Властивості твердих тіл. Кристали

Міністерство  освіти і науки, молоді та спорту  України

Криворізький  коксохімічний технікум

Національної  металургійної академії

Циклова предметна  комісія фундаментальних дисциплін

 

 

 

 

Предмет «Фізика. Астрономія»

 

Науково-пошукова робота

На тему: “Властивості твердих тіл. Кристали.”

Виконав:

студент групи ІДП-11 1/9

Богданов Ігор Володимирович

 

Керівник:

викладач фізики

Пилипчак Наталія Олександрівна

 

 

 

Кривий Ріг

2011

 

Зміст

 

1. ВСТУП 3

2. ЗАГАЛЬНА  ХАРАКТЕРИСТИКА ТА ІСТОРІЯ ДОСЛІДЖЕННЯ 8

3. МОНОКРИСТАЛИ  І ПОЛІКРИСТАЛИ 17

4. РІДКІ КРИСТАЛИ 19

5. ПРОЦЕС  РОСТУ КРИСТАЛІВ 20

6. ВИСНОВОК 26

7. ЛІТЕРАТУРА 27

 

 

 

 

 

1. ВСТУП

Мета: Дослідити види кристалів, їх структуру та властивості, експериментальним шляхом виростити кристали мідного купоросу та хлориду натрію.

Об’єкт  дослідження: кристали мідного купоросу та хлориду натрію

Кристал — тверде тіло з упорядкованою внутрішньою будовою, що має вигляд багатогранника з природними плоскими гранями: впорядкованість будови полягає у певній повторюваності у просторі елементів кристала (атомів, молекул, йонів), що зумовлює виникнення кристалічної ґратки. Кристал обмежений гранями однієї або декількох простих форм (всього 47 простих форм) . Проста форма — сукупність кристалографічно однакових граней. Форма кристала змінюється в залежності від умов його зародження і росту.

Кристали правильної геометричної форми зустрічаються в природі  рідко. Спільна дія таких несприятливих  факторів, як коливання температури, тісне оточення сусідніми твердими тілами, не дозволяють зростаючому  кристалу придбати характерну для нього  форму.

Різноманітність кристалів  за формою дуже велике. Кристали можуть мати від чотирьох до декількох сотень граней. Але при цьому вони володіють  чудовою властивістю - якими б  не були розміри, форма і число  граней одного і того ж кристалу, всі плоскі грані перетинаються  один з одним під певними кутами. Кути між відповідними гранями завжди однакові. Кристали кам'яної солі , наприклад, можуть мати форму куба, паралелепіпеда, призми або тіла більш складної форми, але завжди їх межі перетинаються під прямими кутами. Найпростішим приладом для вимірювання кутів кристалів є прикладний гоніометр.

Кристалографія – це наука про кристали та кристалічну будову матерії, яка використовує різні методи для дослідження будови та фізичнихвластивостей кристалів. Такі як: рентгеноструктурний аналіз, іонний мікропроектор.

Структуру, будову та властивості  кристалічних тіл вивчали та досліджували багато відомих вчених, таких як Рене Гаюї, Роберт Гук, Християн Гюйгенс, Ломоносов М.В. Вони внесли значний вклад і вивченні твердих тіл.

Розрізняють основні типи кристалічних граток: кубічна, кубічна об'ємноцентрована, кубічна гранецентрована, щільна гексагональна.

Класифікація кристалів  і пояснення їх фізичних властивостей виявляються можливими тільки на основі вивчення їх симетрії.

Кристалічні тіла діляться на монокристали і полікристали. Монокристал - окремий однорідний кристал, що має безперервну кристалічну решітку і характеризується анізотропією властивостей. Прикладами огранованих природних монокристалів можуть служити монокристали кварцу, кам'яної солі, ісландського шпату, алмазу, топазу. Велике промислове значення мають монокристали напівпровідникових і діелектричних матеріалів, що вирощуються в спеціальних умовах.

Полікристал - агрегат дрібних кристалів певної речовини, іноді званих через неправильну форми кристалітами або кристалічними зернами. Величезна більшість твердих тіл, які зустрічаються у природі – пісок, граніт, базальт, мідь, залізо, алюміній, титан, солі, фарби – мають полікристалічну структуру.

Рідкі кристали – це рідини, для яких характерним є певний порядок розміщення молекул і, як наслідок цього, анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей.

Одне з важливих напрямів використання рідких кристалів - термографія. Підбираючи склад рідкокристалічного речовини, створюють індикатори для  різних діапазонів температури і  для різних конструкцій. Наприклад, рідкі кристали у вигляді плівки наносять на транзистори, інтегральні  схеми і друковані плати електронних  схем. Несправні елементи - сильно нагріті або холодні, непрацюючі - відразу помітні по яскравим кольоровим плямам. Нові можливості отримали лікарі: рідкокристалічний індикатор на шкірі хворого швидко діагностує приховане запалення і навіть пухлину.

За допомогою рідких кристалів  виявляють пари шкідливих хімічних сполук і небезпечні для здоров'я  людини гамма- та ультрафіолетове випромінювання. На основі рідких кристалів створені вимірювачі тиску, детектори ультразвуку. Але сама багатообіцяюча область застосування рідкокристалічних речовин - інформаційна техніка. Від перших індикаторів, знайомих всім по електронному годиннику, до кольорових телевізорів з рідкокристалічним екраном розміром з поштову листівку пройшло лише кілька років. Такі телевізори дають зображення дуже високої якості, споживаючи меншу кількість енергії.

Як же зростають  кристали?

Можна висловити припущення, що безладно рухаються атоми або  молекули випадково можуть розташуватися  в такому порядку, який відповідає кристалічній решітці. Якщо розчин не насичений або  температура розплаву вище температури  кристалізації, то зародки утворюються  і тут же розчиняються або руйнуються тепловим рухом. У перенасиченому розчині  або в розплаві, охолодженому до температури нижче температури  кристалізації, швидкість росту  зародка перевищує швидкість  його руйнування. Таке, здавалося б  розумне припущення не узгоджується з результатами практики.

У досвіді ж при вирощуванні  кристалів з пари з перенасиченням всього в 1% була виявлена швидкість  росту кристала в 10¹⁰⁰⁰ разів більше розрахованої теоретично! Мабуть, більшого розходження теорії з досвідом у фізиці не спостерігалося.

Пояснення цієї розбіжності  теорії та практики було знайдено лише порівняно недавно, в 1949 р. Легкість, з якою починається забудова нової  атомної площини, виявилося можливим пояснити тим, що реальні кристали мають безліч дефектів структури.

Описуючи будову кристалів, ми користувалися їх ідеальними моделями. Відмінність реальних кристалів  від ідеальних полягає в тому, що реальні кристали не мають правильної кристалічної решітки, а мають цілий  ряд порушень в розташуванні атомів, які називаються дефектами. Знання умов утворення дефектів і способів їх усунення грає велику роль при використанні кристалів на практиці.

Особливу роль в процесі  росту кристалу грають недосконалості його структури, звані дислокаціями (зміщеннями).

Зародження кристала полегшується при наявності в розчині чи розплаві найдрібніших сторонніх тіл - порошинок та інших забруднень.  Наприклад, зародками сніжинок є  завислі в повітрі тверді порошинки, найчастіше дрібні кварцові піщинки. Неправильна  форма пилинки, на якій починається  зародження кристалу, сприяє виникненню в ньому дислокації і різкого  зростання швидкості росту кристала.

Як я зрощував кристал?

Спочатку приготував сильно концентрований розчин мідного купоросу. Для цього налив в скляну банку 100 мл дистильованої води, підігрітої до 60°С на паровій бані, і розчинив 20 г мідного купоросу

Отриманий концентрований розчин відфільтрував через марлю та перелив в банку, загорнув її в газету, для повільнішого охолодження. Залишив на добу і отримав кристали зображені на малюнку

Один з кристалів, за допомогою  дротяної перемички, підвісив на капроновій нитці і занурив в новий, більш концентрований розчин. На цій "затравці" з часом почала з’являтися велика кількість маленьких кристаликів, а сам великий кристал, почав збільшуватись. Таким чином я отримав полікристал мідного купоросу, зображений на малюнку.

Той же самий дослід був  проведений з алюмокалієвим квасцем, зображеним на малюнку.

 

 

 

 

 

2. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ТА ІСТОРІЯ ДОСЛІДЖЕННЯ

Кристал — тверде тіло з упорядкованою внутрішньою будовою, що має вигляд багатогранника з природними плоскими гранями: впорядкованість будови полягає у певній повторюваності у просторі елементів кристала (атомів, молекул, йонів), що зумовлює виникнення кристалічної ґратки.

Поверхня  кристала обмежена площинами — гранями, лінії перетину яких є ребрами, а точки перетину ребер — вершинами. Кристал є обмежений гранями однієї або декількох простих форм (всього 47 простих форм) (мал.1). Проста форма — сукупність кристалографічно однакових граней. Форма кристала змінюється в залежності від умов його зародження і росту.

Різноманітність кристалів за формою дуже велике. Кристали можуть мати від  чотирьох до декількох сотень граней. Але при цьому вони володіють  чудовою властивістю - якими б  не були розміри, форма і число  граней одного і того ж кристалу, всі плоскі грані перетинаються  один з одним під певними кутами. Кути між відповідними гранями завжди однакові. Кристали кам'яної солі, наприклад, можуть мати форму куба, паралелепіпеда, призми або тіла більш складної форми, але завжди їх межі перетинаються  під прямими кутами. Грані кварцу мають форму неправильних шестикутників, але кути між гранями завжди одні й ті ж - 120 °.

Закон сталості кутів, відкритий в 1669 р. данцем Миколою Стено, є найважливішим законом науки про кристали - кристалографії.

Вимірювання кутів між гранями  кристалів має дуже велике практичне  значення, так як за результатами цих  вимірів у багатьох випадках може бути достовірно визначена природа  мінералу. Найпростішим приладом для  вимірювання кутів кристалів  є прикладний гоніометр (мал.2). Застосування прикладного гоніометра можливе тільки для дослідження великих кристалів, але точність вимірювань невелика, виконаних за його допомогою. Розрізнити, наприклад, кристали кальциту і селітри (подібні за формою і

Мал. 1. Прості форми кристалів

 

мал.2 Прикладний гоніометр

мають кути між відповідними гранями, рівні 101° 55 ' у першого і 102° 41,5' у другого) за допомогою прикладного гоніометра дуже важко. Тому в лабораторних умовах виміри кутів між гранями кристала зазвичай виконують за допомогою більш складних і точних приладів.

Кристали правильної геометричної форми зустрічаються в природі  рідко. Спільна дія таких несприятливих  факторів, як коливання температури, тісне оточення сусідніми твердими тілами, не дозволяють зростаючому  кристалу придбати характерну для нього  форму. Крім того, значна частина кристалів, що мали в далекому минулому досконале ограновування, встигла втратити її під дією води, вітру, тертя об інші тверді тіла. Так, багато округлих прозорих зерен, які можна знайти в прибережному піску, є кристалами кварцу, які позбавлені граней в результаті тривалого тертя один об одного.

Існує кілька способів, що дозволяють дізнатися, чи є тверде тіло кристалом. Найпростіший з них, але дуже малопридатні для використання, був відкритий  в результаті випадкового спостереження  в кінці XVIII ст. Французький учений Ренні Гаюї ненавмисно впустив один з кристалів своєї колекції. Розглянувши осколки кристала, він зауважив, що багато хто з них представляють собою зменшені копії вихідного зразка.

Чудова властивість багатьох кристалів давати при дробленні осколки, подібні за формою вихідного кристалу, дозволило Гаюї висловити гіпотезу, що всі кристали складаються з щільно укладених рядами маленьких, невидимих в мікроскоп, частинок, що мають властиву даної речовини правильну геометричну форму. Різноманіття геометричних форм Гаюї пояснив не тільки різною формою «цеглинок», з яких вони складаються, але і різними способами їх укладання.

Ще в XVIII в. англійський вчений Роберт Гук і голландський учений Християн Гюйгенс звернули увагу на можливість побудови правильних багатогранників з щільно укладених куль. Вони припустили, що кристали побудовані з кулястих частинок - атомів або молекул. Зовнішні форми кристалів згідно цієї гіпотези є наслідком особливостей щільної упаковки атомів або молекул. Незалежно від них до такого ж висновку прийшов в 1748 р. великий російський вчений М. В. Ломоносов.

При дуже ретельному укладанні куль в один плоский шар кожна куля виявляється оточеною шістьма іншими кулями, центри яких утворюють правильний шестикутник. Якщо укладку другого шару вести по лунках між кулями першого шару, то другий шар виявиться таким же, як і перший, тільки зміщеним щодо нього в просторі.

Укладання третього шару куль може бути здійснена двома способами. У  першому способі кулі третього шару укладаються в лунки, що знаходяться  точно над кулями першого шару, і третій шар виявляється точною копією першого. При наступному повторенні укладання шарів цим способом виходить структура, яка називається гексагональною щільноупакованою структурою (мал.3,г). У другому способі кулі третього шару укладаються в лунки, які не знаходяться над кулями першого шару. При цьому способі упаковки виходить структура, яка називається кубічною гранецентрованою структурою (мал.3,в). Обидві упаковки дають ступінь заповнення обсягу 74%. Ніякий інший спосіб розташування куль в просторі при відсутності їх деформації більшою мірою заповнення обсягу не дає.

При укладанні куль ряд за рядом  способом гексагональної щільної упаковки можна отримати правильну шестигранну  призму, другий спосіб упаковки веде до можливості побудови куба з куль. Якщо при побудові кристалів з атомів або молекул діє принцип щільної упаковки, то, здавалося б, у природі повинні зустрічатися кристали тільки у вигляді шестигранних призм і кубів. Кристали такої форми дійсно дуже поширені. Гексагональний щільній упаковці атомів відповідає, наприклад, форма кристалів цинку, магнію, кадмію. Кубічній щільній упаковці відповідає форма кристалів міді, алюмінію, срібла, золота та ряду інших металів.