Реферат кристаллы и их свойства реферат

Обновлено: 07.07.2024

Вместе с появлением электронных приборов с жидко кристаллическим табло и циферблатными (часы, калькуляторы, электронные словари и т.д.), наступил реносанс в физике и химии жидких кристаллов. Активно исследуется их строение, во всех аспектах изучается тягучесть, создаются новые вещества, в которых открывается множество необычных явлений, вызванных действием внешних сил (электрического поля и т.д.)
Наше глубокое убеждение состоит в том, что как в науке о жидких кристаллах, так и в технических аспектах, связанных с их применением, мы стоим лишь в начале пути. И камень, случайно выкатившийся из фундамента физики, будет поставлен на своё место.

Содержание работы

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

Файлы: 1 файл

Реферат по физике (Кристолические тела) . doc

Введение

Люди, посвящающие свою жизнь кристаллу, часто воспринимают его живым. Во всяком случае, они говорят о нём как о живом существе.

Металловеды говорят об усталости металлического кристалла, о его старении, способности отдыхать, издавать звуки.

Геологи говорят о памяти минерала, о его способности разумно приспосабливаться к внешним условиям.

Учёные не заблуждаются по поводу умения кристалла толково рассказывать свою биографию или обнаруживать эмоции, но атмосфера личного отношения с природой придаёт поиску необходимую для них романтическую окраску.

Жидким кристаллам не повезло. Хотя их открытие совпало с моментом, когда закладывался фундамент здания современной физики, но только сейчас, приподнимая это здание за угол, пытаются поставить жидкие кристаллы на своё законное место. А их место именно в фундаменте! Ведь за всю историю, с глубокой древности до наших дней, человеку не удавалось выйти за пределы трёх понятий, описывающих, казалось бы, все состояния материи: газ, жидкое и твёрдое тело.

Заслуга великого немецкого учёного заключалась в том, что он усмотрел главный принцип развития: в единстве и борьбе противоположных начал. Спустя столетия человек с большим трудом признал, что электрон – это частица и волна одновременно, что масса и энергия едины, что свойства кристалла и жидкости могут совместиться в одном веществе – жидком кристалле.

Наше глубокое убеждение состоит в том, что как в науке о жидких кристаллах, так и в технических аспектах, связанных с их применением, мы стоим лишь в начале пути. И камень, случайно выкатившийся из фундамента физики, будет поставлен на своё место.

2. Признаки жизни кристалла.

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

Мы должны восхищаться мудростью и проницательностью людей, разгадавших эти законы.

2.1. Нулевые колебания.

1. Мир кристаллов.

Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, создам приборы и изделия из кристаллов; проникаем в тайны строения кристаллов.

Что же такое кристалл?

Кристаллом называется тело, обладающее периодической атомной молекулярной или ионной структурой.

1.1. Кристаллы льда и снега.

Кристаллы замерзающей воды, то есть лёд и снег, известны всем. Эти кристаллы почти полгода покрывают необозримые пространства Земли, лежат на вершинах гор и сползают с них ледниками, плавают айсбергами в океанах.
Ледяной покров реки, массив ледника или айсберга – это, конечно, не один большой кристалл. Плотная масса льда обычно поликристаллическая, то есть состоит из множества отдельных кристаллов; их не всегда различишь, потому что они мелкие и все срослись вместе. Иногда эти кристаллы можно различить в тающем льду.

1.2. Кристаллы в облаках.

Кристаллики льда могут в несколько минут погубить самолёт.
Обледенение – страшный враг самолётов – тоже результат роста кристаллов.

Здесь мы имеем дело с ростом кристаллов из переохлаждённых паров. В верхних слоях атмосферы , водяные пары или капли воды, могут долго сохранятся в переохлаждённом состоянии. Переохлаждение в облаках доходит до
- 30 єс.

Но как только в эти переохлаждённые облака врывается летящий самолет, тотчас же начинается бурная кристаллизация. Мгновенно самолет оказывается облепленным грудой, быстро растущих кристаллов льда.

3.Физические свойства кристаллов

Для кристалла данного класса можно указать симметрию его свойств.
Так кубические кристаллы изотропны в отношении прохождения света, электро и теплопроводности, теплового расширения, но они анизотропные в отношении упругих, электрооптических свойств. Наиболее анизотропные кристаллы низких сингоний.

Все свойства кристаллов связаны между собой и обусловлены атомно - кристаллической структурой, силами связи между атомами и энергетическим спектром электронов. Некоторые свойства, например: электрические, магнитные и оптические существенно зависят от распределения электронов по уровням энергии. Многие свойства кристаллов решающим образом зависят не только от симметрии, но и от количества дефектов (прочность, пластичность, окраска и другие свойства).

3.1. Что такое изотропия и анизотропия?

Изотропия (от греческого isos – равный, одинаковый и tropos – поворот, направление) независимость свойств среды от направления.

Анизотропия (от греческого anisos – неравный и tropos – направление) зависимость свойств вещества от направления.

4. Заселение кристалла дефектами.

Решеточные дефекты подразделяю тся на вакансии, атомы внедрения и примесные атомы.

Вакансией называется незанятый частицей узел кристаллической структуры. Если пустой узел образуется в результате удаления частицы из объёма кристалла на его поверхность, то вакансия называется - дефектом по
Шоттки.

Дефекты по Шоттки снижают плотность вещества в кристалле.

Они чаще встречаются в кристаллах с достаточно плотной упаковкой частиц близких размеров. В этих случаях в междоузлиях кристаллической структуры нет места для лишних частиц.

Если частица перемещается из узла в междоузлие, то такое нарушение правильности решётки называется дефектом по Френкелю.

Дефекты по Френкелю на величину плотности практически не влияют.

Дефекты по Френкелю, наоборот, свойственны кристаллам с неплотными упаковками и частицами по своим размерам.

Одномерные дефекты кристаллической решетки называются дислокациями.
Дислокации нарушают правильное чередование кристаллических плоскостей.

Во многих кристаллах, особенно металлических, дислокации сравнительно легко перемещаются и размножаются.

Двумерные дефекты образуются границами кристалла. Границы нарушают периодичность строения кристалла. Одним из важных дефектов кристаллической структуры, является внешняя поверхность твердых тел. Во-первых, именно через поверхность кристалл взаимодействует со своим окружением.

Во-вторых, частицы на поверхности связаны с решеткой значительно слабее, чем частицы, находящиеся в объёме.

5. Жидкие кристаллы и ультразвук

До сих пор мы рассматривали не свойства жидких кристаллов, которые сегодня нашли воплощение в технических устройствах. Однако, как не эффективны сегодняшние применения холестеринов, нематиков, смектиков, перспективы их использования ещё более удивительны. Многообразие мезоморфного состояния вещества позволяет предположить, что жидкие кристаллы завтра вторгнутся в самые различные области деятельности человека. Сейчас мы кратко рассмотрим, как взаимодействуют между собой ультразвук и жидкие кристаллы.

Попадающая на жидкий кристалл звуковая волна, приводит к изменению направления де ректора, что в свою очередь изменяет оптические свойства.

Это означает, что жидкие кристаллы способны делать видимые звуковые колебания. Эти колебания создают периодические сдвиговые деформации слоя жидкого тематического кристалла, меняя интенсивность проходящего паиризованного света.

Жидкий кристалл отделяет ещё одно интересное применение. Медики и физики уже давно изыскивают возможности наблюдения внутренних органов человека, не подвергая его действию рентгеновского излучения.

Идея замены рентгеновского излучения ультразвуком возникла довольно давно. Идея заманчива, ведь ультразвук для человеческого организма совершенно безвреден. Однако, всё упиралось в трудности с регистрацией ультразвукового потока, прошедшего тела пациента. И вот тут жидкие кристаллы робко предложили свою помощь. Жидкие смектические кристаллы оказались чувствительными к ультразвуку. При этом как уже отмечали, нарушается молекулярная упаковка смектика, и оптическая картина этих нарушений позволяет судить о состоянии внутренних органов человека.

Исследования, которые позволят увеличить чувствительность смектиков к ультразвуку, только начинаются.

6. Заключение

Я попыталась рассказать о том, что такое кристаллы, каковы их свойства, возможные применения.

Жидкие кристаллы, ещё далеко, далеко не распознаны. Нет пока теории, которая бы смогла учить и объяснять все макроскопические свойства.
Ещё не все аналоги твердых кристаллических эфектов в жидких кристаллах обнаружены.

В развитии каждой отрасли науки, если периоды открытий, забвений, взлета не является исключением наука о кристаллах. И если период забвения закончился, то взлёта кристаллы, видимо, не достигли. Если вначале взлёта присутствовали элементы восторга, бума, то теперь пришло время оглянуться и поразмыслить.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 3

Реферат по физике на тему:

“Получение и применение кристаллов”.

Руководитель: Галикеева О.Е.

Выполнил: Шварц В.И.

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

В наше время наука идёт вперёд с огромной скоростью. Для воплощения в жизнь некоторых проектов требуются материалы, обладающие определёнными 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 применяющийся в электронике – это жидкие кристаллы. Их можно увидеть везде – это экраны телевизоров и мониторы компьютеров, электронные часы и микрокалькуляторы, экраны мобильных телефонов цифровых фотоаппаратов и т.д. и т.п.

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

Общие сведения о кристаллах.

Физика твёрдого тела (раздел физики, изучающий структуру и свойства твёрдых тел) – это одна из основ современного технологического общества. В сущности, огромная армия инженеров всего мира работает над созданием твёрдых материалов с заданными свойствами, необходимыми для использования в самых разнообразных станках, механизмах и устройствах в области связи, транспорта и компьютерной техники. Сегодня речь пойдёт о кристаллах.

Кристаллическими считаются вещества, атомы которых расположены регулярно, так что образуют правильную трёхмерную решётку, называемую кристаллической. Кристаллам ряда химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические, магнитные и оптические свойства.

Главным отличием кристаллов от других твёрдых тел является, как уже говорилось, наличие кристаллической решётки – совокупности периодически расположенных атомов, молекул или ионов.

Русский учёный Е.С.Фёдоров установил, что в природе может существовать только 230 различных пространственных групп, охватывающих все возможные кристаллические структуры. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.

Кристаллические решётки металлов часто имеют форму гранецентрированного (медь, золото) или объемно-центрированного куба (железо), а так же шестигранной призмы (цинк, магний).

В основе классификации кристаллов и объяснения их физических свойств может лежать не только форма элементарной ячейки, но и другие виды симметрии, например, поворот вокруг оси. Осью симметрии называют прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл несколько раз совмещается сам с собой. Число таких совмещений называют порядком оси. Существуют кристаллические решётки, обладающие осями симметрии 2-го, 3-го, 4-го, и 6-го порядков. Возможна симметрия кристаллической решётки относительно плоскости симметрии, а также комбинация разных видов симметрии.

Большинство кристаллических тел являются поликристаллами, т.к. в обычных условиях вырастить монокристаллы достаточно сложно, этому мешают всевозможные примеси. В свете растущей потребности техники в кристаллах высокой степени чистоты перед наукой встал вопрос о разработке эффективных методов искусственного выращивания монокристаллов различных химических элементов и их соединений.

Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода — это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе выпадение сотен миллионов тонн соли 113 морской воды. При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество — так образуются снежники.

Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания монокристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя или при медленном понижении температуры. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором поваренной соли. Если дать воде возможность медленно испаряться, то, в конце концов, раствор станет насыщенным, и дальнейшее испарение приведет к выпадению соли.

Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние — расплав. Трудности выращивания монокристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030°С, Порошок высыпают тонкой струйкой в кислородно-водородное пламя, где он плавится и каплями падает на стержень из тугоплавкого материала. На этом стержне постепенно и вырастает монокристалл рубина.

1. Алмаз. 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. Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались 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 тд. 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. Полупроводники. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Такие вещества относят к полупроводникам. Это большинство веществ, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды, теллуриды и др.

Наиболее характерным свойством полупроводников является резкая зависимость их удельного электрического сопротивления под воздействием различных внешних воздействий: температуры, освещения. На этом явлении основана работа таких приборов, как термисторы, фоторезисторы.

Объединяя полупроводники различного типа проводимости, можно пропускать электрический ток только в одном направлении. Это свойство широко используется в диодах, транзисторах.

Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов, иногда всего несколько миллиметров, долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность открывают широкие перспективы использования полупроводников сегодня и в будущем.

5. Полупроводники в микроэлектронике. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. При изготовлении интегральной схемы на пластинку из полупроводника (обычно это кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. В результате на одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 5

Жидкие кристаллы — это не определённый вид вещества, а комплексное определение состояния некоторых тел. Это значит, что определённые вещества могут при соблюдении условий вести себя и как жидкости, и как твёрдые тела. При написании реферата о жидких кристаллах и их применении можно более глубоко изучить особенности и уникальные свойства этого материала.

Что такое текучие материалы

Примерно до конца XIX века считалось, что существует два вида веществ — с твёрдой структурой тела и с текучей. Но в 1888 году был обнаружен ряд странных свойств у холестерилбензоата. Позже, общую закономерность в свойствах некоторых тел обнаружил немецкий физик Отто Леман, экспериментируя со своим проектом. По сути, он и открыл возможность веществ иметь разные свойства в разных состояниях.

Если кратко, то жидкокристаллическое состояние выражается в одновременной текучести и вместе с тем, упорядоченным расположением молекул. Однако, жёсткой кристаллической решётки в таких телах нет. Одно из ключевых свойств жидких кристаллов — ориентированный порядок расположения молекул.

В разных фазах и у различных веществ это расположение тоже может меняться. Таким образом, достигается гибкость разработки и широкий спектр применения жидких кристаллов в медицине, промышленности, бытовой технике и электронике.

Виды и категории

Иерархия фаз ЖК сложна и немного запутана. Существует две больших группы:

Лиотропные — двух или более компонентные вещества. Текучее состояние в такой среде обеспечивает какой-либо из видов растворителей, например, вода. А упорядоченность молекул и твёрдое состояние гарантируют свойства основного элемента.

Термотропные в общем случае образуются при нагревании вещества. Они, в свою очередь, могут быть представителями одного из подклассов:

нематические;
смектические;
холестерические.

Нематические не имеют жёсткого порядка в строении молекул. Тем не менее, молекулы всегда направлены своими острыми частями в одну сторону и непрерывно скользят вдоль своей длинной оси. По сути, они ведут себя как обычные жидкости.

Смектические ЖК имеют слои, которые могут перемещаться относительно друг друга. Толщина одного слоя равна длине молекул. Такая техника построения молекул придаёт большую вязкость и более высокую плотность, чем у нематической группы. Стоит отметить, что смектические кристаллы делятся ещё на три категории: A, B и С.

Холестерические жидкие кристаллы, как можно понять из названия, содержит в себе производные холестерина, помимо других веществ. Но, по сути, этот тип представляет собой нематические материалы. Только их молекулы расположены таким образом, что представляют собой спирали, которые очень остро реагируют на любое изменение температуры. При этом меняется окрас самого вещества. Эту биологическую функцию можно использовать в медицинских целях, а также там, где необходимо оперативно реагировать на изменения температуры.

Свойства и характеристики

Не менее интересны и тема оптических свойств. Проходя через некоторые виды жидких материалов, свет работает так же, как и в твёрдых. То есть расщепляется на два — необыкновенный и обыкновенный. Направление поляризации первого совпадает с направлением оптической оси кристалла, а второго — перпендикулярно ему. При правильном использовании этой особенности можно с помощью внешних воздействий управлять переходом света через материал.

Области применения

Различные свойства и характеристики ЖК позволяют использовать их практически во всех отраслях. Оптические способности активно используются в производстве целой гаммы приборов — от микроскопов до больших экранов мониторов. Природа прохождения лучей через ЖК позволяет управлять ими буквально с любой микросхемы. А малое потребление гарантирует максимальную экономичность. В отличие от плазменных экранов, ЖК-мониторы имеют более сочную картинку и долговечность.

Особенность кристаллов быстро реагировать на малейшее изменение температуры нашла своё практическое применение в медицине. Например, белый свет, проходя через ЖК разлагается в спектр, который будет неоднородным при разных температурах. И по лучам можно определить точную степень изменения температуры тела. Собственно, это же открытие применяется и для контроля за нагревом различных материалов в самых разных отраслях.

Перспективы жидких кристаллов

Несомненно, открытие уникальных новых свойств уже известных материалов позволило осуществить массу открытий в самых разных областях деятельности человека. Даже читая этот краткий доклад, пользователь, скорее всего, делает это с помощью жидких кристаллов, не подозревая об этом.

Несмотря на то что изучен большой пласт физических свойств элементов, учёные продолжают находить им всё новое применение, совершенствуя приборы и технологии. В журналах и газетах, специализирующихся на химии, физике и прочих естественных науках, продолжают публиковаться всё новые и новые достижения в области материалов с двумя агрегатными состояниями.

Кристаллы одни из самых красивых и загадочных творений природы. В настоящее время изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография.

2. Монокристаллы и кристаллические агрегаты…………..5-6

3.Симметрия в кристаллах………………………………….6-9

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

5. Закон постоянства двугранных углов . Отклонения

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 некоторых свойствах кристаллов..………………..27-28

Нужна помощь в написании реферата?

12. Как растет кристалл……………………………………30-32

13. Атомы блуждают по кристаллу……………………….32-34

14. О прочности кристаллов………………………………34-35

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

Данная работа посвящена кристаллам. Даны наиболее общие сведения о форме, структуре и симметрии кристаллов. Также раскрыт механизм роста. Отдельные главы посвящены теории плотнейших шаровых упаковок, закону о сохранении двугранных углов и прочности кристаллов. Работа содержит сведения о беспорядке и дефектах в кристалле. Для более наглядного описания классификации и свойств кристаллов приведены две таблицы.

Нужна помощь в написании реферата?

Словно волшебный скульптор,

Светлые грани кристаллов

Лепит бесцветный раствор.

Кристаллы одни из самых красивых и загадочных творений природы. В настоящее время изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она выявляет признаки единства в этом многообразии, исследует свойства и строение как одиночных кристаллов, так и кристаллических агрегатов. Кристаллография является наукой, всесторонне изучающей кристаллическое вещество. Данная работа также посвящена кристаллам и их свойствам.

В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов — явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники известняк — кристалличны. По мере совершенствования методов исследования кристалличными оказались вещества, до этого считавшиеся аморфными. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза.

В настоящее время кристаллы имеют большое распространение в науке и техники, так как обладают особыми свойствами. Такие области использования кристаллов, как полупроводники, сверхпроводники, пьезо- и сегнетоэлектрики, квантовая электроника и многие другие требуют глубокого понимания зависимости физических свойств кристаллов от их химического состава и строения.

Нужна помощь в написании реферата?

В настоящее время известны способы искусственного выращивания кристаллов. Кристалл можно вырастить в обыкновенном стакане, для этого требуется лишь определенный раствор и аккуратность с которой необходимо ухаживать за растущим кристаллом.

Что такое кристалл.

В школьных учебниках кристаллами обычно называют твердые тела, образующихся в природных или лабораторных условиях и имеющие вид многогранников, которые напоминают самые непогрешимо строгие геометрические построения. Поверхность таких фигур ограничена более или менее совершенными плоскостями- гранями , пересекающимися по прямым линиям- ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины. Сразу же следует оговорится, что приведенное выше определение требует существенных поправок. Вспомним, например, всем известную горную породу границ, состоящую из зерен полевого шпата, слюды и кварца. Все эти зерна являются кристаллами, однако, их извилистые зерна не сохранили прежней прямолинейности и плоскогранности, а следовательно не подходят к вышеуказанному описанию. Одновременный рост всех составляющих гранит кристаллов, мешавших друг другу развиваться, и привел к тому, что отдельные кристаллы не смогли получить свойственную им правильную многогранную форму. Итак, для образования правильно ограненных кристаллов необходимо, чтобы ничто не мешало им свободно развиваться, не теснило бы их и не препятствовало их росту.

Кристаллов в природе существует великое множество и так же много существует различных форм кристаллов. В реальности, практически невозможно привести определение, которое подходило бы ко всем кристаллам. Здесь на помощь можно привлечь результаты рентгеновского анализа кристаллов. Рентгеновские лучи дают возможность как бы нащупать атомы внутри кристаллического тела и определяет их пространственное расположение. В результате было установлено, что решительно все кристаллы построены из элементарных частиц, расположенных в строгом порядке внутри кристаллического тела. Упорядоченность расположения таких частиц и отличает кристаллическое состояние от некристаллического, где степень упорядоченности частиц ничтожна.

Во всех без исключения кристаллических постройках из атомов можно выделить множество одинаковых атомов, расположенных наподобие узлов пространственной решетки. Чтобы представить такую решетку, мысленно заполним пространство множеством равных параллелепипедов, параллельно ориентированных и соприкасающихся по целым граням. Простейший пример такой постройки представляет собой кладка из одинаковых кирпичиков. Если внутри кирпичиков выделить соответственные точки, например, их центры или вершины, то мы и получим модель пространственной решетки. Для всех без исключения кристаллических тел характерно решетчатое строение.

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 химические 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 газообразного- невозможно.

Нужна помощь в написании реферата?

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

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

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

В данной работе речь пойдет в основном о монокристаллах, а так как они являются составными частями кристаллических агрегатов, то их свойства будут схожи со свойствами агрегатов.

Симметрия в кристаллах.

Рассматривая различные кристаллы мы видим ,что все они разные по форме, но любой из них представляет симметричное тело. И действительно симметричность 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 для нас являются плоскость симметрии (зеркальное отображение), ось симметрии (поворот вокруг оси, перпендикулярной к плоскости ). По углу поворота различают порядок оси симметрии, поворот на 180о – ось симметрии 2-ого порядка, 120о – 3-его порядка и так далее. Есть и еще оди элемент симметрии — центр симметрии. Представьте себе зеркало, но не большое, а точечное: точку в которой все отображается как в зеркале. Вот эта точка и есть центр симметрии. При таком отображении отражение поворачивается не только справа налево , но и с лица на изнанку.

Все кристаллы симметричны. Это значит, что в каждом кристаллическом многограннике можно найти плоскости симметрии, оси симметрии, центры симметрии и другие элементы симметрии так, чтобы совместились друг с другом одинаковые части многогранника. Введем еще одно понятие относящиеся к симметрии полярность. Представим 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 кристалле. Прежде всего в кристаллах могут быть оси симметрии только 1, 2, 3, 4 и 6 порядков. Представим плоскость, которую надо полностью покрыть семи-,восьсми-, девятиугольниками и т.д., так чтобы между фигурами не оставалось пространства, это не получится, пятиугольниками покрыть плоскость так же нельзя. Очевидно, оси симметрии 5, 7-го и выше порядков не возможны, потому что при такой структуре атомные ряды и сетки не заполнят пространство непрерывно, возникнут пустоты, промежутки между положениями равновесия атомов. Атомы окажутся не в самых устойчивых положениях и кристаллическая структура разрушится.

Нужна помощь в написании реферата?

В кристаллическом многограннике можно найти разные сочетания элементов симметрии – у одних мало, у других много. По симметрии, прежде всего по осям симметрии, кристаллы делятся на три категории.

К высшей категории относятся самые симметричные кристаллы, у них может быть несколько осей симметрии порядков 2,3 и 4, нет осей 6-го порядка, могут быть плоскости и центры симметрии. К таким формам относятся куб, октаэдр, 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 одной. Осей 2 порядка может быть несколько, возможны плоскости симметрии и центры симметрии. Формы этих кристаллов: призмы, пирамиды и др. Общая черта: резкое различие вдоль и поперек главной оси симметрии.

У кристаллов низшей категории не может быть ни одной оси симметрии 3 4 и 6 порядков, могут быть только оси 2 порядка, плоскости или центр симметрии. Структура данных кристаллов самая сложная.

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

Плоскости и центр симметрии могут быть в любой сингонии. Всего сингоний семь.

Каждый кристаллический многогранник обладает определенным набором элементов симметрии. Полный набор всех элементов симметрии, присущих данному кристаллу называется классом симметрии. Сколько же всего таких наборов? Их количество ограничено. Математическим путем было доказано, что в кристаллах существует 32 вида симметрии.

Нужна помощь в написании реферата?

Одна ось 3-ого порядка

Одна ось 4-ого порядка

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

Нужна помощь в написании реферата?

Простые формы могут быть общими и частными в зависимости от того, как расположена исходная грань по отношению к элементам симметрии. Если она расположена косо, то простая форма полученная из нее будет общей. Если же исходная форма расположена параллельно или перпендикулярно к элементам симметрии, то получается частная простая форма. Простые формы так же могут быть закрытыми и открытыми. Закрытая форма может одна образовать кристаллический многогранник, в то время как одна открытая простая форма замкнутого многогранника образовать не может.

Каждая грань кристалла представляет собой плоскость, на которой располагаются атомы. Когда кристалл растет все грани передвигаются параллельно сами себе, так как на них откладываются все новые и новые слои атомов. По этой причине, параллельно каждой грани в структуре кристалла располагается огромное количество атомных плоскостей, которые когда-то в начальных стадиях роста тоже располагались на гранях кристалла, но в процессе роста оказались внутри него.

Ребра кристалла представляют собой прямые, на которых атомы располагаются в ряд. Таких рядов в кристалле тоже огромное количество и они располагаются параллельно действительным ребрам кристалла.

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

Совокупность 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 всех возможных на свете кристаллических форм, и теперь можно не только предположить, какова будет форма кристалла, а с большой уверенностью рассчитать будущую форму.

В течении долгих лет геометрия кристаллов казалась таинственной и неразрешимой загадкой. В 1619 великий немецкий математик 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 (вокруг центрального шарика можно в плотную разложить только шесть таких же шариков). По пути намеченному Кеплером пошли в последствии Роберт Гук и М. В. Ломоносов. Они так же считали, что элементарные частицы кристаллов можно уподобить плотно упакованным шарикам. В наше время принцип плотнейших шаровых упаковок лежит в основе структурной кристаллографии, только сплошные шаровые частицы старинных авторов заменены сейчас атомами и ионами.

Нужна помощь в написании реферата?

Очень часто кристаллы одного и того же вещества срастаются друг с другом закономерным образом, образуя так называемый двойник. При этом обычно возникают дополнительные элементы симметрии, 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 распространенным явлением в природе. Многие вещества, получаемые в лаборатории, также часто имеют двойники как простые, так и полисинтетические.

Закон постоянства двухгранных углов. Отклонения от закона.

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

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

Однако, по мере совершенствования методики и повышения точности измерения кристаллов выяснилось, что закон постоянства углов оправдывается лишь приблизительно. В одном и том же кристалле углы между одинаковыми по типу гранями слегка отличаются друг от друга. У многих веществ отклонения двухгранных углов между соответственными гранями достигает 10 -20′, а в некоторых случаях и градуса.

Грани реального кристалла никогда не представляют собой идеальных плоских поверхностей. Нередко они бывают покрыты ямками или бугорками роста, в некоторых случаях грани представляют собой кривые поверхности, например у кристаллов алмаза. Иногда замечаются на гранях плоские участки, положение которых слегка отклонено от плоскости самой грани, на которой они развиваются. Эти участки называются в кристаллографии вицинальными гранями , или просто вициналями. Вицинали могут занимать большую часть плоскости нормальной грани, а иногда даже полностью заменить последнюю. Иногда на гранях наблюдаются ступеньки имеющие форму пандуса. Таким образом можно говорить о скульптуре граней, являющейся причиной отклонения от равенства двугранных углов. Изучением различных наростов занимается раздел кристаллографии — Морфология внешней формы кристаллов.

Нужна помощь в написании реферата?

Читайте также: