 ’ 12” 128 o 17 ’ 54” 128 o 20 ’ 12” 128 o 22 ’ 00” 128 o 23 ’ 18” В заключении ра здела о главном геометрическом законе кристал лографии необходимо сказать о случаях резкого изменения углов кристаллов ., которое возникае т при полиморфном превращении вещества ( образование данным веществом разные по симме трии и форме кристаллы ), явлении , открытом позже формулировки закона постоянства углов . Одно и то же вещество при полиморфном превращении скачком меняет свои свойства . Н априме р , переход ромбической серы в моноклинную сопровождается увеличением удельног о объема на 0.014 сантиметра на грамм и те рмическим эффектом в 3.12 калорий на грамм . Е ще резче меняет свои свойства кристаллически й углерод при переходе алмаза в графит . Плотно с ть алмаза 3.5, графита 2.2; твердо сть алмаза 10, графита 1 и т.д. При полиморфном превращении наряду со скачкообразным изменен ием физических свойств , скачком меняется и внешняя форма кристаллов , при этом совокупн ость двугранных углов одной модификации може т совсем не соответствовать совокупность двугранных углов другой. Учитывая все вышесказанное , можно так сформулировать закон постоянства углов : «Во всех кристаллах , принадлежащих к одной полиморфной модификации данного веще ства , при одинаковых условиях уг лы меж ду соответствующими гранями (и ребрами ) постоя нны.» Как определить вещество по форме его кристалла. К концу XIX-XX века в науке накопилось множество данн ых о внешней форме и углах кристаллов Е . С . Федоров критически пересмотрел и с уммировал весь фа ктический материал по измерениям кристаллов , накопленный к тому в ремени ; произвел сам множество кристаллографическ их измерений ; обработал эти измерения новым , созданным им , оригинальным методом ; сопоставил эти измерения с развитой им теорией строения кри с таллов и , соединив во едино опыт и теорию создал кристаллохимический анализ. На основе кристаллохимиче ского анализа можно было определять состав вещества , исходя из внешней формы его к ристаллов . По внешней форме кристалла этот анализ позволял получить пер вые схемат ические представления о внутреннем строении к ристалла. Кроме углов между гранями , Федоров при нял во внимание еще и то , как развиваю тся грани природных кристаллов . Формы одного и того же вещества могут быть весьма разнообразными . При идеальных усл овия роста все грани кристалла развиваются своб одно , но в реальных условия они чаще в сего развиваются неодинаково . Природные кристаллы одного и того же минерала из разных месторождений могут оказаться совсем различн ыми , вовсе не похожими друг на друга . Т е м не менее , как указал ученый , некоторые грани кристалла все же наиболее характерны для данного вещества , они встр ечаются на разных кристаллах чаще всего – почти всегда. В кристаллохимическом анализе соединены представления о внешней форме и о внутрен нем с троении кристаллов . Гениально предвы числив все законы симметрии структуры кристал лов задолго до того , как существование ато мных решеток в кристаллах было доказано н а опыте , Федоров считал несомненным , что в нешние грани кристалла соответствуют его плос ким сеткам , т . е . тем плоскостям кристаллических решеток , вдоль которых располож ены частицы (атомы , ионы , молекулы ), а наибол ее развитые , чаще всего встречающиеся грани кристалла совпадают с теми плоскими сеткам и , на которых частицы расположены гуще все го. Так им образом , по внешней форме кристалла можно судить о расположении част иц в его решетке . Расчетные методы Федоров а и таблицы , составленные им и его уче никами , позволяли по углам кристалла определи ть тип структуры вещества и его химически й состав. Кристалло химический анализ Е.С . Федоро ва был значительно развит и предельно упр ощен впоследствии его учеником , профессором А . К . Болдыревом . Было выпущено два тома таблиц , под названием «Определитель кристаллов» , позволяющих определить химический состав вещес тва п о углам между гранями крис таллов. «В наши дни , однако , анализ кристаллов по их внешней форме в значительной м ере вытеснен достижением ХХ века – рентг еноструктурным анализом . Этот метод , основывающийс я на симметрии структуры кристаллов и на дифракции рентген овских лучей в крис таллах , дает возможность определять кристаллическ ую структуру вещества независимо от того , какова его внешняя форма . Не нужно иметь многогранный кристалл , хватит и малой кру пинки кристаллического вещества , что бы с помощью рентгеностру к турного анализа полностью определить симметрию его структуры» [2]. Атомная ст руктура кристаллов. Теперь пришло время углубится в рассмотрение атомной стр уктуры кристаллов , о которой так часто упо миналось выше . «Все найдено !» - воскликнул Рене Жюст Гаюи (1743-1822), заметив , что случайно выпавш ий из его рук большой кристалл кальцита раскололся на множество маленьких параллелепип едальных (ромбоэдрических ) осколков (кальцит облада ет хорошей спайностью - способностью раскалываться – по ромбаэдру ). В этот им е нно момент в его уме зародилась н овая теория строения кристаллов . В отличие от Кеплера , Гука и Ломоносовы , Гаюи пред положил , что кристаллы построены не из мел ьчайших шариков , а из молекул параллелепипеда льной формы и что предельно малые спайные осколки и являются этими самими молекулами . Иными словами , кристаллы представ ляют собой своеобразные кладки из молекулярны х «кирпичиков» Несмотря на всю свою наивн ость с современной точки зрения эта теори я сыграла в свое время большую историческ ую роль , дав толчок к зарождению теории решетчатого строения кристаллов. Во всем мире вы не найдете ни одного атома или иона , ни одной молекулы , которые покоились бы : все они движутся , но движения эти различны. «Кристаллы построены правильно , строго за кономерно . И в них тоже а томы , ионы и молекулы не находятся в покое , но частицы не сталкиваются друг с другом , потому что все они расположены правильным строем и каждая может только колеблется около определенного положения . Ряды частиц в пространстве , подобны трехмерным решеткам и з атомов , которые образуют кристаллическую структуру » [5] . Структура всех кристаллических веществ пе риодична и закономерна . Во всех кристаллах частицы выстраиваются симметричными правильными рядами , плоскими сетками , трехмерными решетками . В твердом кристал лическом веществе к аждая частица движется “вольно” , колеблется , н о только у своего места в строю . Строй частиц в кристаллическом веществе похож на пчелиные соты или на строительные леса : влево и вправо , вперед и назад , вверх и вниз тянутся ровные , правиль н ые , бесконечные ряды частиц . Однако от делиться , выйти из такой решетки частицы т вердого тела не могут , только если , наприм ер , нагреть кристалл так , чтобы он начал плавится . Порядок , закономерность , периодичность , симметр ия расположения атомов - вот что ха рак терно для кристаллов . Во всех кристаллах , во все твердых веществах частицы расположены правильным , четким строем , выстроены симметри чным , правильным повторяющимся узором . Пока ес ть этот порядок существует твердое тело , к ристалл . Нарушен порядок , рассып а лся строй частиц -это значит , что кристалл р асплавился , превратился в жидкость или испари лся , перейдя в пар. Одинаков ли порядок , строй атомов , в различных кристаллах ? Конечно , нет . Природа бесконечно разнообразна и не любит повторений : строй атомов железа совсем не похо ж на постройку атомов кристалла льда . В каждом веществе есть именно свой характерн ый узор и порядок расположения атомов , и от того , каков этот порядок , зависят с войства вещества . Одни и те же атомы , ч астицы одного сорта , располагаясь по-раз н ому , образуют вещества с совсем разным и свойствами . Посмотрим например на атомы углерода : сажа или копоть - мягкий черный п орошок ; уголь - более твердый камень ; графит - мягкий стерженек , оставляющий след на бума ге ; алмаз - кристалл , твердостью которого во с хищаются люди , крохотный кристаллик алмаза , вставленный в металлическую оправу , легко режет стекло . Все эти вещи состоя т из атомов углерода , а разнообразие их свойств зависит от разнообразия кристаллическо й структуры. К началу ХХ века об атомах знали совсе м мало , и не было известно , что же именно группируется или правильно повторяется в пространстве , создавая геометриче ские формы и неизменные углы между граням и кристаллов , симметрию и анизотропию их с войств . И уж совсем ничего не было изв естно об атомном с т роении поликри сталлических тел , у которых нет правильной внешней формы , - о технических металлах и их сплавах , о горных породах , о порошках. В 1912 г . Физику Максу Лауэ и его ученикам Фридриху и Книппингу удалось доказат ь , что рентгеновские лучи претерпева ют дифракцию на атомных решетках кристаллов . С тех пор отпала необходимость определять структуру кристалла по методу Федорова , основ ываясь на внешней форме . Английский ученый Виллиам Лоренс Брегг , изучая рентгеновсое о блучение кристаллов сделал 2 интересн ы х вывода : 1)различные атомные плоскости в к ристаллах действуют как зеркала , отражая рент геновские лучи ; 2) Способность атом рассеивать р ентгеновские лечи зависит от его атомного номера . Эти два заключения сделали анализ кристаллов по результатам рентгено в ского облучения еще более детальным. Лишь через пару месяцев после открыти я Лауэ был найден способ определения расс тояния между атомами (d) по рентгенограммам . Пуч ок рентгеновских лучей с длинной волны l , отражающихся от сери и параллельных атомных плоскостей , отстоящих друг от друга на одинаковые рас стояния d, будет усиливаться , если выполняется п ростое геометрическое соотношение , которое теперь носить названия формулы Вульфа - Брегга : n l =2dsin q Здесь n - це лое число , а q - угол между лучом и отражающей атомной плоскостью . Если знать длину волны рентгеновс ких лучей , а величины n и q измерить на опыте , то по рентгенограмме можно определить расс тояние между атомными плоскостями в кристалле . Это и удалось сделать Бреггу и он получил значение d=2.8*10 -8 сантиметра. Так родилась структурная (рентгеновская ) к ристаллографи я - определение структур кристалл ов с помощью рентгеновских лучей. Симметрия структуры кристалла отражается в его внешн ей форме , но и в отсутствии внешней ха рактерной формы кристалл остается кристаллом , потому что сохраняется симметрия его структу ры и его физические свойства. Кристаллическое состояние является нормальны м состоянием твердого вещества , аморфное - нару шенным , временным состоянием . Поэтому в криста ллическом состоянии вещество обнаруживает свои физические свойства в самом чистом виде и в самых б огатых сочетаниях , а в аморфном же веществе свойств как бы затуманены. Структура кристалла определяет его свойст ва и форму . Однако , кристаллическая структура обнаружена не только в природных многогр анниках камней , в кристаллических горных поро дах и металла х , но и в очень м ногих других телах , о которых никому и в голову не приходило подумать , что они состоят из кристаллов . Вот , например , глин а , она не похожа на кристалл , но и она состоит из мельчайших кристаллических час тичек . Даже в таких вещах , как сажа , ч еловеческие кости , волосы , волокна шерсти , шелк , целлюлоза и т . п ., обнаружен о кристаллическое состояние. Теория плотнейш их шаровых упаковок. Рентгеногр аммы кристаллических веществ и их расшифровка на основе федоровских законов построен ия пространственной решетки позволяют судить о симметрии кристаллических структур . Но это только остов , скелет структуры кристалла . Каковы же свойства частиц из которых сло жены кристаллические решетки ? Чем обусловлены геометрические структуры стро е ния кр исталлов ? Какова природа сил , связывающих эти частица ? На эти и многие другие вопро сы отвечает кристаллохимия. Неоценимым вкладом в развитие кристаллохи мии являются работы академика Николая Василье вича Белова по обоснованию и углублению теории плотно й упаковки частиц в кристаллах . Геометричес кая задача о максимальном заполнении простран ства шарами имеет множество решений , но то лько два из них имеют для кристаллографии наибольшее значение. Хорошо известно , что плотность газов м еняется очень сильно , в тысячи и бол ее раз . Уплотнить жидкость уже значительно труднее : частицы расположены здесь гораздо плотнее , чем в газе . В твердых же телах частицы расположены наиболее плотно , максима льно близко друг к другу. Атомы и ионы каждого элемента характе ризуются оп ределенным размером – сферой действия , внутрь пределов которой не могу т проникать другие частицы . Известно также , что размеры анионов (отрицательно заряженных ионов ) значительно превышают размеры катионов (положительных ионов ). Представим себе катионы и а н ионы в виде шаров со ответствующих радиусов . Как можно уложить так ие шары наиболее плотно ? Начнем с шаров одинакового радиуса . Яс но , что в одном слое можно наиболее пл отно уложить равновеликие шары лишь одним способом : каждый шар окружен в слое шес тью ближа йшими соседями , между ним и его соседями имеются треугольные промежутки . Попробуем теперь закрыть этот плотно уп акованный слой вторым слоем , тоже наиболее плотно упакованным . Очевидно , шары второго с лоя должны попасть в углубления между шар ами первого сл о я . Это можно та к же сделать лишь одним способом : взять аналогичный первому слой и сдвинуть его так , чтобы «верхушки» шаров второго слоя попадали как раз в углубления между ша рами первого слоя . У каждого верхнего шара будут три одинаковых соседа в нижнем с л ое , и наоборот , каждый нижний шар будет соприкасаться с тремя верхними . Третий плотно упакованный слой можно уло жить уже двумя способами : В варианте а каждый шар тр етьего слоя лежит на трех шарах второго слоя таким образом , что под шаром треть его слоя нет шара в первом слое . В варианте б каждый шар третьего слоя так же лежит на трех шарах второго слоя , однак о , под каждым шаром третьего слоя оказывае тся шар в первом слое . Первый вариант называется кубической упаковкой , второй – ге ксагональной . Между ними су ществует и еще о дно различие , кроме метода упаковки . В гек сагональной структуре имеется лишь одно напра вление , нормально (перпендикулярно ) к которому расположены плотнейшие плоские слои , тогда ка к в кубической таких направлений 4, соответстве нно четырем о б ъемным диагоналям к уба . Это обстоятельство приводит к существенн ым физическим различиям . Плотность заполнения пространства шарами в обоих вариантах , конечн о одинакова , и соответственно число шаров одинакова на единицу пространства (при услови ино четырем о б ъемным диагоналям к уба . Это обстоятельство приводит к существенн ым физическим различиям . Плотность заполнения пространства шарамиЗная строение двух простейших упаковок шаров , легко понять , что число слоев в кристалле очень велико . На само м деле в гексагон а льной упаковке третий слой повторяет первый , поэтому упа ковка двухслойная . В кубической упаковке четв ертый слой повторяет первый : упаковка трехсло йная. Представим тепер ь , что в плотной упаковке одинаковых шаров должны разместится шары меньшего размера . В металлах так размещаются кремний , у глерод , кислород , водород , азот , образуя силицид ы , карбиды , оксиды , гидриды и нитриды. В плотной уп аковке равновекликих шаров-анионов меньшие шары-ка тионы размещаются в пустотах между анионами . В зависимости от разных тип ов пу стот возникаю различные типы взаимного распол ожения катионов и анионов , а значит и разные типы кристаллических структур . Пустоты бываю двух типов . Одни окружены четырьмя шарами , центры которых располагаются по верши нам тетраэдра , поэтому они называю т ся тетраэдрические пустоты. Другие располагаются между ш естью шарами , центры шаров , замыкающих эту пустоту располагаются по вершинам октаэдра , с оответственно такой тип пустот называется октаэдрическими пустотами. Если радиус упаковки принять за единицу , то радиусы шаров , которые м огут быть помещены в тетраэдрические и ок таэдрические промежутки , будут соответственно выр ажаться числами 0.22 и 0.41. На один шар плотнейш ей упаковки приходится 1 октаэдрическая и 2 тет раэдрических пустоты . Это относится к обоим видам упаковок. Принцип плотнейшей укладки получил подтверждение для веществ с ненаправленными связями между структурными единицами , особенно для металлов и ионных соединений . Он остается справедливым и для структур молекулярных , в частности и орга нических соединений , хотя в этом случае применение его осложняется тем что форма сложных молекул обычно сильно отличается от шаровой. Однако данный принцип характерен почти для всех кристаллических структур , поэтому его можно рассматривать как единственный возм ожн ый для кристаллов. Есть ли бес порядок в кристалле ? После открытия дифракции рентгеновских лучей в кристаллах и рождения рентгеноструктурного анализа не ста ло сомнений в том , что в кристаллах ча стицы расположены правильным трехмерным строем . Уже в первые д есятилетия после 1812 г . были расшифрованы структуры почти всех и звестных кристаллических веществ , измерены междуа томные расстояния , определены силы связи межд у частицами . Структурщики как бы расставили атомы по их местам в решетках и определили силы взаимодействия между атомами . Появил ась возможность вычислять величины физических свойств на основе структуры кристаллов . Тео ретически расчеты хорошо совпадали с данными опытов . Анизотропия (различие свойств в з ависимости от выбранного направления ) физич е ских свойств кристаллов нашла св ое объяснение в законах кристаллического стро ения. Стройная схема законов атомного строения могла объяснить многие физические свойства кристаллов . Она была логична , ясна и к азалась незыблемой . Но бессильна оказалась он а в дв ух областях : в физике пласти чности и прочности и в учении о росте кристаллов. Началось все со споров о прочности кристаллов и об их механической деформации. Что же такое деформация твердого тела ? Всякое твердое тело деформируется следующим образом : сначала , при небольшом усилии , деформация идет упруго , затем начинается деформация пластическая . Упруго – это значит , что после того , как внешняя сила убрана , тело полностью восстановит свою изначальную форму , все следы деформации исчезнут . Пласти чески – это зна ч ит , что измен ения останутся. Так же , как правило , деформируется пол икристалл , если он вообще способен деформиров аться. Но монокристалл и тут ведет себя особенно , из-за своей анизотропии . Даже и п ри упругой деформации кристалл далеко не всегда деформируется так , как вы хотите . Вы его сжимаете , а он сдвигается в сторону ; хотите сдвинуть , а он не только сдвигается , 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. Пластическая деформация кристаллов чаще в сего происходит путем скольжения : отдельные с лои кристалла соскальзывают параллельно друг другу , как карты в колоде . Это не отде льные атомные слои , а «пачки» атомных слое в па раллельных друг другу. Пластическое скольжение происходит отнюдь не в том направлении , в котором приложе на сила , а только по определенным плоскост ям и в определенных направлениях , заданных структурой кристалла . Обычно это те плоскос ти , в которых атомы упак ованы плотнее всего . Оно и понятно : если атомная пло скость скользит параллельно самой себе , то движение ее легче идет там , где расстоя ние между атомами самое маленькое , короче всего переход от одного атома , к другому такому же. Конечно и анизотропия деформ ации , и выбор плоскостей скольжения определяется ст руктурой кристалла. Вопрос о прочности кристаллов всегда вызывал интерес у ученых . Первым из ученых расчеты на прочность кристаллов были сде ланы в 1924 г . советским физиком-теоретиком Я . И . Френкелем . Расч еты прочности различных кристаллических структур были сделаны , однак о на практике оказалось , что расчетная про чность кристалла в тысячи раз больше реал ьной прочности . Френкель оказал огромную услу гу проблеме прочности кристаллов , вскрыв крич ащее противо р ечие между теорией п роцесса скольжения и результатами эксперимента. Представьте себе , что воздвигнуто стройно е высотное здание , каркас которого сложен из стальных балок . Но одна из балок по палась бракованная , надрезанная , надломанная . Чем определить прочно сть всего здания ? Ко нечно ее «слабым местом» – надломленной балкой , из-за которой может начаться сдвиг и разрушение всей постройки. Вот такие слабые места , как оказалось , неизбежно существуют в каждом кристалле . Сначала их так и называли «слабые места» или «места разрыхления» , однако позже стали называть дислокациями . Сначала ученые лишь предположили и х существование , затем убедились на опыте , а затем научились управлять. Итак , дислокация – это нарушение прав ильности расположения атомов в структуре вдол ь оп ределенной линии . Представьте себе , что в серии параллел ьных плоскостей решетки одна из плоскостей недостроена , не кончена : это уже не плос кость , а полуплоскость . Край такой оборванной плоскости образует краевую ди слокацию. Достаточно разорвать одну связь между атомами рядом с дислокацией – и дислокация (край оборванной плоскости ) передвинется на одно междуатомное расстояние , а связь между атомами за ней восстан овится . Разорвется следующая связь – оборван ная плоскость передвинется дальше на один шаг . Так, шаг за шагом , перемещая сь путем поочередного разрыва по одной св язи , дислокация перейдет через весь кристалл . А в результате атомная плоскость перемес тится на один междуатомный шаг . Итогом это го перемещения будет сдвиг одной половины кристалла относительн о другой его половине , т.е . пластическое скольжение . Очевидно , кристалл , в котором есть дис локация , деформировать гораздо легче , чем идеа льно построенный кристалл , - ведь здесь не надо разрывать все атомные связи , достаточно осуществлять работу разрыва пос ледовател ьно по одному ряду связей. Данное явление очень ярко можно проко мментировать с помощью модели «ковра» . Ковер лежит на гладком полу : перемещать такой ковер по полу , если он к полу при легает плотно , -дело нелегкое : площадь соприкос новения ковра с п олом велика , ковер тяжелый , и усилия для его смещения пона добятся немалые . А вот если поперек ковра имеется узкая складка , вдоль которой кове р отделен от пола , переместить ковер можно существенно меньшими усилиями . Они нужны лишь для того , чтобы разгладит ь складку . Когда складка пройдет через весь ковер , он сместится на ширину складки . Скл адка – это легкоподвижный дефект в системе «ковер – пол» , так как в области с кладки ковер не соприкасается с полом. Аналогично ковру со складкой , одна из тех атомных плоско стей кристалла , кот орые ориентированы перпендикулярно плоскости ско льжения , обрывающаяся на этой плоскости , должн а перемещаться легче прочих. Итак , почему же реальная прочность кри сталлов оказалась намного меньше теоретической ? Теоретической прочностью обл адал бы кр исталл , если бы он был построен безукоризн енно , идеально правильно . На самом же деле , в реальном кристалле всегда есть отступл ения от порядка , нарушения расположения атомо в . Обладая такими знаниями , человек научился извлекать из данного дефекта к рис таллов выгоду. О некоторых свойствах кристаллов. Физические свойств а кристаллов чаще всего зависят от их структуры и химического строения . Сначала стоит упомянуть два основных свойства кристаллов . Одним из них является анизотропия , о кото рой уж е упоминалась выше . Под этим термином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления . Так , например , е сли вырезать из кристалла поваренной соли в различных направлениях стержни в попереч ным сечением 1мм 2 и испытать их на разрыв , то ока жется , что они имеют различную прочность. Вместе с тем кристаллы являются телам и однородными. Однор одность кристаллического вещества состоит в т ом , что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по с войствам. Поговорим сначала об элект рических свойствах . В принципе электрические свойства кристаллов можно рассматривать на примере металлов , так как металлы , в одном из с остояний , могут представлять собой кристаллически е агрегаты . Электроны , свободно передвигаясь в металле , не могут выйти н аружу , для этого нужно затратить энергию . Если при этом затрачивается лучистая энергия , то эффект отрыва электрона вызывает так называемый фотоэлектрический эффект . Аналогичный эффект наблюдается и в монокристаллах . Вырван ный из молекулярной орбиты элек т р он , оставаясь внутри кристалла , обуславливает у последнего металлическую проводимость (внутренн ий фотоэлектрический эффект ). В нормальных же условиях (без облучения ) такие соединения не являются проводниками электрического тока. Волны света в криста ллах. Поведением световы х волн в кристаллах занимался Эразм Берто лин , он первый заметил , что волны ведут себя нестандартно при прохождении через кр исталл . Однажды Берталин зарисовывал двугранные углы исландского шпата , затем он положил кристалл на черте жи , тогда ученый в первый раз увидел , что каждая линия раздваивается . Он несколько раз убедился , чт о все кристаллы шпата раздваивают свет , ли шь тогда Берталин написал трактат «Опыты с двупреломляющим исландским кристаллом , которые привели к открытию чудес н ого и необыкновенного преломления» (1669г .). Ученый разослал результаты своих опытов в несколько стран отдельным ученым и академиям . Работ ы были приняты с полным недоверием . Англий ская Академия наук выделила группу ученых на проверку данного закона (Ньютон, Бо йль , Гук и др .). Эта авторитетная комиссия признала явление случайным , а закон несущес твующим . О результатах опытов Берталина было забыто . Лишь че рез 20 лет Христиан Гюйгенс подтвердил правильн ость открытие Берталина и сам открыл двуп реломление в квар це . Многие ученые , в последствии занимавшиеся этим свойством подт вердили что не только исландский шпат но и многие другие кристаллы раздваивают св ет. Не раздва ивают свет кристаллы высшей категории такие как алмаз каменная соль , квасцы , гранаты , флюорит . У них ведь вообще анизотро пия многих свойств проявляется слабее чем в остальных кристаллах а некоторые свойств а изотропны . Во всех кристаллах низшей и средней категорий , конечно если они прозр ачны наблюдается двойное преломле ние света. Рис .1 В оздух Воздух Стекло Кристалл Преломление возникает из-за различия скор ости света в разных средах .. Так в стек ле скорость света в 1,5 раза меньше , чем в воздухе , следовательно коэффициент преломления равен 1,5. Причиной двупрелом ления является анизотропия скорости света в кристаллах . В изотропной среде волны расходятся во все стороны одинаково , как бы по радиусам шара . Не так в крист аллах . И световые и звуковые волны расходя тся в них не кругами , и скорость этих волн , а значит и п оказатели преломления , в разных направлениях различны. Представим , что в кристалле луч света раздваивается , один ведет себя как «обыкн овенный» , т . е . идет во все стороны по радиусам шара , другой - «необыкновенный» - идет по радиусам эллипсоида . В таком кри сталле существует одно-единственное направлен ие , в котором двупреломления нет . Обыкновенный и необыкновенный лучи идут вместе , луч света не раздваивается . Оно называется оптической осью. Так ведут себя по отношению к свету криста ллы средней категории , поэт ому их назы вают оптически одноосными . В кристаллах низшей категории свет тоже испытывает двойное преломление , но уже оба луча ведут себя как необыкновенные , у обоих показатели преломления во всех направлениях разные и оба распростроняются по радиусам эллип соида . Кристаллы низше й категории называются оптически двуосными . Кристаллы высшей кат егории , где свет расходится по радиусам ша ра во все стороны одинаково , называются оптически изотропны . Проходя через двупреломляющий кристалл , в олна света не только разд ваивается , но каждый из образованных лучей еще и п оляризуется , раскладываются на две плоскости перпендикулярных друг другу . Является ли поля ризация причиной двупреломления ? Представим себе вспаханное поле , разлож им его по двум главным направлениям : вдоль и поперек борозд – естественно , чт о вдоль борозд идти проще , чем поперек . Теперь попробуем тащить по вспаханному пол ю вкось какой-нибудь предмет . Мы заметим , ч то предмет будет двигаться не ровно , то скользя вдоль борозд , то перескакивая попер ек них . Явно в идно , что движение предмета как бы разлагается на два п ерпендикулярных движения , притом с разными ск оростями. Волна ведет себя подобным образом , вед ь она должна пройти сквозь атомную решетк у , ряды которой лежат перед ней , как бо розды на пашне . И она поэтом у расп адается в кристалле на две волны.,у которы х плоскость колебаний взаимно перпендикулярные . Скорость этих волн в кристалле различны , как различны скорости хода вдоль борозд и перпендикулярно им А раз различны ск орости значит и показатели преломления р а зличны , в результате волны разойд утся как это показано на рисунке 1. Как видно из вышесказанного , явления п оляризации света и двупреломления тесно связа ны друг с другом. Как растут кристаллы . Еще Стенон писа л , что на наружные плоскости ранее огранен ного кр исталла осаждается новое вещество . Частицы (атомы , ионы , молекулы ) из раствора , пара или расплава оседают на гранях кристаллического зародыша , продолжая его рост слой за слоем . Теоретически кристаллизация до лжна начинаться при перенасыщенности раствора на 30-50%. Эти цифры были рассчитаны учеными в двадцатые – тридцатые годы нашего столетия . Однако на практике кристалл может расти и при малой пересыщенности раствора . Еще одна несостыковка имеет место быть при сравнении теории с практикой . Долгое время учен ы е считали , чт о кристалл растет подобно кирпичной кладке : пока недостроен предыдущий ряд , новый не строится . Естественно атому легче осесть на плоскость «зацепившись» за находящийся рядом атом , но , когда ряд достроен и плоскос ть не нуждается в новых частиц а х , куда деваться «вновьприбывшему» атому ? Считалось , что он отскакивает обратно в среду , из которой выпал . Тогда рост кр исталла прекратился бы уже после построения первой грани . Как же происходит на са мом деле ? В 1948 году англ ийский кристаллограф Франк вы двинул остро умную догадку : Кристалл растет не параллельны ми слоями , не как кирпичная кладка , а п одобно винтовой лестнице или спирали . Кристал л при росте как бы накручивается сам на себя , все время продвигая вперед одну и ту же ступень . На выходе этой с туп е ньки на грани кристалла как бы заготовлена уютная «посадочная площадка» для каждой вновь присоединяющейся частицы . И хитрость здесь в том , что частицы , ос едая , присоединяются к ступеньке , а ступенька не зарастает , только число оборотов в винтовой лестниц е увеличивается , и грань , продвигаясь вперед , непрерывно растет . Именно так , по представлению Франка , в н екоторых местах в кристалле нарушено правильн ое чередование атомных слоев : атомные слои не параллельны друг другу , а закручены в единую винтовую лестни ц у . Схема такой атомной винтовой лестницы называется винтовая дислокация. Однако , когда Франк рассказал о своей гипотезе на конференции по р осту кристаллов в 1948 г ., слушатели с недовер ием отнеслись к его теории , ведь в так ом случае на грани кристалла долж ен быть незарастающий выступ , меж тем спокон веков известно , что грани у кристаллов гладкие . И тем не менее Франк оказался прав : на гранях кристаллов действительно им еются спиральные выступы . Оказалось , что тремя годами ранее в 1945 г . в Москве Г . Г . Лемм л ейн обнаружил , что на зе ркально-гладкой , ровной , плоской грани кристалла имеются спиральные ступеньки . Он обнаружил это при помощи росы нанесенной на грань кристалла . Росинки оседают и выделяют кажду ю неровность на поверхности , тогда в микро скоп ученый и р азглядел эти выс тупы . Найденный им метод был назван «метод ом росы» . Сегодня уже нет сомнений в том , чт о именно так растут кристаллы из паров , расплавов и из слабо пересыщенных растворо в : рост облегчается тем , что в кристалле есть винтовые дислокации и кр исталл растет вдоль дислокации , образуя единую вин товую лестницу из атомных плоскостей. Атом ы блуждают по кристаллу. Сам факт , что некоторые из атомов в кристаллах блуждаю т , а не находятся в устойчивом состоянии вызывает долю скептицизма . Ведь всем изве с тно , что в кристаллах атомы расположе ны в узлах кристаллических решеток и они лишь совершают колебательные движения в пределах не больше междуатомного расстояния . Однако из каждого правила есть исключения . То что некоторые атомы не находятся в узлах крист а ллической решетки до казал один из основоположников физики твердог о тела , советский физик-теоретик Яков Ильич Френкель. «Сам механизм перемещений атомов в кр исталлах похож на диффузионные процессы или скорее на испарение , только не во вне шнюю среду , а во вн утреннюю» [6] . “ Диффузия - это перенос вещества приводящий к самопроизвольному выравниванию концентрации различны х веществ” . Атомы или молекулы сорта А перемещаются туда , где их меньше всего или нет совсем и где больше атомов со рта В , и наоборот . В результ ате про исходит диффузионное перемешивание в газах , ж идкостях и твердых телах . Пр и испарении происходит произволь ный отрыв единичных атомов вещества от пр ивычных им позиций . Освободившиеся атомы уход ят во внешнюю среду . Надо заметить , что скорости как диффу зии , так и испаре ния зависят от температуры , то есть эти процессы термодинамические , чем выше температур а , тем больше скорость. Френкель , в своей статье “О тепловом движении в твердых и жидких телах” п роводит аналогию между “внешним” и “внутренни м” испарен ием , т . е . переходом атома (в кристалле ) из узла в пространство меж ду узлами . Согласно Френкелю , принципиального отличия между характером теплового движения а томов на поверхности тела и внутри него не существует . Если возможен отрыв атомов вещества от его поверхности , то мыслим так же и срыв атома из положен ия равновесия внутри тела . Однако мы должн ы считаться с тем , что в нормальных ус ловиях атомы образуют в основном правильную кристаллическую решетку , и что внутреннее испарени 6е может сопровождаться нару ш ением в правильности расположения атомов. Предположим , что какой-нибудь а том набравший случайно избыточную энергию , вы рывается из клетки , образованной его соседями , как бы “раздвигая” прутья этой клетки , и вылетает из исходного положения равновес ия в исход ную плоскость . Атомы не занимают всего объема тела , между ними ост аются еще свободные промежутки (междоузлия ), бл агодаря которым они оказываются способными со вершать колебания . Конечно , если атом внедряет ся в одно из междоузлий , то он должен несколько пот е снить своих новых соседей . Узлы решетки вблизи такого “дисл оцированного” атома окажутся смещенными ; однако на небольшом расстоянии от этого места восстанавливается правильная структура. Таким образом , в результате внутреннего испарения один из узлов , именн о тот , где ранее находился рассматриваемый атом , окажется вакантным , зато одно из междоузлий занятым . Такой процесс может многократно повторятся с тем же самым атомом . Переходя из одного междоузлия в другое , дислоциров анный атом может странствовать по все м у внутреннему пространству кристалла. В результате теплового движения некоторые узлы обнажаются , оставаясь вакантными , а некоторые междоузлия заполняются сорвавшимися ат омами . Реальный кристалл представляет собой к ак бы двойной раствор , в котором наряду с “основными” атомами , находящимися в узлах , имеются два типа растворенных частиц : дислоцированные атомы и свободные узлы “ва кансии” . Дислоцированные атомы расположены так же , как располагаются посторонние атомы в случае их внедрения в междоузлие . Что ж е ка с ается вакансий , то они за нимают место реальных атомов , т.е . располагаютс я подобно чужеродным атомам по принципу з амещения. Не только дислоцированные атомы перемещаю тся по кристаллу , но и вакансии . Освободил ся один узел , образовалась вакансия , тут ж е в нее перескочил атом , например из нижнего ряда , на его месте образовался пустой узел , следовательно , вакансия сместилась на один ряд вниз. Это наиболее общее описание механизма перемещение атома по кристаллу . В настоящее время , существует множество формул и усл овий , помогающих определить частоту перем ещения , направление и другие параметры. О прочности кристаллов. Ранее б ыло описано , что кристалл заполнен дефектами . Как же влияют дефекты на прочность к ристаллов . О одном , о прочности , мы уже говорили : дефекты пони жают прочность , в сотни , тысячи раз . Если к кристаллу прил ожить внешнюю силу , то атомная постройка н ачнет разрушаться именно в месте слабины , там , где есть дефект . Дефект - дислокация - н ачинает двигаться по кристаллу. Но не так все просто , по мере того , к ак растет деформация кристалла , растет и число дефектов в нем . А так как дефекты взаимодействуют друг с друго м , то , чем их больше , тем труднее им двигаться в кристалле . Получается парадокс : если есть дефект кристалл - кристалл деформиру ется и разрушается л егче , чем ес ли дефекта нет . А если дефектов слишком много , то кристалл опять становится прочным , и чем больше дефектов , тем он более упорядочивается . Значит , если мы научимся управлять числом и расположением дефектов , мы сможем управлять прочностью матер и алов. Еще сильнее удалось бы изменить свойс тва кристаллов , если бы удалось вырастить кристалл совсем без дефектов . Как в стальн ом каркасе здания , если бы не было ни одной дефектной балки , прочность здания б ыла бы расчетной . Без дефектов кристалл “н е хочет” расти . И все же ученым удалось перехитрить природу . Научились выращивать кристаллы , в которых нет , совсем нет , дефектов , или есть один единственный дефект , очень удачно расположенный. Такие идеальные кристаллы удивительно про чны . «Обычное техническое желе зо выдержив ает , не разрушаясь , усилие в 20-30 кг / мм 2 , самая лучшая конструкци онная сталь - 200-300 кг / мм 2 , а бездефектный кристаллик железа - 1400 кг / мм 2 . Иначе говоря , бездефект ные кристаллы железа прочнее обычного в 40-50 раз» [2] . Такие кристаллы научили сь растить , измерять их свойства и прочность , но эт и кристаллы очень и очень малы . Это “н итевидные кристаллы” , или “усы” - волоски диаме тром не более 1-2 микрон . Растить такой крист алл очень сложно , а вырастет он чуть п отолще - в нем обязательно проявляют с я дефекты и прочность сразу снижается. Такой усик выдерживает нагрузку значитель но большую , чем обычная проволока . Он дефо рмируется упруго , восстанавливает свою форму после деформации , не меняется при высоких температурах . Уже широко применяются нитевидные кристаллы для создания высокопрочных к омпозитных материалов . Композит , или композитный материал - это сплошная основа , металл или полимер пронизанный нитевидными кристаллами. Созданы кристаллизационные установки в ко торых вытягивают монокристаллические ни ти сапфира длинной до 30 метров . Кристалл получа ется такой упругий и гибкий , что его н аматывают как нить на катушку . А затем этими гибкими нитями упрочняют основу . Из композитных материалов делают листы для об шивки самолетов и ракет . Человек научился пол у чать материалы , гораздо прочнее природных. Кристаллы из-за их прочности используют и в различных режущих аппаратах , так ка к кристалл один из самых прочных материал ов на Земле. Человек применяет кристаллы почти во всех областях материальной сферы их цена и значение чрезвычайно велики. Заключение. Итак , в данной работе была рассказана лишь малая часть того , что известно о кристаллах в настоящее время , однако и эта информация показала , насколько неординарны и загадочны кристаллы по сво ей сущности . В о блаках , в глубинах Земли , на вершинах гор , в песчаных пустынях , в м орях и океанах , в научных лабораториях , в клеточках растений , в живых и мертвых организмах – везде встретим мы кристаллы . Но может кристаллизация вещества совершаетс я только на нашей плане т е ? Нет , мы знаем теперь , что и на других планетах и далеких звездах все время непр ерывно возникают , растут и разрушаются криста ллы . Метеориты , космические посланцы , тоже сост оят из кристаллов , причем иногда в их состав входят кристаллические вещества , н а Земле не встречающиеся . Кристаллы везд е. Люди привыкли использовать кристаллы , дел ать из них украшения , любоваться ими . Тепе рь , когда изучены методы искусственного выращ ивания кристаллов , область их применение расш ирилась , и , возможно , будущее новейших т ехнологий принадлежит кристаллам и криста ллическим агрегатам. Список используемой литературы. 1. «Кристаллы» , М.П . Шаскольская , Москв а «наука» , 1978г. 2. «Очерки о свойствах кристаллов » , М . П . Шаскольская , Москва «наука» , 1978г. 3. «Симм етрия в природе» , И.И . Шафрановский , Ленинград «недра» , 1985г. 4. «Кристаллохим ия» , Г . Б . Бокий , Москва «наука» , 1971г. 5. «Живой кр исталл» , Я . Е . Гегузин , Москва «наука» , 1981г. 6. «Очерки о диффузии в кристаллах» , Я . Е . Гегузин , Москва «наука» , 1974г.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
- Здравствуйте, меня зовут Вадим.
- Очень приятно!
- Это ненадолго.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru