Учеба  ->  Науки  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Анизотропия кристаллов

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.

. 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.

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).

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.

Глава 2. Анизотропия кристаллов.

Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям неодинаковы. Поэтому механические,тепловыек,электрические и оптические свойства кристаллов по разным направлениям оказываются различными. Это свойство кристаллов называется анизотропией.

В кристаллической решетке различно число частиц ,приходящихся на одинаковые по длине,но разные по направлению отрезки, т. е. плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям не одинакова ,что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений.

Простейший пример анизотропии кристаллов –неодинаковая их механическая прочность по разным направлениям. Кристаллы легче всего раскалываются с образованием кусков,ограниченных плоскими гранями,пересекающимися под определенными углами.

Например,кристаллы слюды,имеющие вид тонких пластинок,очень легко разделяются на еще более тонкие пластинки. Если разбить кристаллы соли ,то получатся более мелкие кристаллы той же формы. Тела ,состоящие из одного или нескольких одинаково расположенных кристаллов,легче деформируются в одном направлении,чем в другом. Это, например, относится к кускам льда. По своим механическим свойствам брусок из льда похож на стопу стеклянных пластин, соединенных не вполне затвердевшим клеем.

Бесцветные кристаллы каменной соли прозрачны ,как стекло. Если ударить ножом или молоточком по кристаллу,он разбивается на кубики с ровными ,гладкими ,плоскими гранями. Это явление спайности,т. е. способности раскалываться по ровным ,гладким плоскостям,так называемым плоскостям спайности. Кристаллы кальцита тоже обладают спайностью : при ударе они всегда разбиваются вдоль одной из его диагоналей.

Спайность-это проявление анизотропии прочности кристаллов:силы сцепления между атомами в некоторых симметрично расположенных плоскостях очень малы, и кристаллы раскалываются по этим плоскостям.

Теплопроводность некоторых кристаллов по различным направлениям также не одинакова. У графита теплопроводность вдоль слоев в четыре раза больше , чем по нормали к слоям : тепло легче передается в тех плоскостях и направлениях ,где атомы плотно упакованы.

Иногда кристаллы образуются прямо из паров,а не из жидкости. В этом случае они бывают особенно правильны. Примером этого является образование инея и снежинок из водяных паров воздуха. Одна снежинка-это группа кристалликов ,образованная более чем из двухсот ледяных частичек. Снежные кристаллы образуются из расположенных в безупречном порядке молекул воды. Но почему они всегда шестиугольные?

Каждая снежинка формируется из шестиугольной молекулы воды. Один атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода(два через атомные связи и два через водородные мостики). Затем появляются другие такие же молекулы,все они присоединяются к первой.

Главная особенность,определяющая форму кристалла (снежинок),это крепкая связь между молекулами воды,подобная соединению звеньев в цепи. Отсюда и симметрия. Симметрия-это свойство кристаллов совмещаться друг с другом в различных положениях путем поворотов,отражений,параллельных переносов .

Вывод:Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не одинакова по различным направлениям. Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям также неодинаковы. Это приводит к зависимости свойств кристаллов от направления-анизотропии.

Глава 3. Кристаллическая решетка поваренной соли.

Простой пример кристаллической решетки представляет решетка кристалла хлористого натрия. Молекула этого вещества состоит из одного атома хлора и одного атома натрия(NaCl). Кристаллическая решетка хлористого натрия состоит из чередующихся ионов хлора и натрия. Каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора,расположенными по трем взаимно перпендикулярным направлениям, а каждый ион хлора в свою очередь окружен шестью ионами натрия. У хлористого натрия расстояние между соседними ионами равно 2,81*10-10 м.

В решетке поваренной соли раскалывание происходит легче всего по плоскостям,параллельным АА или ВВ . Поэтому,ударив молотком по кубику кристалла поваренной соли мы разобьем его снова на правильные кубики.

 А  С А

В кубической структуре кристалла Na Cl ,в котором расстояния между ионами одинаковы по трем направлениям,в других направлениях свойства кристаллов сильно отличаются. Происходит это не только потому,что в других направлениях между атомами расстояния другие,но и вследствие иного рспределения сил связи между атомами. Рассмотрим ,для примера,направление обьемной диагонали в кристалле NaCl. Перпендикулярно ей чередуются плоскости,образующие грани октаэдра . Каждая из этих плоскостей состоит только из одного типа ионов,из Na+или Cl-. Силы притяжения ,возникающие между такими плоскостями,в пять раз больше,чем силы между плоскостями,параллельными граням куба,в каждой из которых лежат и те и другие ионы,и Na+,и Cl-. Вот почему кристалл Na Cl гораздо легче расколоть по плоскостям куба,чем по плоскостям октаэдра. Поэтому он и кристаллизуется ,образуя кубы.

Симметрия внешней формы и симметрия физических свойств вызваны симметрией внутреннего строения кристалла,то есть расположением атомов(ионов) в твердом теле.

Кубическая форма у NaCl вызвана правильным расположением в пространстве ионов Na+ и Cl-.

Глава 4. Практическая работа ”Выращивание кристалла поваренной соли “.

Цель работы:наблюдение за процессом роста кристалла хлористого натрия и сравнение полученных кристаллов с моделями кристаллических решеток,проверить анизотропию прочности путем раскалывания.

Ход работы:

Чтобы вырастить кристаллы в домашних условиях,нужно приготовить перенасыщенный раствор соли. В качестве исходного вещества выбрали соль,которые использует человек очень часто, это поваренная соль.

Налила в стакан горячей воды и посыпала в него поваренную соль,все время помешивая. Сыпала до тех пор,пока соль не перестала растворяться и на дне образовался осадок,не исчезающий при помешивании. Затем взяла кусочек тонкой проволоки и обмотала его шерстяной ниткой. На стакан сверху положила палочку и к ней подвесила обмотанную проволочку на нитке. Рассол постепенно остыл,потом вода из него начала испаряться. Через три дня (можно дольше) вытянула проволочку. Соль осела на шерстинках маленькими правильными кубиками.

Нужно периодически измерять размеры некоторых граней. Грани кристалликов изменяют свои размеры,они растут,,углы между соответственными гранями остаются постоянными.

Сравнили формы полученных кристаллов с формами моделей кристаллических решеток. У поваренной соли NaCl грани должны иметь форму квадратов,а кристаллы –кубов. Выращенный кристалл соответствует этим требования

Выбрала наиболее удобный , приемлемый способ выращивания кристаллов в домашних условиях и вырастила кристаллы поваренной соли. По мере роста кристаллов проводила наблюдение. Сравнила формы полученных кристаллов с формами их кристаллических решеток,они соответствуют формам кристаллам-кубам.

Силы притяжения ,возникающие между плоскостями состоящие только из одного типа ионов Na+ или Cl-(образующие грани октаэдра) в пять раз больше чем между плоскостями параллельными граням куба,в каждом из которых лежат и те и другие ионы, и Na+,и Cl-. Вот почему кристалл Na Cl гораздо легче расколоть по плоскостям куба,чем по плоскостям октаэдра. Поэтому он и кристаллизуется,образуя кубы. Кристалл фактически состоит из ионов противоположных знаков.

Заключение

Монокристаллы - твердые тела,частицы которых образуют единую кристаллическую решетку.

Внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной,но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными. Это закон постоянства углов сформулировал французский естествоиспытатель Ж. Б. Роме де Лиля. Он сделал важный вывод: правильная форма кристаллов связана с закономерным размещением частиц, образующих кристалл. Монокристаллами являются большинство минералов. Однако крупные природные монокристаллы встречаются довольно редко. В настоящее время многие монокристаллы выращиваются искусственно.

Кристаллы характеризуются наличием значительных сил межмолекулярного взаимодействия. Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям неодинаковы Силы притяжения ,возникающие между плоскостями образующие грани октаэдра в кристаллах поваренной соли состоящих из ионов одного типа,в пять раз больше,чем силы между плоскостями,параллельными граням куба,в каждой из которых лежат и те и другие ионы,и Na+,и Cl-. В этом можно проследить действие закона анизотропии. Суть его в том, что многие свойства твердых тел зависят от направления,в котором эти свойства измеряются. Мы исследовали анизотропию прочности на поваренной соли. Если кристаллы поваренной соли,имеющие кубическую форму,раскалывать,то мелкие осколки будут иметь преимущественно форму прямоугольных параллелепипедов. Это значит,что в направлениях, параллельных граням,прочность кристалла поваренной соли гораздо меньше,чем в диагональных и других направлениях. Исследовать другие физические свойства мы не смогли из-за ограниченности приборов и материалов. Например,теплопровдность кристалла,измеренная в различных направлениях,может оказаться неодинаковой. Она будет одинаковой лишь в параллельных и симметричных направлениях. То же можно сказать об электропроводности,твердости, и других свойствах. Иначе говоря ,симметрия внешней формы сопровождается и симметрией физических свойств кристаллов.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)