SAINTS (Кристаллы в природе)

83

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3

Тепловые и механические свойства твёрдых тел

I. Симметрия кристаллов

1.1Как растут кристаллы 5

1.2Идеальная форма кристаллов 7

1.3Закон постоянства углов 7

1.4О симметрии 8

1.5Симметрия кристаллов 9

1.6Пространственная решётка 10

1.7Экспериментальное исследование строение кристаллов 11

II. Силы взаимодействия и строение кристаллов

2.1Природа сил связи в кристаллах 16

2.2Структура кристаллов 17

2.3 Структура атомных кристаллов 18

2.4 Полиморфизм 19

2.5 Энергия связи молекул в кристалле 19

2.6 Поверхностная энергия кристалл 21

III. Тепловые свойства твёрдых тел 23

IV. Механические свойства твёрдых тел

4.1 Деформация и механические свойства материалов 29

4.3 Теоретическая оценка характеристик механических свойств

твёрдого тела и сравнение её с результатами эксперимента 30

4.4 Точечные дефекты и причины их образования 31

4.5 Линейные дефекты (дислокации) 32

4.6 Экспериментальные методы изучения дефектов кристаллов 33

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

4.8 Повышения прочности материалов 36

Электрические и магнитные свойства твёрдых тел

V. Электрические свойства твёрдых тел

5.1Классическая электронная теория электропроводности металлов 36

5.2 Диэлектрики 37

5.3 Квантование энергии электронов в атоме 39

5.4 Элементы зонной теории кристаллов 41

5.5 Распределение электронов по энергиям в твёрдом теле 42

5.6 Электропроводность твёрдых тел на основе зонной теории 44

5.7 Электропроводность полупроводников 45

5.8 Контактные явления 47

5.9 Термоэлектрические явления 49

5.10 Зависимость сопротивления контакта от внешнего напряжения 51

5.11p-n-p-переход. Транзисторы 54

VI. Магнитные свойства веществ

6.1 Элементарные носители магнетизма 56

6.2 Орбитальный и спиновый магнитные моменты электрона 57

6.3 Классификация тел по магнитным свойствам 58

6.4 Диамагнетики. Влияние магнитного поля на орбитальное движение электронов 59

6.5 Парамагнетизм 60

6.6 Ферромагнетизм. Элементарные носители ферромагнетизма 61

6.7 Ферромагнетизм и кристаллическая решётка. Доменная структура ферромагнетиков 62

6.8 Антиферромагнетизм и ферримагнетизм (ферриты) 63

VII Жидкие кристаллы

7.1Нематическая жидкость 65

7.2 Холестерическая жидкость 68

7.3 Жидкие кристаллы-растворы 70

7.4 Смектическая жидкость 72

7.5 Эффект Фледерикса 73

7.6 Избирательное отражение света холестериком 77

7.7 Оптические свойства 78

VII Кристаллы в жизни 79

VIII Экспериментальная часть 81

Литература 83

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тепловые и механические свойства твёрдых тел

I. Симметрия кристаллов

1.1 Как растут кристаллы.

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

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

Рассмотрим кристаллизацию из расплава.

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

рис. 1 рис. 2

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

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

Теперь рассмотрим кристаллизацию из раствора.

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

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

Из раствора кристалл выращивают обычно таким образом.

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

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

Сделаем опыт:

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

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

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

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