Кристалът е различен от аморфното твърдо вещество. Кристални и аморфни тела: структура и свойства. Координационен номер c.n.

Твърдите тела са кристални и аморфни тела. Кристалът е името на леда в древността. И тогава започнаха да наричат ​​кварца кристал и смятаха тези минерали за вкаменен лед. Кристалите са естествени и се използват в ювелирната индустрия, оптиката, радиотехниката и електрониката, като опори за елементи в свръхпрецизни инструменти, като свръхтвърд абразивен материал.

Кристалните тела се характеризират с твърдост и имат строго правилно разположение в пространството на молекули, йони или атоми, което води до образуването на триизмерна периодична кристална решетка (структура). Външно това се изразява чрез определена симетрия на формата на твърдо тяло и неговите определени физически свойства. Във външната си форма кристалните тела отразяват симетрията, присъща на вътрешната "опаковка" на частиците. Това определя равенството на ъглите между лицата на всички кристали, състоящи се от едно и също вещество.

В тях разстоянията от център до център между съседните атоми също ще бъдат равни (ако са разположени на една и съща права линия, тогава това разстояние ще бъде еднакво по цялата дължина на линията). Но за атоми, разположени на права линия с различна посока, разстоянието между центровете на атомите ще бъде различно. Това обстоятелство обяснява анизотропията. Анизотропията е основната разлика между кристалните тела и аморфните.

Повече от 90% от твърдите вещества могат да бъдат класифицирани като кристали. В природата те съществуват под формата на монокристали и поликристали. Монокристалите са единични кристали, чиито лица са представени от правилни многоъгълници; Те се характеризират с наличието на непрекъсната кристална решетка и анизотропия на физичните свойства.

Поликристалите са тела, състоящи се от много малки кристали, „сраснали заедно“ някак хаотично. Поликристалите са метали, захар, камъни, пясък. В такива тела (например фрагмент от метал) анизотропията обикновено не се появява поради произволното подреждане на елементите, въпреки че анизотропията е характерна за отделен кристал на това тяло.

Други свойства на кристалните тела: строго определена температура (наличие на критични точки), якост, еластичност, електропроводимост, магнитопроводимост, топлопроводимост.

Аморфен - без форма. Ето как тази дума се превежда буквално от гръцки. Аморфните тела са създадени от природата. Например, кехлибар, восък участват в създаването на изкуствени аморфни тела - стъкло и смоли (изкуствени), парафин, пластмаси (полимери), колофон, нафталин, разн. нямат поради хаотичното разположение на молекулите (атоми, йони) в структурата на тялото. Следователно за всяко аморфно тяло те са изотропни – еднакви във всички посоки. За аморфните тела няма критична точка на топене, те постепенно омекват при нагряване и се превръщат във вискозни течности. На аморфните тела се приписва междинно (преходно) положение между течности и кристални тела: при ниски температури те се втвърдяват и стават еластични, освен това могат да се разделят на безформени парчета при удар. При високи температури същите тези елементи проявяват пластичност, превръщайки се във вискозни течности.

Сега знаете какво представляват кристалните тела!

Изпратете добрата си работа в базата от знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

Публикувано на http://www.allbest.ru/

Въведение

Глава 1. Кристални и аморфни тела

1.1 Идеални кристали

1.2 Монокристали и кристални агрегати

1.3 Поликристали

Глава 2. Елементи на симетрия на кристали

Глава 3. Видове дефекти в твърди тела

3.1 Точкови дефекти

3.2 Линейни дефекти

3.3 Повърхностни дефекти

3.4 Обемни дефекти

Глава 4. Получаване на кристали

Глава 5. Свойства на кристалите

Заключение

Библиография

Въведение

Кристалите са едно от най-красивите и мистериозни творения на природата. В момента науката за кристалографията изучава разнообразието от кристали. Тя разкрива признаци на единство в това разнообразие, изучава свойствата и структурата както на монокристалите, така и на кристалните агрегати. Кристалографията е наука, която изчерпателно изучава кристалната материя. Тази работа също е посветена на кристалите и техните свойства.

В момента кристалите се използват широко в науката и технологиите, тъй като имат специални свойства. Такива области на използване на кристали като полупроводници, свръхпроводници, квантова електроника и много други изискват задълбочено разбиране на зависимостта на физичните свойства на кристалите от техния химичен състав и структура.

Понастоящем са известни методи за изкуствено отглеждане на кристали. Кристалът може да се отглежда в обикновена чаша; това изисква само определен разтвор и грижата, с която е необходимо да се грижите за растящия кристал.

В природата има голямо разнообразие от кристали, както и много различни форми на кристали. В действителност е почти невъзможно да се даде определение, което да се отнася за всички кристали. Тук могат да се използват резултатите от рентгенов анализ на кристали. Рентгеновите лъчи позволяват да се усетят атомите вътре в кристалното тяло и да се определи тяхното пространствено местоположение. В резултат на това беше установено, че абсолютно всички кристали са изградени от елементарни частици, разположени в строг ред вътре в кристалното тяло.

Във всички кристални структури без изключение могат да се разграничат много идентични атоми от атоми, разположени като възли на пространствена решетка. За да си представим такава решетка, нека мислено запълним пространството с много равни паралелепипеди, успоредно ориентирани и докосващи се по цели лица. Най-простият пример за такава сграда е зидария от еднакви тухли. Ако изберем съответните точки вътре в тухлите, например техните центрове или върхове, тогава ще получим модел на пространствена решетка. Всички кристални тела без изключение се характеризират с решетъчна структура.

Кристалите се наричат ​​" всички твърди тела, в които съставните частици (атоми, йони, молекули) са подредени строго редовно като възли на пространствени решетки". Това определение е възможно най-близко до истината, то е подходящо за всякакви хомогенни кристални тела: бутилки (форма на кристал, която няма лица, няма ръбове, няма изпъкнали върхове), и зърна, и фигури с плоски лица.

Глава 1.Кристални и аморфни тела

Въз основа на техните физични свойства и молекулна структура твърдите вещества се разделят на два класа - аморфни и кристални твърди вещества.

Характерна особеност на аморфните тела е тяхната изотропност, т.е. независимост на всички физически свойства (механични, оптични и т.н.) от посоката. Молекулите и атомите в изотропните твърди вещества са подредени на случаен принцип, образувайки само малки локални групи, съдържащи няколко частици (късообхватен ред). По своята структура аморфните тела са много близки до течностите.

Примери за аморфни тела включват стъкло, различни втвърдени смоли (кехлибар), пластмаси и др. Ако аморфното тяло се нагрее, то постепенно се омекотява и преходът към течно състояние отнема значителен температурен диапазон.

В кристалните тела частиците са подредени в строг ред, образувайки пространствени периодично повтарящи се структури в целия обем на тялото. За визуално представяне на такива структури, пространствени кристални решетки, в чиито възли са разположени центровете на атоми или молекули на дадено вещество.

Във всяка пространствена решетка може да се разграничи структурен елемент с минимален размер, който се нарича единична клетка.

Ориз. 1. Видове кристални решетки: 1 - проста кубична решетка; 2 - лицево центрирана кубична решетка; 3 - тялоцентрирана кубична решетка; 4 - шестоъгълна решетка

В простата кубична решетка частиците са разположени във върховете на куба. В лицево-центрирана решетка частиците са разположени не само във върховете на куба, но и в центровете на всяко от лицата му. В обемно-центрирана кубична решетка допълнителна частица е разположена в центъра на всяка кубична единична клетка.

Трябва да се помни, че частиците в кристалите са плътно опаковани, така че разстоянието между техните центрове е приблизително равно на размера на частиците. В изображението на кристалните решетки е посочено само положението на центровете на частиците.

1. 1 перфектни кристали

Правилната геометрична форма на кристалите привлече вниманието на изследователите още в ранните етапи от развитието на кристалографията и даде повод за създаването на определени хипотези за тяхната вътрешна структура.

Ако разгледаме идеален кристал, в него няма да открием никакви нарушения; всички еднакви частици са разположени в еднакви успоредни редове. Ако приложим три елементарни транслации, които не лежат в една и съща равнина, към произволна точка и я повтаряме безкрайно в пространството, получаваме пространствена решетка, т.е. триизмерна система от еквивалентни възли. По този начин в идеалния кристал подреждането на материалните частици се характеризира със строга триизмерна периодичност. И за да се получи ясна представа за моделите, свързани с геометрично правилната вътрешна структура на кристалите, в лабораторните часове по кристалография обикновено се използват модели на идеално оформени кристали под формата на изпъкнали полиедри с плоски лица и прави ръбове. Всъщност лицата на истинските кристали не са съвършено плоски, тъй като докато растат, те се покриват с туберкули, грапавини, бразди, растежни ями, вицинали (лица, които се отклоняват изцяло или частично от идеалната си позиция), спирали на растеж или разтваряне, и т.н.

Перфектен кристал- това е физически модел, който е безкраен монокристал, който не съдържа примеси или структурни дефекти. Разликата между истинските кристали и идеалните се дължи на ограничеността на техните размери и наличието на дефекти. Наличието на някои дефекти (например примеси, междукристални граници) в реалните кристали може да бъде почти напълно избегнато с помощта на специални методи за растеж, отгряване или пречистване. Въпреки това, при температура T>0K, кристалите винаги имат крайна концентрация на (термично активирани) свободни места и интерстициални атоми, чийто брой в равновесие намалява експоненциално с намаляване на температурата.

Кристалните вещества могат да съществуват под формата на монокристали или поликристални проби.

Единичен кристал е твърдо вещество, в което правилната структура покрива целия обем на веществото. Единичните кристали се срещат в природата (кварц, диамант, изумруд) или се произвеждат изкуствено (рубин).

Поликристалните проби се състоят от голям брой малки, произволно ориентирани кристали с различни размери, които могат да бъдат свързани помежду си чрез определени сили на взаимодействие.

1. 2 Монокристсплави и кристални агрегати

Монокристал- отделен хомогенен кристал, който има непрекъсната кристална решетка и понякога има анизотропия на физичните свойства. Външната форма на единичен кристал се определя от неговата атомна кристална решетка и условията (главно скорост и еднородност) на кристализация. Един бавно растящ монокристал почти винаги придобива добре дефиниран естествен разрез при неравновесни условия (средна скорост на растеж) на кристализация, разрезът изглежда слабо. При още по-висока скорост на кристализация вместо единичен кристал се образуват хомогенни поликристали и поликристални агрегати, състоящи се от множество различно ориентирани малки монокристалчета. Примери за фасетирани естествени монокристали включват монокристали от кварц, каменна сол, исландски шпат, диамант и топаз. Монокристалите от полупроводникови и диелектрични материали, отглеждани при специални условия, са от голямо промишлено значение. По-специално, монокристали от силиций и изкуствени сплави на елементи от група III (трета) с елементи от група V (пета) на периодичната таблица (например GaAs галиев арсенид) са в основата на съвременната електроника в твърдо състояние. Монокристалите на металите и техните сплави нямат специални свойства и практически не се използват. Монокристалите на свръхчистите вещества имат едни и същи свойства, независимо от метода на тяхното получаване. Кристализацията възниква близо до точката на топене (кондензация) от газообразни (например скреж и снежинки), течни (най-често) и твърди аморфни състояния с отделяне на топлина. Кристализацията от газ или течност има мощен пречистващ механизъм: химичният състав на бавно растящите монокристали е почти идеален. Почти всички замърсители остават (натрупват се) в течност или газ. Това се случва, защото с нарастването на кристалната решетка се извършва спонтанна селекция на необходимите атоми (молекули за молекулярни кристали) не само според техните химични свойства (валентност), но и според размера.

На съвременната технология вече не липсва ограничен набор от свойства на естествените кристали (особено за създаване на полупроводникови лазери) и учените са измислили метод за създаване на кристалоподобни вещества с междинни свойства чрез отглеждане на редуващи се ултратънки слоеве кристали с подобен кристал параметри на решетката.

За разлика от други състояния на агрегация, кристалното състояние е разнообразно. Молекули с еднакъв състав могат да бъдат пакетирани в кристали по различни начини. Физическите и химичните свойства на веществото зависят от метода на опаковане. По този начин вещества с еднакъв химичен състав често всъщност имат различни физични свойства. Такова разнообразие не е типично за течно състояние, но невъзможно за газообразно състояние.

Ако вземем например обикновена готварска сол, лесно можете да видите отделни кристали дори без микроскоп.

Ако искаме да подчертаем, че имаме работа с единичен, отделен кристал, тогава го наричаме монокристал,за да се подчертае, че говорим за натрупване на много кристали, се използва терминът кристален агрегат. Ако отделните кристали в кристален агрегат почти не са фасетирани, това може да се обясни с факта, че кристализацията е започнала едновременно в много точки на веществото и нейната скорост е била доста висока. Растящите кристали са пречка един за друг и пречат на правилното рязане на всеки от тях.

В тази работа ще говорим главно за монокристали и тъй като те са компоненти на кристални агрегати, техните свойства ще бъдат подобни на свойствата на агрегатите.

1. 3 Поликристали

Поликристал- съвкупност от малки кристали от всяко вещество, понякога наричани кристалити или кристални зърна поради тяхната неправилна форма. Много материали от естествен и изкуствен произход (минерали, метали, сплави, керамика и др.) са поликристални.

Свойства и получаване. Свойствата на поликристалите се определят от свойствата на кристалните зърна, които го изграждат, средния им размер, който варира от 1-2 микрона до няколко милиметра (в някои случаи до няколко метра), кристалографската ориентация на зърната и структура на границите на зърната. Ако зърната са произволно ориентирани и техните размери са малки в сравнение с размера на поликристала, тогава анизотропията на физичните свойства, характерна за монокристалите, не се появява в поликристала. Ако поликристалът има преобладаваща кристалографска ориентация на зърната, тогава поликристалът е текстуриран и в този случай има анизотропия на свойствата. Наличието на граници на зърната значително влияе върху физическите, особено механичните свойства на поликристалите, тъй като на границите се случва разсейване на електрони на проводимост, фонони, спиране на дислокации и др.

Поликристалите се образуват по време на кристализация, полиморфни трансформации и в резултат на синтероване на кристални прахове. Поликристалът е по-малко стабилен от монокристала, поради което при продължително отгряване на поликристала се получава рекристализация (преобладаващ растеж на отделни зърна за сметка на други), което води до образуването на големи кристални блокове.

Глава 2. Елементи на кристална симетрия

Понятията симетрия и асиметрия се появяват в науката от древни времена като естетически критерий, а не като строго научни определения. Преди да се появи идеята за симетрия, математиката, физиката и естествените науки като цяло приличаха на отделни острови от идеи, теории и закони, които бяха безнадеждно изолирани една от друга и дори противоречиви. Симетрията характеризира и бележи ерата на синтеза, когато различни фрагменти от научно познание се сливат в една цялостна картина на света. Една от основните тенденции в този процес е математизацията на научното познание.

Симетрията обикновено се разглежда не само като фундаментална картина на научното познание, установяваща вътрешни връзки между системи, теории, закони и концепции, но също така се приписва на атрибути, толкова фундаментални като пространството и времето, движението. В този смисъл симетрията определя структурата на материалния свят и всички негови компоненти. Симетрията има многостранен и многостепенен характер. Например в системата на физическото познание симетрията се разглежда на ниво явления, закони, които описват тези явления, и принципите, лежащи в основата на тези закони, а в математиката - при описание на геометрични обекти. Симетрията може да се класифицира като:

· структурни;

· геометрични;

· динамични, описващи, съответно, кристалографски,

математически и физически аспекти на тази концепция.

Най-простите симетрии могат да бъдат представени геометрично в нашето обикновено триизмерно пространство и следователно са визуални. Такива симетрии са свързани с геометрични операции, които довеждат въпросното тяло до съвпадение със себе си. Те казват, че симетрията се проявява в неизменността (инвариантността) на тялото или системата по отношение на определена операция. Например една сфера (без белези по повърхността й) е инвариантна при всяко въртене. Това показва неговата симетрия. Сфера със знак, например под формата на точка, съвпада със себе си само при завъртане, след което знакът върху него се връща в първоначалното си положение. Нашето триизмерно пространство е изотропно. Това означава, че подобно на сфера без знаци, тя съвпада със себе си при всяко въртене. Пространството е неразривно свързано с материята. Следователно нашата Вселена също е изотропна. Пространството също е хомогенно. Това означава, че тя (и нашата Вселена) има симетрия по отношение на операцията на смяна. Времето има същата симетрия.

В допълнение към простите (геометрични) симетрии във физиката се срещат много сложни, така наречените динамични симетрии, т.е. симетрии, свързани не с пространството и времето, а с определен тип взаимодействие. Те не са визуални и дори най-простите от тях, например т.нар калибровъчни симетрии, е трудно да се обясни, без да се използва доста сложна физическа теория. Някои закони за запазване също съответстват на калибровъчните симетрии във физиката. Например, калибровъчната симетрия на електромагнитните потенциали води до закона за запазване на електрическия заряд.

В хода на обществената практика човечеството е натрупало много факти, свидетелстващи както за строга подреденост, баланс между частите на цялото, така и за нарушения на тази подреденост. В това отношение могат да се разграничат следните пет категории симетрия:

· симетрия;

· асиметрия;

· дисиметрия;

· антисиметрия;

· суперсиметрия.

Асиметрия . Асиметрията е асиметрия, т.е. състояние, в което няма симетрия. Но Кант също каза, че отрицанието никога не е просто изключение или липса на съответно положително съдържание. Например движението е отрицание на предишното му състояние, промяна в даден обект. Движението отрича почивката, но почивката не е липса на движение, тъй като има много малко информация и тази информация е погрешна. Няма липса на почивка, както няма движение, тъй като това са две страни на една и съща същност. Почивката е друг аспект на движението.

Няма и пълна липса на симетрия. Фигура, която няма елемент на симетрия, се нарича асиметрична. Но, строго погледнато, това не е така. В случай на асиметрични фигури, разстройството на симетрията просто се прекратява, но не и до пълната липса на симетрия, тъй като тези фигури все още се характеризират с безкраен брой оси от първи ред, които също са елементи на симетрия.

Асиметрията се свързва с липсата на всички елементи на симетрия в обекта. Такъв елемент е неделим на части. Пример е човешката ръка. Асиметрията е противоположна на симетрията категория, която отразява дисбаланси, съществуващи в обективния свят, свързани с промяна, развитие и преструктуриране на части от цялото. Точно както говорим за движение, което означава единство на движение и покой, така симетрията и асиметрията са две полярни противоположности на обективния свят. В реалната природа няма чиста симетрия и асиметрия. Те винаги са в единство и непрекъсната борба.

На различните нива на развитие на материята има или симетрия (относителен ред), или асиметрия (склонност към нарушаване на мира, движението, развитието), но тези две тенденции винаги са обединени и тяхната борба е абсолютна. Реалните, дори най-съвършените кристали са далеч от кристалите с идеална форма и идеална симетрия, разглеждани в кристалографията в тяхната структура. Те съдържат значителни отклонения от идеалната симетрия. Те също имат елементи на асиметрия: дислокации, ваканции, които влияят на техните физически свойства.

Дефинициите за симетрия и асиметрия показват универсалния, общ характер на симетрията и асиметрията като свойства на материалния свят. Анализът на концепцията за симетрия във физиката и математиката (с редки изключения) има тенденция да абсолютизира симетрията и да тълкува асиметрията като липса на симетрия и ред. Антиподът на симетрията се явява като чисто негативно понятие, но заслужаващо внимание. Значителен интерес към асиметрията възниква в средата на 19 век във връзка с експериментите на Л. Пастьор за изследване и разделяне на стереоизомери.

Дисиметрия . Дисиметрията е вътрешна, или разстроена, симетрия, т.е. на обекта липсват някои елементи на симетрия. Например реките, течащи по земните меридиани, имат един бряг по-висок от другия (в Северното полукълбо десният бряг е по-висок от левия, а в Южното полукълбо – обратното). Според Пастьор дисиметрична фигура е тази, която не може да се комбинира с огледалния си образ чрез проста суперпозиция. Степента на симетрия на дисиметричен обект може да бъде произволно висока. Дисиметрията в най-широкия смисъл на нейното разбиране може да се дефинира като всяка форма на приближение от безкрайно симетричен обект до безкрайно асиметричен.

Антисиметрия . Антисиметрията се нарича противоположна симетрия или симетрия на противоположностите. Свързва се с промяна на знака на фигурата: частици - античастици, изпъкналост - вдлъбнатост, черно - бяло, напрежение - компресия, напред - назад и др. Тази концепция може да се обясни с примера на два чифта черни и бели ръкавици. Ако два чифта черни и бели ръкавици са ушити от парче кожа, чиито две страни са боядисани съответно в бяло и черно, тогава те могат да бъдат разграничени на базата на дясно - ляво, по цвят - черно и бело, в с други думи, на базата на знаковия информатизъм и някой друг знак. Антисиметричната операция се състои от обикновени симетрични операции, придружени от промяна на втория атрибут на фигурата.

Суперсиметрия През последните десетилетия на 20 век започва да се развива модел на суперсиметрия, който е предложен от руските теоретици Гелфанд и Лихтман. Просто казано, тяхната идея беше, че точно както има обикновени измерения на пространството и времето, трябва да има допълнителни измерения, които могат да бъдат измерени в така наречените числа на Грасман. Както каза С. Хокинг, дори писателите на научна фантастика не са мислили за нещо толкова странно като измеренията на Грасман. В нашата обикновена аритметика, ако числото 4, умножено по 6, е същото като 6, умножено по 4. Но странното при числата на Грасман е, че ако X се умножи по Y, тогава то е равно на минус Y, умножено по X. Чувствате Колко далеч е това от нашите класически представи за природата и методите за нейното описание?

Симетрията може да се разглежда и чрез форми на движение или така наречените симетрични операции. Могат да се разграничат следните симетрични операции:

· отражение в равнина на симетрия (отражение в огледало);

въртене около оста на симетрия ( ротационна симетрия);

· отражение в центъра на симетрия (инверсия);

трансфер ( излъчване) фигури от разстояние;

· винтови завои;

· пермутационна симетрия.

Отражение в равнината на симетрия . Отражението е най-известният и най-често срещан тип симетрия в природата. Огледалото възпроизвежда точно това, което „вижда“, но разглежданият ред е обратен: дясната ръка на вашия двойник всъщност ще бъде неговата лява ръка, тъй като пръстите са подредени в обратен ред. Вероятно всеки е запознат с филма „Кралството на кривите огледала“ от детството, където имената на всички герои се четат в обратен ред. Огледалната симетрия може да се намери навсякъде: в листата и цветовете на растенията, архитектурата, орнаментите. Човешкото тяло, ако говорим само за външния му вид, има огледална симетрия, макар и не съвсем строга. Освен това огледалната симетрия е присъща на телата на почти всички живи същества и подобно съвпадение никак не е случайно. Значението на концепцията за огледалната симетрия трудно може да бъде надценено.

Всичко, което може да бъде разделено на две огледални половини, има огледална симетрия. Всяка от половините служи като огледален образ на другата, а равнината, която ги разделя, се нарича равнина на огледално отражение или просто огледална равнина. Тази равнина може да се нарече елемент на симетрия, а съответната операция може да се нарече операция на симетрия . Всеки ден се сблъскваме с триизмерни симетрични модели: това са много съвременни жилищни сгради, а понякога и цели блокове, кутии и кашони, струпани в складове; атомите на вещество в кристално състояние образуват кристална решетка - елемент на триизмерността симетрия. Във всички тези случаи правилното разположение позволява икономично използване на пространството и осигурява стабилност.

Забележителен пример за огледална симетрия в литературата е „променящата се“ фраза: „И розата падна върху лапата на Азор“. . В този ред центърът на огледалната симетрия е буквата „n“, спрямо която всички останали букви (без да се вземат предвид интервалите между думите) са разположени в взаимно противоположен ред.

Ротационна симетрия . Външният вид на шаблона няма да се промени, ако се завърти под определен ъгъл около оста си. Симетрията, която възниква в този случай, се нарича ротационна симетрия . Пример за това е детската игра „въртящо колело“ с ротационна симетрия. В много танци фигурите се основават на ротационни движения, често изпълнявани само в една посока (т.е. без отражение), например кръгли танци.

Листата и цветята на много растения показват радиална симетрия. Това е симетрия, при която листо или цвете, завъртайки се около оста на симетрия, се превръща в себе си. В напречните сечения на тъканите, образуващи корена или стъблото на растението, радиалната симетрия е ясно видима. Съцветията на много цветя също имат радиална симетрия.

Отражение в центъра на симетрията . Пример за обект с най-висока симетрия, характеризиращ тази операция на симетрия, е топката. Топчестите форми са доста разпространени в природата. Те са често срещани в атмосферата (капки мъгла, облаци), хидросферата (различни микроорганизми), литосферата и космоса. Спорите и цветният прашец на растенията, капките вода, изпуснати в състояние на безтегловност на космически кораб, имат сферична форма. На метагалактично ниво най-големите сферични структури са сферичните галактики. Колкото по-плътен е галактическият куп, толкова по-близък е той до сферична форма. Звездните купове също са сферични.

Превод или прехвърляне на фигура от разстояние . Преводът или паралелният трансфер на фигура на разстояние е всеки неограничено повтарящ се модел. Тя може да бъде едноизмерна, двуизмерна, триизмерна. Преводът в една и съща или противоположна посока образува едноизмерен модел. Транслацията в две непаралелни посоки образува двуизмерен модел. Паркет, шарки на тапети, дантелени панделки, пътеки, павирани с тухли или плочки, кристални фигури образуват шарки, които нямат естествени граници. При изучаване на моделите, използвани в книгопечатането, бяха открити същите елементи на симетрия, както при дизайна на подовете с плочки. Декоративните граници са свързани с музиката. В музиката елементите на симетричната конструкция включват операциите на повторение (превод) и обръщане (отражение). Именно тези елементи на симетрия се намират в границите. Въпреки че повечето музика не е строго симетрична, много музикални произведения се основават на симетрични операции. Те са особено забележими в детските песни, които очевидно са толкова лесни за запомняне. Операциите на симетрия се срещат в музиката на Средновековието и Ренесанса, в музиката на бароковата епоха (често в много изтънчена форма). По времето на И.С. Бах, когато симетрията е важен принцип на композицията, един вид музикален пъзел игра става широко разпространена. Един от тях беше да се разгадаят мистериозните "канони". Канон е форма на полифонична музика, базирана на изпълнение на тема, водена от един глас в други гласове. Композиторът щеше да предложи тема, а слушателите трябваше да отгатнат операциите на симетрия, които той възнамеряваше да използва при повтарянето на темата.

Природата поставя пъзели от противоположния тип: предлага ни се завършен канон и ние трябва да намерим правилата и мотивите, които са в основата на съществуващите модели и симетрия, и обратно, да търсим модели, които възникват при повтаряне на мотив според различни правила. Първият подход води до изследване на структурата на материята, изкуството, музиката и мисленето. Вторият подход ни изправя пред проблема за дизайна или плана, който занимава художници, архитекти, музиканти и учени от древни времена.

Винтови завои . Транслацията може да се комбинира с отражение или ротация, което създава нови симетрични операции. Завъртане с определен брой градуси, придружено от транслация на разстояние по оста на въртене, генерира спирална симетрия - симетрията на вита стълба. Пример за спирална симетрия е разположението на листата върху стъблото на много растения. Главата на слънчогледа има издънки, разположени в геометрични спирали, развиващи се от центъра навън. Най-младите членове на спиралата са в центъра. В такива системи могат да се забележат две семейства спирали, развиващи се в противоположни посоки и пресичащи се под ъгли, близки до прави линии. Но колкото и интересни и привлекателни да са проявите на симетрия в растителния свят, все още има много тайни, които контролират процесите на развитие. Следвайки Гьоте, който говори за тенденцията на природата към спирала, можем да предположим, че това движение се извършва по логаритмична спирала, като всеки път започва от централна, фиксирана точка и комбинира постъпателно движение (разтягане) с въртене.

Комутационна симетрия . По-нататъшното разширяване на броя на физическите симетрии е свързано с развитието на квантовата механика. Един от специалните видове симетрия в микрокосмоса е пермутационната симетрия. Тя се основава на фундаменталната неразличимост на идентични микрочастици, които не се движат по определени траектории и техните позиции се оценяват според вероятностни характеристики, свързани с квадрата на модула на вълновата функция. Комутационната симетрия се състои в това, че когато квантовите частици се „пренареждат“, вероятностните характеристики не се променят; квадратът на модула на вълновата функция е постоянна стойност.

Симетрия на подобието . Друг вид симетрия е симетрията на подобието, свързана с едновременното увеличаване или намаляване на подобни части на фигурата и разстоянията между тях. Пример за този вид симетрия е матрьошката. Такава симетрия е много разпространена в живата природа. Доказва се от всички растящи организми.

Проблемите със симетрията играят решаваща роля в съвременната физика. Динамичните закони на природата се характеризират с определени видове симетрия. В общ смисъл симетрията на физическите закони означава тяхната инвариантност по отношение на определени трансформации. Трябва също така да се отбележи, че разглежданите типове симетрия имат определени граници на приложимост. Например, симетрията на дясно и ляво съществува само в областта на силни електромагнитни взаимодействия, но се нарушава при слаби. Изотопната инвариантност е валидна само когато се вземат предвид електромагнитните сили. За да приложите концепцията за симетрия, можете да въведете определена структура, която взема предвид четири фактора:

· обект или явление, което се изучава;

· трансформация, по отношение на която се разглежда симетрията;

· Инвариантност на каквито и да е свойства на обект или явление, изразяващи въпросната симетрия. Връзка между симетрията на физичните закони и законите за запазване;

· граници на приложимост на различните видове симетрия.

Изследването на свойствата на симетрията на физическите системи или закони изисква използването на специален математически анализ, предимно концепциите на теорията на групите, която в момента е най-развита във физиката на твърдото тяло и кристалографията.

Глава 3. Видове дефекти в твърди тела

Всички реални твърди вещества, както монокристални, така и поликристални, съдържат така наречените структурни дефекти, видовете, концентрациите и поведението на които са много разнообразни и зависят от естеството, условията на получаване на материалите и естеството на външните влияния. Повечето дефекти, създадени от външни влияния, са термодинамично нестабилни и състоянието на системата в този случай е възбудено (неравновесно). Такива външни влияния могат да бъдат температура, налягане, облъчване с частици и високоенергийни кванти, въвеждане на примеси, фазово втвърдяване по време на полиморфни и други трансформации, механични ефекти и др. Преходът към равновесно състояние може да се осъществи по различни начини и, като правило се реализира чрез поредица от метастабилни състояния.

Дефекти от същия тип, взаимодействайки с дефекти от същия или друг тип, могат да унищожат или да образуват нови асоциации от дефекти. Тези процеси са придружени от намаляване на енергията на системата.

Въз основа на броя на посоките N, в които се простира нарушението на периодичното подреждане на атомите в кристалната решетка, причинено от даден дефект, се разграничават дефекти:

· Точкова (нулевомерна, N=0);

· Линеен (едномерен, N=1);

· Повърхност (двумерна, N=2);

· Обем (триизмерен, N=3);

Сега ще разгледаме подробно всеки дефект.

3.1 Точкови дефекти

Към нулево измерение (или точка) кристалните дефекти включват всички дефекти, които са свързани с изместването или заместването на малка група атоми, както и с примеси. Те възникват при нагряване, легиране, при растеж на кристали и в резултат на излагане на радиация. Те могат да бъдат въведени и в резултат на имплантиране. Свойствата на такива дефекти и механизмите на тяхното образуване са най-добре проучени, включително движение, взаимодействие, анихилация и изпаряване.

· Ваканция – свободен, незает атом, възел на кристалната решетка.

· Собствен интерстициален атом - атом на главния елемент, разположен в интерстициалната позиция на елементарната клетка.

· Заместване на примесен атом - заместване на атом от един вид с атом от друг вид във възел на кристалната решетка. Позициите на заместване могат да съдържат атоми, които се различават относително малко по размер и електронни свойства от основните атоми.

· Интерстициален примесен атом – примесният атом се намира в междинните пространства на кристалната решетка. В металите интерстициалните примеси обикновено са водород, въглерод, азот и кислород. В полупроводниците това са примеси, които създават дълбоки енергийни нива в забранената лента, като мед и злато в силиций.

Комплекси, състоящи се от няколко точкови дефекта, също често се наблюдават в кристалите, например дефект на Френкел (свободно място + собствен интерстициален атом), биваканция (вакантно място + празно място), А-център (вакантно място + кислороден атом в силиций и германий) и др.

Термодинамика на точковите дефекти.Точковите дефекти увеличават енергията на кристала, тъй като за образуването на всеки дефект е изразходвано определено количество енергия. Еластичната деформация причинява много малка част от енергията на образуване на ваканции, тъй като изместването на йони не надвишава 1% и съответната енергия на деформация е десети от eV. По време на образуването на интерстициален атом изместването на съседни йони може да достигне 20% от междуатомното разстояние, а съответната енергия на еластична деформация на решетката може да достигне няколко eV. Основната част от образуването на точков дефект е свързана с нарушаване на периодичността на атомната структура и силите на свързване между атомите. Точковият дефект в метала взаимодейства с целия електронен газ. Премахването на положителен йон от място е еквивалентно на въвеждане на точков отрицателен заряд; електроните на проводимостта се отблъскват от този заряд, което води до увеличаване на тяхната енергия. Теоретичните изчисления показват, че енергията на образуване на ваканция в fcc решетката на медта е около 1 eV, а на интерстициален атом е от 2,5 до 3,5 eV.

Въпреки увеличаването на кристалната енергия по време на образуването на собствените му точкови дефекти, те могат да бъдат в термодинамично равновесие в решетката, тъй като тяхното образуване води до увеличаване на ентропията. При повишени температури нарастването на ентропийния член TS на свободната енергия поради образуването на точкови дефекти компенсира нарастването на общата енергия на кристала U, а свободната енергия се оказва минимална.

Равновесна концентрация на свободни работни места:

Където д 0 - енергия за образуване на едно свободно място, к- константа на Болцман, T- абсолютна температура. Същата формула е валидна за интерстициалните атоми. Формулата показва, че концентрацията на празни места трябва силно да зависи от температурата. Формулата за изчисление е проста, но точните количествени стойности могат да бъдат получени само чрез познаване на енергийната стойност на образуването на дефекти. Много е трудно да се изчисли тази стойност теоретично, така че човек трябва да се задоволи само с приблизителни оценки.

Тъй като енергията на образуване на дефект е включена в експонентата, тази разлика причинява огромна разлика в концентрацията на свободни места и интерстициални атоми. Така при 1000 °C в медта концентрацията на интерстициалните атоми е само 10?39, което е с 35 порядъка по-малко от концентрацията на свободни места при тази температура. В плътни опаковки, които са характерни за повечето метали, е много трудно да се образуват интерстициални атоми и празните места в такива кристали са основните точкови дефекти (без да се броят примесните атоми).

Миграция на точкови дефекти.Атомите, подложени на вибрационно движение, непрекъснато обменят енергия. Поради произволността на топлинното движение енергията се разпределя неравномерно между различните атоми. В даден момент един атом може да получи такъв излишък от енергия от своите съседи, че да заеме съседна позиция в решетката. Така се осъществява миграцията (движението) на точковите дефекти в обема на кристалите.

Ако един от атомите около празно място се премести на свободно място, тогава празното място съответно ще се премести на своето място. Последователни елементарни актове на изместване на определено празно място се извършват от различни атоми. Фигурата показва, че в слой от плътно опаковани топки (атоми), за да се премести една от топките на свободно място, тя трябва да избута топки 1 и 2 една от друга, за да се премести от позиция във възел, където енергията на атома е минимална, до съседен свободен възел, където енергията също е минимална, атомът трябва да премине през състояние с повишена потенциална енергия и да преодолее енергийната бариера. За това е необходимо атомът да получи от своите съседи излишък от енергия, който губи, докато „изстисква“ в нова позиция. Височината на енергийната бариера E m се нарича енергия за активиране на миграция на свободни работни места.

Източници и поглътители на точкови дефекти.Основен източник и приемник на точкови дефекти са линейните и повърхностните дефекти. В големите перфектни монокристали е възможно разлагането на пренаситен твърд разтвор на собствените му точкови дефекти с образуването на т.нар. микродефекти.

Комплекси от точкови дефекти.Най-простият комплекс от точкови дефекти е бивакансия (дивакансия): две свободни места, разположени в съседни места на решетката. Комплекси, състоящи се от два или повече примесни атома, както и примесни атоми и техните собствени точкови дефекти, играят основна роля в металите и полупроводниците. По-специално, такива комплекси могат значително да повлияят на якостта, електрическите и оптичните свойства на твърдите вещества.

3.2 Линейни дефекти

Едномерните (линейни) дефекти са кристални дефекти, чийто размер в една посока е много по-голям от параметъра на решетката, а в другите две - сравним с него. Линейните дефекти включват дислокации и дисклинации. Обща дефиниция: дислокацията е границата на област на непълно срязване в кристал. Дислокациите се характеризират с вектор на срязване (вектор на Бюргерс) и ъгъл μ между него и линията на дислокация. Когато μ = 0, дислокацията се нарича винтова дислокация; при c=90° - ръб; под други ъгли се смесва и след това може да се разложи на спирални и ръбови компоненти. По време на растежа на кристалите възникват дислокации; при пластичната му деформация и в много други случаи. Тяхното разпределение и поведение при външни въздействия определят най-важните механични свойства, по-специално като якост, пластичност и др. Дисклинацията е границата на областта на непълно въртене в кристала. Характеризира се с вектор на въртене.

3.3 Повърхностни дефекти

Основният представителен дефект на този клас е повърхността на кристала. Други случаи са границите на зърната на даден материал, включително граници с нисък ъгъл (представляващи асоциации на дислокации), равнини на близнаци, фазови интерфейси и др.

3.4 Обемни дефекти

Те включват групи от свободни места, които образуват пори и канали; частици, отложени върху различни дефекти (декориране), например газови мехурчета, мехурчета от матерната луга; натрупвания на примеси под формата на сектори (пясъчни часовници) и зони на растеж. По правило това са пори или включвания на примесни фази. Те са конгломерат от много дефекти. Произход: нарушаване на режимите на растеж на кристали, разлагане на пренаситен твърд разтвор, замърсяване на пробите. В някои случаи (например по време на втвърдяване на валежите) обемните дефекти се въвеждат специално в материала, за да се модифицират неговите физични свойства.

Глава 4. Полученобез кристали

Развитието на науката и технологиите доведе до факта, че много скъпоценни камъни или просто кристали, които рядко се срещат в природата, станаха много необходими за производството на части от устройства и машини, за научни изследвания. Търсенето на много кристали се е увеличило толкова много, че е било невъзможно да се задоволи чрез разширяване на мащаба на производството на стари и търсене на нови природни находища.

В допълнение, много клонове на технологиите и особено научните изследвания все повече изискват единични кристали с много висока химическа чистота с перфектна кристална структура. Кристалите, открити в природата, не отговарят на тези изисквания, тъй като растат в условия, които са много далеч от идеалните.

Така възникна задачата да се разработи технология за изкуствено производство на монокристали на много елементи и химични съединения.

Разработването на сравнително прост метод за създаване на „скъпоценен камък“ води до факта, че той престава да бъде ценен. Това се обяснява с факта, че повечето скъпоценни камъни са кристали от химични елементи и съединения, широко разпространени в природата. Така диамантът е въглероден кристал, рубинът и сапфирът са кристали от алуминиев оксид с различни примеси.

Нека разгледаме основните методи за отглеждане на монокристали. На пръв поглед може да изглежда, че кристализацията от стопилка е много проста. Достатъчно е веществото да се нагрее над точката му на топене, да се получи стопилка и след това да се охлади. По принцип това е правилният начин, но ако не се вземат специални мерки, в най-добрия случай ще получите поликристална проба. И ако експериментът се проведе, например, с кварц, сяра, селен, захар, които в зависимост от скоростта на охлаждане на стопилките им могат да се втвърдят в кристално или аморфно състояние, тогава няма гаранция, че аморфното тяло няма да се получи.

За да се отгледа един единствен кристал, бавното охлаждане не е достатъчно. Необходимо е първо да се охлади една малка област от стопилката и да се получи "нуклеация" на кристал в нея и след това, последователно охлаждане на стопилката около "нуклеацията", да се позволи на кристала да расте в целия обем на стопявам. Този процес може да се постигне чрез бавно спускане на тигел, съдържащ стопилката, през отвор във вертикална тръбна пещ. Кристалът се заражда на дъното на тигела, тъй като първо навлиза в областта на по-ниски температури и след това постепенно нараства в целия обем на стопилката. Дъното на тигела е специално стеснено, заострено на конус, така че в него да може да се намира само едно кристално ядро.

Този метод често се използва за отглеждане на кристали от цинк, сребро, алуминий, мед и други метали, както и натриев хлорид, калиев бромид, литиев флуорид и други соли, използвани в оптичната индустрия. За един ден можете да отгледате кристал каменна сол с тегло около килограм.

Недостатъкът на описания метод е замърсяването на кристалите от материала на тигела. свойство на симетрия на кристалния дефект

Безтигелният метод за отглеждане на кристали от стопилка, който се използва за отглеждане например на корунд (рубини, сапфири), няма този недостатък. Най-финият прах от алуминиев оксид от зърна с размер 2-100 микрона се излива на тънка струя от бункера, преминава през кислородно-водороден пламък, разтопява се и пада под формата на капки върху прът от огнеупорен материал. Температурата на пръта се поддържа малко под точката на топене на алуминиевия оксид (2030°C). Капки алуминиев оксид се охлаждат върху него и образуват кора от синтерована корундова маса. Часовниковият механизъм бавно (10-20 mm/h) спуска пръта надолу и върху него постепенно израства нешлифован корундов кристал с форма на обърната круша, така нареченото буле.

Както в природата, получаването на кристали от разтвор се свежда до два метода. Първият от тях се състои в бавно изпаряване на разтворителя от наситен разтвор, а вторият в бавно понижаване на температурата на разтвора. Вторият метод се използва по-често. Като разтворители се използват вода, алкохоли, киселини, разтопени соли и метали. Недостатък на методите за отглеждане на кристали от разтвор е възможността за замърсяване на кристалите с частици разтворител.

Кристалът расте от тези области на пренаситения разтвор, които го заобикалят непосредствено. В резултат на това разтворът близо до кристала се оказва по-малко пренаситен, отколкото далеч от него. Тъй като пренаситеният разтвор е по-тежък от наситения, винаги има възходящ поток от „използван“ разтвор над повърхността на растящия кристал. Без такова разбъркване на разтвора растежът на кристалите бързо ще спре. Поради това разтворът често се разбърква допълнително или кристалът се фиксира върху въртящ се държач. Това ви позволява да отглеждате по-напреднали кристали.

Колкото по-ниска е скоростта на растеж, толкова по-добри са получените кристали. Това правило важи за всички методи на отглеждане. Захарта и трапезната сол могат лесно да се получат от воден разтвор у дома. Но, за съжаление, не всички кристали могат да се отглеждат толкова просто. Например, производството на кварцови кристали от разтвор става при температура от 400 ° C и налягане от 1000 at.

Глава 5. Свойства на кристалите

Разглеждайки различни кристали, виждаме, че всички те са различни по форма, но всеки от тях представлява симетрично тяло. Всъщност симетрията е едно от основните свойства на кристалите. Наричаме телата симетрични, ако се състоят от равни, еднакви части.

Всички кристали са симетрични. Това означава, че във всеки кристален полиедър могат да се намерят равнини на симетрия, оси на симетрия, центрове на симетрия и други елементи на симетрия, така че идентични части на полиедъра да пасват една към друга. Нека въведем още едно понятие, свързано със симетрията - полярността.

Всеки кристален полиедър има определен набор от елементи на симетрия. Пълният набор от всички елементи на симетрия, присъщи на даден кристал, се нарича клас на симетрия. Броят им е ограничен. Математически е доказано, че има 32 вида симетрия в кристалите.

Нека разгледаме по-подробно видовете симетрия в кристала. Първо, кристалите могат да имат оси на симетрия само от 1, 2, 3, 4 и 6 реда. Очевидно оси на симетрия от 5-ти, 7-ми и по-високи порядъци не са възможни, тъй като при такава структура атомните редове и мрежи няма да запълват непрекъснато пространството; между равновесните позиции на атомите ще се появят празнини и празнини. Атомите няма да бъдат в най-стабилните позиции и кристалната структура ще се срути.

В кристален полиедър можете да намерите различни комбинации от елементи на симетрия - някои имат малко, други имат много. Според симетрията, предимно по осите на симетрия, кристалите се делят на три категории.

Най-високата категория включва най-симетричните кристали; могат да имат няколко оси на симетрия от порядък 2, 3 и 4, без оси от 6-ти ред, те могат да имат равнини и центрове на симетрия. Тези форми включват куб, октаедър, тетраедър и т.н. Всички те имат обща характеристика: те са приблизително еднакви във всички посоки.

Кристалите от средната категория могат да имат оси от 3, 4 и 6 порядъка, но само един по един. Може да има няколко оси от порядък 2; възможни са равнини на симетрия и центрове на симетрия. Формите на тези кристали: призми, пирамиди и др. Обща характеристика: рязка разлика по протежение и напречно на главната ос на симетрия.

Кристалите в най-високата категория включват: диамант, кварц, германий, силиций, мед, алуминий, злато, сребро, сив калай, волфрам, желязо. Към средната категория: графит, рубин, кварц, цинк, магнезий, бял калай, турмалин, берил. Към най-ниските: гипс, слюда, меден сулфат, рошелска сол и др. Разбира се, този списък не изброява всички съществуващи кристали, а само най-известните от тях.

Категориите от своя страна са разделени на седем системи. В превод от гръцки "сингония" означава "подобен ъгъл". Кристалите с еднакви оси на симетрия и следователно с подобни ъгли на въртене в структурата се обединяват в кристална система.

Физичните свойства на кристалите най-често зависят от тяхната структура и химичен състав.

Първо, струва си да споменем две основни свойства на кристалите. Една от тях е анизотропията. Този термин означава промяна в свойствата в зависимост от посоката. В същото време кристалите са хомогенни тела. Хомогенността на кристалното вещество се състои в това, че двете му части с еднаква форма и еднаква ориентация имат еднакви свойства.

Нека поговорим първо за електрическите свойства. По принцип електрическите свойства на кристалите могат да се разглеждат на примера на металите, тъй като металите в едно от техните състояния могат да бъдат кристални агрегати. Електроните, които се движат свободно в метала, не могат да излязат навън; Ако в този случай се изразходва лъчиста енергия, ефектът на отвличане на електрони предизвиква така наречения фотоелектричен ефект. Подобен ефект се наблюдава при монокристалите. Електрон, откъснат от молекулната орбита, оставайки вътре в кристала, причинява метална проводимост в последния (вътрешен фотоелектричен ефект). При нормални условия (без облъчване) такива връзки не са проводници на електрически ток.

Поведението на светлинните вълни в кристалите е изследвано от Е. Бертолин, който пръв забелязва, че вълните се държат нестандартно при преминаване през кристал. Един ден Берталин скицира двустенните ъгли на исландски шпат, след това постави кристала върху чертежите и тогава ученият видя за първи път, че всяка линия се раздвоява. Той беше убеден няколко пъти, че всички кристали на шпата раздвояват светлината, едва тогава Берталин написа трактат „Експерименти с двупречупващ исландски кристал, който доведе до откриването на прекрасно и необикновено пречупване“ (1669). Ученият изпраща резултатите от експериментите си на отделни учени и академии в няколко страни. Творбите бяха приети с пълно недоверие. Английската академия на науките отдели група учени, за да тестват този закон (Нютон, Бойл, Хук и др.). Тази авторитетна комисия призна явлението за случайно, а закона за несъществуващ. Резултатите от експериментите на Берталин бяха забравени.

Само 20 години по-късно Кристиан Хюйгенс потвърждава правилността на откритието на Берталин и сам открива двойното пречупване в кварца. Много учени, които впоследствие изследваха това свойство, потвърдиха, че не само исландският шпат, но и много други кристали разделят светлината.

...

Подобни документи

Кристална структура. Роля, предмет и задачи на физиката на твърдото тяло. Кристални и аморфни тела. Видове кристални решетки. Видове връзки в кристалите. Кристални структури на твърди тела. Течни кристали. Кристални дефекти.

лекция, добавена на 13.03.2007 г


Концепцията и основните характеристики на кондензираното състояние на материята, характерни процеси. Кристални и аморфни тела. Същността и характеристиките на кристалната анизотропия. Отличителни черти на поликристалите и полимерите. Топлинни свойства и структура на кристалите.

курс на лекции, добавен на 21.02.2009 г


Общи свойства на твърдо тяло, неговото състояние. Локализирани и делокализирани състояния на твърди, отличителни характеристики. Същност, видове химични връзки в твърди тела. Локални и нелокални описания в неизкривени решетки. Точкови дефекти.

урок, добавен на 21.02.2009 г


Кристалите са истински твърди вещества. Термодинамика на точковите дефекти в кристалите, тяхната миграция, източници и поглътители. Изследване на дислокация, линеен дефект в кристалната структура на твърдите тела. Двумерни и тримерни дефекти. Аморфни твърди вещества.

доклад, добавен на 01/07/2015


Физиката на твърдото тяло е един от стълбовете, върху които се крепи съвременното технологично общество. Физическа структура на твърдите тела. Симетрия и класификация на кристалите. Характеристики на деформация и напрежение. Кристални дефекти, начини за увеличаване на якостта.

презентация, добавена на 12.02.2010 г


Добавяне на елементи на дисконтинуална симетрия. Последователно отражение в две успоредни равнини на симетрия. Сумата от равнината на симетрия и транслацията, перпендикулярна на нея. Характеристики на действието на транслационния вектор върху перпендикулярните на него оси.

презентация, добавена на 23.09.2013 г


Кристални и аморфни състояния на твърди тела, причини за точкови и линейни дефекти. Нуклеация и растеж на кристали. Изкуствено производство на скъпоценни камъни, твърди разтвори и течни кристали. Оптични свойства на холестеричните течни кристали.

резюме, добавено на 26.04.2010 г


Фотоелектрични свойства на нехомогенни полупроводникови образци. Енергийна структура на омичен контакт при наличие на неравномерно разпределени електронни капани. Фотоелектрични свойства на кристали, обработени в газоразряд.

дисертация, добавена на 18.03.2008 г


Дефекти в реални кристали, принцип на работа на биполярни транзистори. Изкривяване на кристалната решетка в интерстициални и заместващи твърди разтвори. Повърхностни явления в полупроводници. Параметри на транзистора и коефициент на предаване на емитерния ток.

тест, добавен на 22.10.2009 г


Водородната връзка във вода, нейните основни критерии. Аномални свойства на водата. Концепцията за електролиза и електролити. Електрокристализация и нейните закони. Динамика на мрежа от водородни връзки по време на електрокристализацията на водата. Кристални и аморфни ледове.

4. . 5. . 6. . 7. .

Всеки може лесно да раздели телата на твърди и течни. Това разделение обаче ще се основава само на външни признаци. За да разберем какви свойства имат твърдите тела, ще ги нагреем. Някои тела ще започнат да горят (дърва, въглища) - това са органични вещества. Други ще омекнат (смола) дори при ниски температури - тези са аморфни. Специална група твърди вещества се състои от тези, за които зависимостта на температурата от времето на нагряване е показана на фигура 12. Това са кристални твърди вещества. Това поведение на кристалните тела при нагряване се обяснява с тяхната вътрешна структура. Кристални тела- това са тела, чиито атоми и молекули са подредени в определен ред и този ред се запазва на доста голямо разстояние. Пространственото периодично разположение на атомите или йоните в кристала се нарича кристална решетка. Точките на кристалната решетка, в които са разположени атоми или йони, се наричат ​​възли на решетката.

Кристалните тела са или монокристали, или поликристали. Монокристалима единична кристална решетка в целия си обем.

Анизотропиямонокристалите се крие в зависимостта на техните физични свойства от посоката. ПоликристалТова е комбинация от малки, различно ориентирани монокристали (зърна) и няма анизотропия на свойствата. Повечето твърди вещества имат поликристална структура (минерали, сплави, керамика).

Основните свойства на кристалните тела са: сигурност на точката на топене, еластичност, якост, зависимост на свойствата от реда на подреждане на атомите, т.е. от вида на кристалната решетка.

Аморфенса вещества, които нямат ред в подреждането на атомите и молекулите в целия обем на това вещество. За разлика от кристалните вещества, аморфните вещества изотропен. Това означава, че свойствата са еднакви във всички посоки. Преходът от аморфно състояние към течност става постепенно; няма специфична точка на топене. Аморфните тела нямат еластичност, те са пластични. В аморфно състояние са различни вещества: стъкло, смоли, пластмаси и др.

Еластичност- свойството на телата да възстановяват своята форма и обем след прекратяване на външни сили или други причини, които са причинили деформацията на телата. Според естеството на преместването на частиците на твърдо тяло, деформациите, възникващи при промяна на формата му, се разделят на: напрежение - натиск, срязване, усукване и огъване. За еластичните деформации е в сила законът на Хук, според който еластичните деформации са правопропорционални на външните въздействия, които ги предизвикват. За деформация на опън и натиск законът на Хук има формата: , където е механично напрежение, е относително удължение, е абсолютно удължение, е модул на Юнг (еластичен модул). Еластичността се дължи на взаимодействието и топлинното движение на частиците, изграждащи веществото.

В зависимост от физичните свойства и молекулния строеж се разграничават два основни класа твърди вещества – кристални и аморфни.

Определение 1

Аморфните тела имат такава характеристика като изотропия. Тази концепция означава, че те са относително независими от оптичните, механичните и други физически свойства и посоката, в която външните сили действат върху тях.

Основната характеристика на афморичните тела е хаотичното подреждане на атоми и молекули, които се събират само в малки локални групи, не повече от няколко частици във всяка.

Това свойство доближава аморфните тела до течностите. Такива твърди вещества включват кехлибар и други твърди смоли, различни видове пластмаса и стъкло. Под въздействието на високи температури аморфните тела се размекват, но за превръщането им в течност е необходима силна топлина.

Всички кристални тела имат ясна вътрешна структура. Групи от частици в един и същи ред периодично се повтарят в целия обем на такова тяло. За визуализиране на такава структура обикновено се използват пространствени кристални решетки. Те се състоят от определен брой възли, които образуват центрове на молекули или атоми на определено вещество. Обикновено такава решетка е изградена от йони, които са част от желаните молекули. Така в трапезната сол вътрешната структура се състои от натриеви и хлорни йони, комбинирани по двойки в молекули. Такива кристални тела се наричат ​​йонни.

Фигура 3. 6. 1 . Кристална решетка на трапезна сол.

Определение 2

В структурата на всяко вещество може да се разграничи един минимален компонент - единична клетка.

Цялата решетка, от която е съставено кристалното тяло, може да бъде съставена чрез транслация (паралелен трансфер) на такава клетка в определени посоки.

Броят на видовете кристални решетки не е безкраен. Има общо 230 вида, повечето от които са изкуствено създадени или открити в естествени материали. Структурните решетки могат да бъдат под формата на центрирани по тялото кубове (например за желязо), кубчета с лицев център (за злато, мед) или призма с шест лица (магнезий, цинк).

От своя страна кристалните тела се делят на поликристали и монокристали. Повечето вещества принадлежат към поликристалите, т.к те се състоят от така наречените кристалити. Това са малки кристали, слети заедно и произволно ориентирани. Монокристалните вещества са относително редки, дори сред изкуствените материали.

Определение 3

Поликристалите имат свойството изотропия, тоест еднакви свойства във всички посоки.

Поликристалната структура на тялото се вижда ясно под микроскоп, а за някои материали, като чугуна, дори и с просто око.

Определение 4

Полиморфизъм– е способността на едно вещество да съществува в няколко фази, т.е. кристални модификации, които се различават една от друга по физични свойства.

Процесът на преминаване към друга модификация се нарича полиморфен преход.

Пример за подобно явление може да бъде превръщането на графит в диамант, което в индустриални условия се случва при високо налягане (до 100 000 атмосфери) и високи температури
(до 2000 K).

За изследване на структурата на решетката на монокристален или поликристален образец се използва рентгенова дифракция.

Прости кристални решетки са показани на фигурата по-долу. Трябва да се има предвид, че разстоянието между частиците е толкова малко, че е сравнимо с размера на самите частици. За по-голяма яснота диаграмите показват само позициите на центровете.

Фигура 3. 6. 2. Прости кристални решетки: 1 – проста кубична решетка; 2 – гранецентрирана кубична решетка; 3 – телецентрична кубична решетка; 4 – шестоъгълна решетка.

Най-простата е кубичната решетка: такава структура се състои от кубчета с частици във върховете. Лицецентрирана решетка има частици не само във върховете, но и по лицата. Например, кристалната решетка на трапезната сол се състои от две центрирани решетки, вложени една в друга. Решетка, центрирана върху тялото, има допълнителни частици в центъра на всеки куб.

Металните решетки имат една важна характеристика. Йоните на дадено вещество се задържат на място чрез взаимодействие с газ от свободни електрони. Така нареченият електронен газ се образува от един или повече електрони, отдадени от атоми. Такива свободни електрони могат да се движат по целия обем на кристала.

Фигура 3. 6. 3. Структура на метален кристал.

Ако забележите грешка в текста, моля, маркирайте я и натиснете Ctrl+Enter

Като течност, но и форма. Те са предимно в кристално състояние.
кристали- това са твърди тела, чиито атоми или молекули заемат определени, подредени позиции в пространството. Следователно кристалите имат плоски ръбове. Например зърно обикновена трапезна сол има плоски ръбове, които образуват прави ъгли един с друг ( Фиг.12.1).

Това може да се види, като се разгледа солта с лупа. И колко правилна е геометрично формата на снежинката! Той също така отразява геометричната правилност на вътрешната структура на кристално твърдо вещество - лед ( Фиг.12.2).

Анизотропия на кристали. Правилната външна форма обаче не е единственото или дори най-важното следствие от подредената структура на кристала. Основното нещо е зависимост на физичните свойства на кристала от избраната посока в кристала.
На първо място прави впечатление различната механична якост на кристалите в различни посоки. Например, парче слюда лесно се ексфолира в една посока на тънки пластини ( Фиг.12.3), но е много по-трудно да се счупи в посока, перпендикулярна на плочите.

Графитният кристал също лесно се ексфолира в една посока. Когато пишете с молив, това разслояване става непрекъснато и върху хартията остават тънки слоеве графит. Това се случва, защото кристалната решетка на графита има слоеста структура. Слоевете са образувани от серия от паралелни мрежи, състоящи се от въглеродни атоми ( Фиг.12.4). Атомите са разположени във върховете на правилните шестоъгълници. Разстоянието между слоевете е сравнително голямо - около 2 пъти дължината на страната на шестоъгълника, така че връзките между слоевете са по-слаби от връзките вътре в тях.

Много кристали провеждат топлина и електричество по различен начин в различни посоки. От посоката зависят и оптичните свойства на кристалите. Така кварцовият кристал пречупва светлината по различен начин в зависимост от посоката на падащите върху него лъчи.
Зависимостта на физичните свойства от посоката вътре в кристала се нарича анизотропия. Всички кристални тела са анизотропни.
Монокристали и поликристали.Металите имат кристална структура. Това са металите, които днес се използват главно за производството на инструменти, различни машини и механизми.
Ако вземете сравнително голямо парче метал, тогава на пръв поглед неговата кристална структура не се появява по никакъв начин нито във външния вид на това парче, нито във физическите му свойства. Металите в нормалното си състояние не проявяват анизотропия.
Въпросът тук е, че металът обикновено се състои от огромен брой малки кристали, слети заедно. Под микроскоп или дори с лупа е лесно да ги видите, особено върху прясна метална фрактура ( Фиг.12.5). Свойствата на всеки кристал зависят от посоката, но кристалите са произволно ориентирани един спрямо друг. В резултат на това в обем, значително по-голям от обема на отделните кристали, всички посоки в металите са еднакви и свойствата на металите са еднакви във всички посоки.

Твърдо вещество, състоящо се от голям брой малки кристали, се нарича поликристален. Монокристалите се наричат единични кристали.
Като се вземат големи предпазни мерки, е възможно да се отгледа голям метален кристал - единичен кристал.
При нормални условия се образува поликристално тяло в резултат на факта, че растежът на много кристали, който е започнал, продължава, докато не влязат в контакт един с друг, образувайки едно тяло.
Поликристалите включват не само метали. Едно парче захар, например, също има поликристална структура.
Повечето кристални твърди вещества са поликристали, тъй като те се състоят от много сраснали кристали. Монокристали - монокристалите имат правилна геометрична форма, като свойствата им са различни в различни посоки (анизотропия).

???
1. Всички кристални тела анизотропни ли са?
2. Дървесината е анизотропна. Кристално тяло ли е?
3. Дайте примери за монокристални и поликристални твърди тела, които не са споменати в текста.

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Соцки, Физика 10 клас

Съдържание на урока бележки към уроцитеподдържаща рамка презентация урок методи ускорение интерактивни технологии Практикувайте задачи и упражнения самопроверка работилници, обучения, казуси, куестове домашна работа въпроси за дискусия риторични въпроси от ученици Илюстрации аудио, видео клипове и мултимедияснимки, картинки, графики, таблици, диаграми, хумор, анекдоти, вицове, комикси, притчи, поговорки, кръстословици, цитати Добавки резюметастатии трикове за любознателните ясли учебници основен и допълнителен речник на термините други Подобряване на учебниците и уроцитекоригиране на грешки в учебникаактуализиране на фрагмент в учебник, елементи на иновация в урока, замяна на остарели знания с нови Само за учители перфектни уроцикалендарен план за годината;методически препоръки; Интегрирани уроци

Ако имате корекции или предложения за този урок,