Глава 1. Кристаллы. Кристаллическая решетка.

Анизотропия кристаллов

Введение

Цель. Изучить анизотропию кристалла.

Обьект исследования. Кристаллы поваренной соли(NaCl).

 

Предмет исследования. Анизотропия поваренной соли (Na Cl).

 

Задачи:.

1.Рассмотреть строение кристаллов.

2.Дать объяснение: почему кристаллы анизотропны, привести примеры анизотропии кристаллов.

3.Изучить кристаллическую решетку хлористого натрия (поваренной соли).

4.Вырастить кристалл поваренной соли в домашних условиях простым,приемлемым способом.

 

Знаменитое изречение академика А.Е.Ферсмана”Почти весь мир кристалличен.В мире царит кристалл и его твердые прямолинейные законы”полностью согласуется с неугасающим научным интересом ученых всего мира и всех областей знания к данному обьекту исследования.

. В течение долгих столетий геометрия кристаллов казалась таинственной и неразрешимой загадкой.Вплоть до XVII в.дальше описаний “удивительных угловатых тел”дело не шло.Датский геолог,кристаллограф Николаус Стеной(1638-1686)впервые сформулировал основные понятия о формировании кристаллов:”Рост кристалла происходит не изнутри,как у растений, но путем наложения на внешние плоскости кристалла мельчайших частиц, приносящихся извне некоторой жидкостью”.Эта идея о росте кристаллов в результате отложения на гранях все новых и новых слоев вещества сохранила свое значение и до сих пор.Ученый открыл закон постоянства углов,но написал он его очень кратко.Этот закон окончательно утвердился в науке после выхода в свет “Кристаллографии”(1783г.)французского естествоиспытателя Ж. Б, Роме де Лиля (1736-1790):”Грани кристалла могут изменяться по своей форме и относительным размерам,но их взаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода кристаллов”.Закон постоянства углов явился надежным фундаментом для развития геометрической кристаллографии и лег в основу специальных методов Е.С.Федорова,А.К.Болдырева.Эти методы позволяют по углам между гранями,т.е.по внешней форме кристаллов,определять их вещество.

Закон постоянства углов. Внешняя форма кристаллов одного вида может быть различной,но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными.

Рассматривая выращенный кристалл и измеряя углы между гранями мы можем проверить закон постоянства углов. Существенным свойством кристалла является анизотропность. Анизотропия кристаллов воспринимается теоретически очень

трудно,поэтому с помощью практической работы можно увидеть и пронаблюдать анизотропию кристаллов.

Глава 1. Кристаллы. Кристаллическая решетка.

 

Большинство окружающих нас твердых тел – вещества в твердом состоянии.Специальная область физики-физика твердого тела-занимается изучением строения и свойств твердых тел.Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях.Она составляет фундамент современной техники.Знать свойства твердых тел жизненно необходимо.

В любой отрасли техники используются свойства твердого тела:механические,тепловые,электрические,оптические и т.д. Все большее применение в технике находят кристаллы. Ученые,лауреаты Ленинской и Нобелевской премий А.М.Прохоров и Н.Г.Басов разработали квантовый генератор(лазер).Действие лазеров основано на использование свойств монокристаллов

Кристаллы -это твердые тела,атомы или молекулы которых занимают определенные,упорядоченные положения в пространстве.

В начале 19 века впервые было высказано предположение,что внешне правильная форма кристаллов обусловлена внутренне правильным расположением частиц,из которых состоят кристаллы.На основании исследований немецкого физика-теоретика М.Лауэ посредством рентгеновских лучей было выяснено,что это предположение справедливо.

.Кристаллы характеризуются наличием значительных сил межмолекулярного взаимодействия, вследствие чего они сохраняют постоянными не только свой обьем,но и форму. Кристаллы различных веществ имеют различную форму.На рис. 1.изображены кристаллы:

 

Рис. 1.

.Для наглядного представления внутренней структуры кристалла применяется способ изображения его с помощью пространственно- кристаллической решетки,узлы которой совпадают с центрами атомов или молекул в кристаллах.

Кристаллы могут иметь форму различных призм и пирамид,в основании которых могут лежать только правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник. Представления о периодической структуре кристаллов и симметрии расположения атомов в них в настоящее время имеют строгое экспериментальное подтверждение.Наглядные картины расположения атомов в кристалле удается получать с помощью электронного микроскопа и ионного проектора.

 

 

Рис.2

 

 

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами.Монокристаллом называют одиночный кристалл,имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую решетку.Монокристаллы обычно обладают геометрически правильной формой.Существенным свойством монокристалла является анизотропия-неодинаковость его свойств по различным направлениям.

Большинство встречающихся в природе и получаемых в технике твердых тел представляют собой множество расположенных беспорядочно мелких кристаллов,которые срослись между собой.Такие тела называются поликристаллами.В отличие от монокристаллов поликристаллы изотропны,т.е. их свойства одинаковы во всех направлениях.Обьясняется это тем,что кристаллы,из которых состоит поликристаллическое тело,ориентированны друг по отношению к другу хаотически.В результате ни одно из направлений не отличается от других.

Существуют четыре типа кристаллов:молекулярные,ковалентные (атомные),ионные и металлические.

Алмаз-кристаллическое вещество с атомной кристаллической решеткой.Каждый атом в кристалле алмаза связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами (рис.3 кристаллическая решетка алмаза)..Это обусловливает исключительную твердость алмаза.Алмаз широко применяют для обработки особо твердых материалов:для резки стекла,при буровых работах в геологии,в полупроводниковых схемах. Алмаз практически не проводит электрический ток,плохо проводит тепло.Прозрачные образцы алмаза сильно преломляют лучи света и при огранке красиво блестят,из таких алмазов делают украшения (бриллианты).

 

 

 

 

Рис.3

 

Графит-пример кристалла с так называемой слоистой структурой,у него различие структуры вдоль слоев и поперек них бросается в глаза.В кристаллической решетке графита атомы углерода расположены слоями,состоящими из шестичленных колец.Расстояние между слоями сравнительно велико:примерно в два раза больше,чем длина стороны шестиугольника.Поэтому связи между слоями менее прочны,чем связи внутри них.

Графит мягок,легко расслаивается, непрозрачен, электропроводен и не похож на драгоценный камень.А между тем и алмаз,и графит-это чистый углерод.Различие свойств алмаза и графита связано только с различием кристаллических решеток.При определенных условиях возможен переход вещества из одной кристаллической модификации в другую.Если нагреть графит до температуры 2000-2500 К под давлением 10⁹ Па,то произойдет перестройка кристаллической решетки. в результате чего графит превращается в алмаз.Так получают искусственные алмазы.

Различие в строении кристаллических решеток двух разновидностей углерода (графита и алмаза) обьясняет различие в их физических свойствах:мягкость графита и твердость алмаза; графит-проводник электричества, алмаз-диэлектрик(нет свободных электронов).

Вывод: Частицы, составляющие кристаллы, расположены друг относительно друга в определенном порядке,на определенных расстояниях друг от друга. Совокупность узлов,т.е. точек,соответствующих средним положениям частиц,составляющих кристалл,называют пространственной решеткой этого кристалла Все физические свойства,благодаря которым кристаллы так широко применяются,зависят от их строения-их пространственной кристаллической решетки.