Kristal se razlikuje od amorfne čvrste supstance. Kristalna i amorfna tijela: struktura i svojstva. Koordinacioni broj c.n.

Čvrsta tijela su kristalna i amorfna tijela. Kristal je ono kako se led zvao u antičko doba. A onda su kvarc počeli nazivati ​​kristalom i smatrali te minerale okamenjenim ledom. Kristali su prirodni i koriste se u industriji nakita, optici, radiotehnici i elektronici, kao nosači elemenata u ultra preciznim instrumentima, kao ultratvrdi abrazivni materijal.

Kristalna tijela odlikuju se tvrdoćom i imaju strogo pravilan položaj u prostoru molekula, jona ili atoma, što rezultira formiranjem trodimenzionalne periodične kristalne rešetke (strukture). Izvana, to se izražava određenom simetrijom oblika čvrstog tijela i njegovim određenim fizičkim svojstvima. U svom spoljašnjem obliku, kristalna tela odražavaju simetriju svojstvenu unutrašnjem „pakovanju“ čestica. Ovo određuje jednakost uglova između strana svih kristala koji se sastoje od iste supstance.

U njima će udaljenosti od centra do centra između susjednih atoma također biti jednake (ako se nalaze na istoj pravoj liniji, tada će ova udaljenost biti ista duž cijele dužine linije). Ali za atome koji leže na pravoj liniji s različitim smjerom, udaljenost između centara atoma bit će različita. Ova okolnost objašnjava anizotropiju. Anizotropija je glavna razlika između kristalnih tijela i amorfnih.

Više od 90% čvrstih materija može se klasifikovati kao kristali. U prirodi postoje u obliku monokristala i polikristala. Monokristali su monokristali čija su lica predstavljena pravilnim poligonima; Karakterizira ih prisustvo kontinuirane kristalne rešetke i anizotropija fizičkih svojstava.

Polikristali su tijela koja se sastoje od mnogo malih kristala, "sraslih zajedno" pomalo haotično. Polikristali su metali, šećer, kamenje, pijesak. U takvim tijelima (na primjer, fragment metala), anizotropija se obično ne pojavljuje zbog slučajnog rasporeda elemenata, iako je anizotropija karakteristična za pojedinačni kristal ovog tijela.

Ostala svojstva kristalnih tijela: strogo određena temperatura (prisustvo kritičnih tačaka), čvrstoća, elastičnost, električna provodljivost, magnetna provodljivost, toplotna provodljivost.

Amorfno - bez oblika. Ovako se ova riječ doslovno prevodi sa grčkog. Amorfna tijela su stvorena po prirodi. Na primjer, ćilibar, vosak.Ljudi su uključeni u stvaranje vještačkih amorfnih tijela - staklo i smole (vještačke), parafin, plastika (polimeri), kolofonij, naftalin, var. nemaju zbog haotičnog rasporeda molekula (atoma, jona) u strukturi tijela. Stoga su za svako amorfno tijelo izotropni - isti u svim smjerovima. Za amorfna tijela ne postoji kritična tačka topljenja; ona postupno omekšaju kada se zagrijavaju i pretvaraju se u viskozne tekućine. Amorfnim tijelima je dodijeljen srednji (prijelazni) položaj između tekućina i kristalnih tijela: na niskim temperaturama otvrdnu i postanu elastični, osim toga mogu se rascijepiti u bezoblične komade pri udaru. Na visokim temperaturama, ti isti elementi pokazuju plastičnost, postajući viskozne tečnosti.

Sada znate šta su kristalna tela!

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod

Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Uvod

Poglavlje 1. Kristalna i amorfna tijela

1.1 Idealni kristali

1.2. Pojedinačni kristali i kristalni agregati

1.3 Polikristali

Poglavlje 2. Elementi simetrije kristala

Poglavlje 3. Vrste defekata u čvrstim materijama

3.1 Tačkasti nedostaci

3.2 Linearni defekti

3.3 Defekti površine

3.4 Volumetrijski nedostaci

Poglavlje 4. Dobijanje kristala

Poglavlje 5. Svojstva kristala

Zaključak

Bibliografija

Uvod

Kristali su jedna od najljepših i najmisterioznijih kreacija prirode. Trenutno, nauka o kristalografiji proučava raznolikost kristala. Ona otkriva znakove jedinstva u ovoj raznolikosti, proučava svojstva i strukturu kako monokristala tako i kristalnih agregata. Kristalografija je nauka koja sveobuhvatno proučava kristalnu materiju. Ovaj rad je također posvećen kristalima i njihovim svojstvima.

Trenutno se kristali široko koriste u nauci i tehnologiji, jer imaju posebna svojstva. Takva područja upotrebe kristala kao što su poluvodiči, supravodnici, kvantna elektronika i mnoga druga zahtijevaju duboko razumijevanje ovisnosti fizičkih svojstava kristala o njihovom kemijskom sastavu i strukturi.

Trenutno su poznate metode za vještački uzgoj kristala. Kristal se može uzgajati u običnoj čaši, za to je potrebno samo određeno rješenje i pažnja s kojom se treba brinuti o rastućem kristalu.

U prirodi postoji veliki izbor kristala, a postoji i mnogo različitih oblika kristala. U stvarnosti, gotovo je nemoguće dati definiciju koja bi se primjenjivala na sve kristale. Ovdje se mogu koristiti rezultati rendgenske analize kristala. X-zrake omogućavaju da se opipaju atomi unutar kristalnog tijela i odredi njihov prostorni položaj. Kao rezultat toga, otkriveno je da su apsolutno svi kristali izgrađeni od elementarnih čestica raspoređenih u strogom redu unutar kristalnog tijela.

U svim kristalnim strukturama bez izuzetka, mnogi identični atomi mogu se razlikovati od atoma koji se nalaze kao čvorovi prostorne rešetke. Da zamislimo takvu rešetku, hajde da mentalno ispunimo prostor sa mnogo jednakih paralelepipeda, paralelno orijentisanih i dodirujući se duž čitavih lica. Najjednostavniji primjer takve zgrade je zidanje od identične cigle. Ako odaberemo odgovarajuće točke unutar cigli, na primjer, njihova središta ili vrhove, tada ćemo dobiti model prostorne rešetke. Sva kristalna tijela bez izuzetka karakterizira rešetkasta struktura.

Kristali se zovu " sve čvrste tvari u kojima su sastavne čestice (atomi, ioni, molekuli) raspoređeni striktno pravilno kao čvorovi prostornih rešetki Ova definicija je što je moguće bliža istini, pogodna je za bilo koja homogena kristalna tijela: bule (forma kristala koja nema lica, nema ivica, nema izbočenih vrhova), i zrna, i plosnate figure.

Poglavlje 1.Kristalna i amorfna tijela

Na osnovu svojih fizičkih svojstava i molekularne strukture, čvrste materije se dele u dve klase - amorfne i kristalne čvrste materije.

Karakteristična karakteristika amorfnih tijela je njihova izotropnost, tj. nezavisnost svih fizičkih svojstava (mehaničkih, optičkih, itd.) od pravca. Molekuli i atomi u izotropnim čvrstim materijama su raspoređeni nasumično, formirajući samo male lokalne grupe koje sadrže nekoliko čestica (poredak kratkog dometa). Po svojoj strukturi, amorfna tijela su vrlo bliska tekućinama.

Primjeri amorfnih tijela uključuju staklo, razne očvrsle smole (ćilibar), plastiku itd. Ako se amorfno tijelo zagrije, ono postepeno omekšava, a prijelaz u tekuće stanje zauzima značajan temperaturni raspon.

U kristalnim tijelima čestice su raspoređene po strogom redoslijedu, formirajući prostorne strukture koje se periodično ponavljaju po cijelom volumenu tijela. Za vizuelno predstavljanje takvih struktura, prostorno kristalne rešetke, na čijim se čvorovima nalaze centri atoma ili molekula date supstance.

U svakoj prostornoj rešetki može se razlikovati strukturni element minimalne veličine, koji se naziva jedinična ćelija.

Rice. 1. Vrste kristalnih rešetki: 1 - jednostavna kubična rešetka; 2 - kubična rešetka sa centriranjem lica; 3 - kubična rešetka centrirana po tijelu; 4 - heksagonalna rešetka

U jednostavnoj kubičnoj rešetki, čestice se nalaze na vrhovima kocke. U rešetki koja je centrirana na lice, čestice se nalaze ne samo na vrhovima kocke, već iu centrima svake njene površine. U kubičnoj rešetki usredsređenoj na tijelo, dodatna čestica se nalazi u središtu svake kubične jedinične ćelije.

Treba imati na umu da su čestice u kristalima čvrsto zbijene, tako da je udaljenost između njihovih centara približno jednaka veličini čestica. Na slici kristalnih rešetki prikazan je samo položaj centara čestica.

1. 1 savršeni kristal

Ispravan geometrijski oblik kristala privukao je pažnju istraživača još u ranim fazama razvoja kristalografije i doveo do stvaranja određenih hipoteza o njihovoj unutrašnjoj strukturi.

Ako uzmemo u obzir idealni kristal, u njemu nećemo pronaći nikakve povrede; sve identične čestice nalaze se u identičnim paralelnim redovima. Ako primijenimo tri elementarne translacije koje ne leže u istoj ravni na proizvoljnu tačku i beskonačno je ponavljamo u prostoru, dobićemo prostornu rešetku, tj. trodimenzionalni sistem ekvivalentnih čvorova. Dakle, u idealnom kristalu, raspored materijalnih čestica karakteriše stroga trodimenzionalna periodičnost. A kako bi dobili jasnu ideju o uzorcima povezanim s geometrijski ispravnom unutarnjom strukturom kristala, u laboratorijskim časovima kristalografije obično koriste modele idealno oblikovanih kristala u obliku konveksnih poliedara s ravnim plohama i ravnim rubovima. U stvari, lica pravih kristala nisu savršeno ravna, jer kako rastu postaju prekrivena tuberkulama, hrapavostima, žljebovima, jamama za rast, vicinalima (lice koje u potpunosti ili djelomično odstupaju od svog idealnog položaja), spiralama rasta ili rastvaranja, itd.

Perfect Crystal- ovo je fizički model, koji je beskonačan monokristal koji ne sadrži nečistoće ili strukturne defekte. Razlika između pravih i idealnih kristala je zbog konačnosti njihovih veličina i prisutnosti defekata. Prisutnost nekih defekata (na primjer, nečistoća, interkristalnih granica) u stvarnim kristalima može se gotovo u potpunosti izbjeći korištenjem posebnih metoda rasta, žarenja ili pročišćavanja. Međutim, na temperaturi T>0K, kristali uvijek imaju konačnu koncentraciju (termički aktiviranih) slobodnih mjesta i međuprostornih atoma, čiji broj u ravnoteži opada eksponencijalno sa padom temperature.

Kristalne tvari mogu postojati u obliku pojedinačnih kristala ili polikristalnih uzoraka.

Monokristal je čvrsta tvar u kojoj pravilna struktura pokriva cijeli volumen tvari. Monokristali se nalaze u prirodi (kvarc, dijamant, smaragd) ili se proizvode umjetno (rubin).

Polikristalni uzorci sastoje se od velikog broja malih, nasumično orijentiranih kristala različitih veličina, koji mogu biti međusobno povezani određenim interakcijskim silama.

1. 2 Monokristlegure i kristalni agregati

Monocrystal- odvojeni homogeni kristal koji ima kontinuiranu kristalnu rešetku i ponekad ima anizotropiju fizičkih svojstava. Vanjski oblik jednog kristala određen je njegovom atomskom kristalnom rešetkom i uvjetima (uglavnom brzinom i uniformnošću) kristalizacije. Sporo rastući monokristal gotovo uvijek dobiva dobro definiran prirodni rez; u neravnotežnim uvjetima (prosječna brzina rasta) kristalizacije, rez izgleda slabo. Pri još većoj stopi kristalizacije, umjesto jednog kristala, formiraju se homogeni polikristali i polikristalni agregati koji se sastoje od mnogo različito orijentiranih malih monokristala. Primjeri fasetiranih prirodnih monokristala uključuju monokristale kvarca, kamene soli, islandskog šparta, dijamanta i topaza. Monokristali poluprovodničkih i dielektričnih materijala uzgojeni u posebnim uslovima imaju veliki industrijski značaj. Konkretno, monokristali silicijuma i umjetne legure elemenata grupe III (treće) sa elementima grupe V (peti) periodnog sistema (na primjer, GaAs galijum arsenid) su osnova moderne elektronike čvrstog stanja. Monokristali metala i njihovih legura nemaju posebna svojstva i praktički se ne koriste. Monokristali ultračistih supstanci imaju ista svojstva bez obzira na način njihove pripreme. Kristalizacija se događa blizu tačke topljenja (kondenzacija) iz plinovitog (na primjer, mraz i pahulje), tečnog (najčešće) i čvrstog amorfnog stanja uz oslobađanje topline. Kristalizacija iz plina ili tekućine ima moćan mehanizam pročišćavanja: kemijski sastav sporo rastućih monokristala gotovo je idealan. Gotovo svi zagađivači ostaju (akumuliraju se) u tekućini ili plinu. To se događa jer kako kristalna rešetka raste, dolazi do spontanog odabira potrebnih atoma (molekula za molekularne kristale) ne samo prema njihovim kemijskim svojstvima (valentnosti), već i prema veličini.

Modernoj tehnologiji više ne nedostaje ograničeni skup svojstava prirodnih kristala (posebno za stvaranje poluvodičkih lasera), a naučnici su došli do metode za stvaranje kristalnih supstanci sa srednjim svojstvima uzgojem naizmjeničnih ultra tankih slojeva kristala sa sličnim kristalima. parametri rešetke.

Za razliku od drugih agregacijskih stanja, kristalno stanje je raznoliko. Molekuli istog sastava mogu se pakovati u kristale na različite načine. Fizička i hemijska svojstva supstance ovise o načinu pakovanja. Dakle, supstance sa istim hemijskim sastavom često zapravo imaju različita fizička svojstva. Takva raznolikost nije tipična za tečno stanje, ali nemoguća za gasovito stanje.

Ako uzmemo, na primjer, običnu kuhinjsku sol, lako je vidjeti pojedinačne kristale čak i bez mikroskopa.

Ako želimo da naglasimo da imamo posla sa jednim, odvojenim kristalom, onda ga nazivamo monokristal, da bi se naglasilo da je riječ o akumulaciji velikog broja kristala, koristi se izraz kristalni agregat. Ako pojedinačni kristali u kristalnom agregatu gotovo nisu fasetirani, to se može objasniti činjenicom da je kristalizacija započela istovremeno u mnogim točkama tvari i da je njena brzina bila prilično velika. Rastući kristali predstavljaju prepreku jedni drugima i onemogućavaju pravilno rezanje svakog od njih.

U ovom radu uglavnom ćemo govoriti o monokristalima, a kako su oni sastavni dijelovi kristalnih agregata, njihova svojstva će biti slična svojstvima agregata.

1. 3 polikristala

Polycrystal- skup malih kristala bilo koje supstance, koji se ponekad nazivaju kristaliti ili kristalna zrna zbog njihovog nepravilnog oblika. Mnogi materijali prirodnog i vještačkog porijekla (minerali, metali, legure, keramika, itd.) su polikristalni.

Nekretnine i dobivanje. Svojstva polikristala su određena svojstvima kristalnih zrna koja ga čine, njihovom prosječnom veličinom koja se kreće od 1-2 mikrona do nekoliko milimetara (u nekim slučajevima i do nekoliko metara), kristalografskom orijentacijom zrna i struktura granica zrna. Ako su zrna nasumično orijentirana i njihove veličine male u odnosu na veličinu polikristala, tada se u polikristalu ne pojavljuje anizotropija fizičkih svojstava karakteristična za monokristale. Ako polikristal ima dominantnu kristalografsku orijentaciju zrna, tada je polikristal teksturiran i u ovom slučaju ima anizotropiju svojstava. Prisustvo granica zrna značajno utiče na fizička, posebno mehanička svojstva polikristala, jer na granicama dolazi do raspršivanja elektrona provodljivosti, fonona, kočenja dislokacija itd.

Polikristali nastaju tokom kristalizacije, polimorfnih transformacija i kao rezultat sinterovanja kristalnih prahova. Polikristal je manje stabilan od monokristala, stoga, tijekom dužeg žarenja polikristala dolazi do rekristalizacije (pretežni rast pojedinačnih zrna na račun drugih), što dovodi do stvaranja velikih kristalnih blokova.

Poglavlje 2. Elementi kristalne simetrije

Koncepti simetrije i asimetrije pojavljuju se u nauci od davnina kao estetski kriterij, a ne kao strogo naučne definicije. Prije nego se pojavila ideja simetrije, matematika, fizika i prirodne znanosti općenito su ličile na odvojena ostrva ideja, teorija i zakona koji su bili beznadežno izolirani jedni od drugih, pa čak i kontradiktorni. Simetrija karakteriše i obeležava eru sinteze, kada se različiti fragmenti naučnog znanja stapaju u jedinstvenu, holističku sliku sveta. Jedan od glavnih trendova u ovom procesu je matematiizacija naučnog znanja.

Simetrija se obično smatra ne samo osnovnom slikom naučnog znanja, uspostavljanjem unutrašnjih veza između sistema, teorija, zakona i koncepata, već je pripisuje i fundamentalnim atributima kao što su prostor i vrijeme, kretanje. U tom smislu, simetrija određuje strukturu materijalnog svijeta i svih njegovih komponenti. Simetrija ima višestruki i višeslojni karakter. Na primjer, u sistemu fizičkog znanja, simetrija se razmatra na nivou fenomena, zakona koji opisuju ove pojave i principa koji su u osnovi ovih zakona, au matematici - kada se opisuju geometrijski objekti. Simetrija se može klasifikovati na:

· strukturni;

· geometrijski;

· dinamički, koji opisuju, odnosno kristalografski,

matematički i fizički aspekti ovog koncepta.

Najjednostavnije simetrije mogu se geometrijski prikazati u našem običnom trodimenzionalnom prostoru i stoga su vizualne. Takve simetrije su povezane s geometrijskim operacijama koje dovode dotično tijelo u podudarnost sa samim sobom. Kažu da se simetrija manifestuje u nepromjenjivosti (invarijantnosti) tijela ili sistema u odnosu na određenu operaciju. Na primjer, sfera (bez ikakvih oznaka na svojoj površini) je nepromjenjiva pod bilo kojom rotacijom. Ovo pokazuje njegovu simetriju. Sfera s oznakom, na primjer, u obliku tačke, poklapa se sa sobom samo kada se rotira, nakon čega se oznaka na njoj vraća u prvobitni položaj. Naš trodimenzionalni prostor je izotropan. To znači da se, poput kugle bez oznaka, poklapa sa sobom pri bilo kojoj rotaciji. Prostor je neraskidivo povezan sa materijom. Stoga je i naš univerzum izotropan. Prostor je takođe homogen. To znači da on (i naš Univerzum) ima simetriju u odnosu na operaciju pomaka. Vrijeme ima istu simetriju.

Osim jednostavnih (geometrijskih) simetrija, u fizici se široko susreću i vrlo složene, takozvane dinamičke simetrije, odnosno simetrije povezane ne s prostorom i vremenom, već s određenom vrstom interakcije. Oni nisu vizualni, pa čak i najjednostavniji od njih, na primjer, tzv mjerne simetrije, teško je objasniti bez upotrebe prilično složene fizičke teorije. Neki zakoni održanja također odgovaraju mjernim simetrijama u fizici. Na primjer, mjerna simetrija elektromagnetnih potencijala dovodi do zakona održanja električnog naboja.

U društvenoj praksi čovječanstvo je akumuliralo mnoge činjenice koje ukazuju kako na strogu uređenost, ravnotežu između dijelova cjeline, tako i na kršenje te uređenosti. S tim u vezi, može se razlikovati sljedećih pet kategorija simetrije:

· simetrija;

· asimetrija;

· disimetrija;

· antisimetrija;

· supersimetrija.

Asimetrija . Asimetrija je asimetrija, tj. stanje u kojem nema simetrije. Ali Kant je također rekao da negacija nikada nije jednostavan izuzetak ili odsustvo odgovarajućeg pozitivnog sadržaja. Na primjer, kretanje je negacija njegovog prethodnog stanja, promjena u objektu. Kretanje uskraćuje odmor, ali odmor nije odsustvo pokreta, jer ima vrlo malo informacija i ta informacija je pogrešna. Nema odsustva odmora, kao što nema ni kretanja, jer su to dvije strane iste suštine. Odmor je još jedan aspekt kretanja.

Takođe nema potpunog odsustva simetrije. Figura koja nema element simetrije naziva se asimetrična. Ali, strogo govoreći, to nije tako. U slučaju asimetričnih figura, poremećaj simetrije je jednostavno doveden do kraja, ali ne i do potpunog odsustva simetrije, budući da se ove figure i dalje karakterišu beskonačnim brojem osi prvog reda, koje su također elementi simetrije.

Asimetrija je povezana sa odsustvom svih elemenata simetrije u objektu. Takav element je nedjeljiv na dijelove. Primjer je ljudska ruka. Asimetrija je kategorija suprotna simetriji, koja odražava neravnoteže koje postoje u objektivnom svijetu povezane s promjenom, razvojem i restrukturiranjem dijelova cjeline. Kao što govorimo o kretanju, znači jedinstvu kretanja i mirovanja, tako su simetrija i asimetrija dvije polarne suprotnosti objektivnog svijeta. U stvarnoj prirodi ne postoji čista simetrija i asimetrija. Oni su uvijek u jedinstvu i neprekidnoj borbi.

Na različitim nivoima razvoja materije postoji ili simetrija (relativni poredak) ili asimetrija (sklonost narušavanju mira, kretanja, razvoja), ali su ove dve tendencije uvek ujedinjene i njihova borba je apsolutna. Pravi, čak i najsavršeniji kristali su daleko od kristala idealnog oblika i idealne simetrije koji se razmatraju u kristalografiji u svojoj strukturi. Sadrže značajna odstupanja od idealne simetrije. Imaju i elemente asimetrije: dislokacije, prazna mjesta, što utiče na njihova fizička svojstva.

Definicije simetrije i asimetrije ukazuju na univerzalnu, opštu prirodu simetrije i asimetrije kao svojstava materijalnog svijeta. Analiza koncepta simetrije u fizici i matematici (sa rijetkim izuzecima) teži apsolutiziranju simetrije i tumačenju asimetrije kao odsustva simetrije i reda. Antipod simetrije se pojavljuje kao čisto negativan koncept, ali vrijedan pažnje. Značajno interesovanje za asimetriju javilo se sredinom 19. veka u vezi sa L. Pasteurovim eksperimentima u proučavanju i razdvajanju stereoizomera.

Disimetrija . Disimetrija je unutrašnja, ili narušena, simetrija, tj. objektu nedostaju neki elementi simetrije. Na primjer, rijeke koje teku duž Zemljinih meridijana imaju jednu obalu višu od druge (na sjevernoj hemisferi, desna obala je viša od lijeve, a na južnoj hemisferi, obrnuto). Prema Pasteuru, disimetrična figura je ona koja se jednostavnom superpozicijom ne može kombinirati sa svojom slikom u ogledalu. Količina simetrije disimetričnog objekta može biti proizvoljno visoka. Disimetrija u najširem smislu njenog razumijevanja može se definirati kao bilo koji oblik aproksimacije od beskonačno simetričnog objekta ka beskonačno asimetričnom.

Antisimetrija . Antisimetrija se naziva suprotna simetrija ili simetrija suprotnosti. Povezan je s promjenom znaka figure: čestice - antičestice, konveksnost - udubljenje, crno - bijelo, napetost - kompresija, naprijed - nazad, itd. Ovaj koncept se može objasniti na primjeru dva para crnih i bijelih rukavica. Ako se od komada kože sašiju dva para crno-bijelih rukavica, čije su dvije strane obojene bijelom, odnosno crnom bojom, onda se mogu razlikovati na osnovu desničarstva - ljevičarstva, po boji - crnila i bjelina, u drugim riječima, na osnovu znakovnog informatizma i nekog drugog znaka. Operacija antisimetrije sastoji se od običnih operacija simetrije, praćenih promjenom drugog atributa figure.

Supersimetrija Poslednjih decenija 20. veka počeo je da se razvija model supersimetrije, koji su predložili ruski teoretičari Gelfand i Lihtman. Jednostavno rečeno, njihova ideja je bila da, baš kao što postoje obične dimenzije prostora i vremena, moraju postojati i dodatne dimenzije koje se mogu mjeriti u takozvanim Grassmanovim brojevima. Kao što je S. Hawking rekao, čak ni pisci naučne fantastike nisu smislili ništa tako čudno kao što su Grassmannove dimenzije. U našoj običnoj aritmetici, ako je broj 4 pomnožen sa 6 isti kao 6 pomnožen sa 4. Ali čudna stvar kod Grassmanovih brojeva je da ako se X pomnoži sa Y, onda je jednako minus Y pomnoženo sa X. Koliko je ovo daleko od naših klasičnih ideja o prirodi i metodama njenog opisivanja?

Simetrija se također može razmatrati oblicima kretanja ili takozvanim operacijama simetrije. Mogu se razlikovati sljedeće operacije simetrije:

· odraz u ravni simetrije (odraz u ogledalu);

rotacija oko ose simetrije ( rotaciona simetrija);

· refleksija u centru simetrije (inverzija);

transfer ( emitovanje) figure na udaljenosti;

· zavrtanja vijaka;

· simetrija permutacije.

Refleksija u ravni simetrije . Refleksija je najpoznatija i najčešće pronađena vrsta simetrije u prirodi. Ogledalo reprodukuje tačno ono što „vidi“, ali redosled koji se razmatra je obrnut: desna ruka vašeg dvojnika će zapravo biti njegova leva ruka, pošto su prsti raspoređeni obrnutim redosledom. Svima je vjerovatno poznat film “Kraljevstvo krivih ogledala” iz djetinjstva, gdje su imena svih likova čitana obrnutim redoslijedom. Zrcalna simetrija se može naći svuda: u lišću i cvijeću biljaka, arhitekturi, ukrasima. Ljudsko tijelo, ako govorimo samo o njegovom izgledu, ima zrcalnu simetriju, iako ne baš strogu. Štoviše, zrcalna simetrija je svojstvena tijelima gotovo svih živih bića, a takva podudarnost nikako nije slučajna. Važnost koncepta zrcalne simetrije teško se može precijeniti.

Sve što se može podijeliti na dvije zrcalne polovine ima zrcalnu simetriju. Svaka od polovica služi kao zrcalna slika druge, a ravan koja ih razdvaja naziva se ravan zrcalne refleksije ili jednostavno zrcalna ravan. Ova ravan se može nazvati elementom simetrije, a odgovarajuća operacija se može nazvati operacijom simetrije . Svakodnevno nailazimo na trodimenzionalne simetrične uzorke: to su mnoge moderne stambene zgrade, a ponekad i cijeli blokovi, kutije i kutije nagomilani u skladištima; atomi tvari u kristalnom stanju formiraju kristalnu rešetku - element trodimenzionalnog simetrija. U svim ovim slučajevima, ispravna lokacija omogućava ekonomično korištenje prostora i osigurava stabilnost.

Izvanredan primjer zrcalne simetrije u literaturi je „promjenjivi“ izraz: „I ruža je pala na Azorovu šapu“. . U ovoj liniji, centar zrcalne simetrije je slovo "n", u odnosu na koje se sva ostala slova (ne uzimajući u obzir razmake između riječi) nalaze u međusobno suprotnom redoslijedu.

Rotaciona simetrija . Izgled uzorka se neće promijeniti ako se rotira pod određenim kutom oko svoje ose. Simetrija koja nastaje u ovom slučaju naziva se rotaciona simetrija . Primjer je dječja igra "vrtač" sa rotacijskom simetrijom. U mnogim plesovima figure se temelje na rotacijskim pokretima, često se izvode samo u jednom smjeru (tj. bez refleksije), na primjer, okrugli plesovi.

Listovi i cvjetovi mnogih biljaka pokazuju radijalnu simetriju. Ovo je simetrija u kojoj se list ili cvijet, okrećući se oko ose simetrije, pretvara u sebe. Na poprečnim presjecima tkiva koji formiraju korijen ili stabljiku biljke, radijalna simetrija je jasno vidljiva. Cvatovi mnogih cvjetova također imaju radijalnu simetriju.

Refleksija u centru simetrije . Primjer objekta najveće simetrije, koji karakterizira ovu operaciju simetrije, je lopta. Sferni oblici su prilično rasprostranjeni u prirodi. Česte su u atmosferi (kapljice magle, oblaci), hidrosferi (razni mikroorganizmi), litosferi i svemiru. Spore i polen biljaka, kapi vode oslobođene u bestežinskom stanju na svemirskom brodu imaju sferni oblik. Na metagalaktičkom nivou, najveće sferne strukture su sferne galaksije. Što je jato galaksija gušće, to je bliže sfernom obliku. Zvezdana jata su takođe sferna.

Prijevod, ili prijenos figure na daljinu . Translacija, ili paralelni prijenos figure na daljinu, je bilo koji obrazac koji se neograničeno ponavlja. Može biti jednodimenzionalno, dvodimenzionalno, trodimenzionalno. Prevođenje u istim ili suprotnim smjerovima formira jednodimenzionalni obrazac. Prevođenje u dva neparalelna pravca formira dvodimenzionalni obrazac. Parketi, šare tapeta, čipkaste trake, staze popločane ciglama ili pločicama, kristalne figure formiraju uzorke koji nemaju prirodne granice. Proučavanjem uzoraka korištenih u tiskanju knjiga otkriveni su isti elementi simetrije kao i u dizajnu popločanih podova. Ornamentalni obrubi su povezani sa muzikom. U muzici elementi simetrične konstrukcije uključuju operacije ponavljanja (prevođenja) i preokreta (refleksija). Upravo se ti elementi simetrije nalaze u granicama. Iako većina muzike nije striktno simetrična, mnoga muzička djela temelje se na operacijama simetrije. Posebno su uočljive u dječjim pjesmama, koje se, po svemu sudeći, tako lako pamte. Operacije simetrije nalaze se u muzici srednjeg vijeka i renesanse, u muzici baroknog doba (često u vrlo sofisticiranom obliku). Za vrijeme I.S. Bacha, kada je simetrija bila važan princip kompozicije, jedna vrsta muzičke slagalice postala je široko rasprostranjena. Jedan od njih je bio da se razriješe misteriozni "kanoni". Kanon je oblik polifone muzike zasnovan na izvođenju teme koju jedan glas vodi drugim glasovima. Kompozitor bi predložio temu, a slušaoci bi morali da pogode operacije simetrije koje je nameravao da upotrebi u ponavljanju teme.

Priroda postavlja zagonetke suprotnog tipa: nudi nam se dovršen kanon, a mi moramo pronaći pravila i motive koji su u osnovi postojećih obrazaca i simetrije, i obrnuto, tražiti obrasce koji nastaju pri ponavljanju motiva prema različitim pravilima. Prvi pristup vodi proučavanju strukture materije, umjetnosti, muzike i mišljenja. Drugi pristup nas suočava s problemom dizajna ili plana, koji je od davnina mučio umjetnike, arhitekte, muzičare i naučnike.

Zavoji . Translacija se može kombinovati sa refleksijom ili rotacijom, što stvara nove operacije simetrije. Rotacija za određeni broj stupnjeva, praćena translacijom na udaljenosti duž ose rotacije, stvara spiralnu simetriju - simetriju spiralnog stepeništa. Primjer spiralne simetrije je raspored listova na stabljici mnogih biljaka. Glavica suncokreta ima izdanke raspoređene u geometrijskim spiralama, koje se odmotavaju od sredine prema van. Najmlađi članovi spirale su u centru. U takvim sistemima se mogu uočiti dvije porodice spirala koje se odmotaju u suprotnim smjerovima i sijeku pod uglovima bliskim pravim linijama. Ali koliko god da su manifestacije simetrije u biljnom svijetu zanimljive i atraktivne, još uvijek postoje mnoge tajne koje kontroliraju razvojne procese. Slijedom Goethea, koji je govorio o sklonosti prirode ka spirali, možemo pretpostaviti da se to kretanje odvija duž logaritamske spirale, svaki put polazeći od središnje, fiksne točke i kombinirajući translacijsko kretanje (istezanje) s rotacijom.

Komutaciona simetrija . Dalje širenje broja fizičkih simetrija povezano je s razvojem kvantne mehanike. Jedna od posebnih vrsta simetrije u mikrokosmosu je permutacijska simetrija. Zasnovan je na fundamentalnoj nerazlučivosti identičnih mikročestica, koje se ne kreću duž određenih putanja, a njihov položaj se procjenjuje prema vjerojatnostim karakteristikama povezanim s kvadratom modula valne funkcije. Komutaciona simetrija leži u činjenici da kada se kvantne čestice „preuređuju“, verovatnoća se ne menja; kvadrat modula talasne funkcije je konstantna vrednost.

Simetrija sličnosti . Druga vrsta simetrije je simetrija sličnosti, povezana s istovremenim povećanjem ili smanjenjem sličnih dijelova figure i udaljenosti između njih. Primjer ove vrste simetrije je matrjoška. Takva simetrija je vrlo raširena u živoj prirodi. To pokazuju svi organizmi koji rastu.

Pitanja simetrije igraju odlučujuću ulogu u modernoj fizici. Dinamičke zakone prirode karakteriziraju određene vrste simetrije. U opštem smislu, simetrija fizičkih zakona znači njihovu invarijantnost u odnosu na određene transformacije. Također treba napomenuti da vrste simetrije koje se razmatraju imaju određene granice primjenjivosti. Na primjer, simetrija desnog i lijevog postoji samo u području jakih elektromagnetnih interakcija, ali je narušena u slabim. Izotopska invarijantnost vrijedi samo kada se uzmu u obzir elektromagnetne sile. Da biste primijenili koncept simetrije, možete uvesti određenu strukturu koja uzima u obzir četiri faktora:

· predmet ili pojava koja se proučava;

· transformacija u odnosu na koju se razmatra simetrija;

· Invarijantnost bilo kojeg svojstva objekta ili fenomena, koji izražava dotičnu simetriju. Veza između simetrije fizičkih zakona i zakona održanja;

· granice primjenjivosti raznih vrsta simetrije.

Proučavanje svojstava simetrije fizičkih sistema ili zakona zahtijeva upotrebu posebne matematičke analize, prvenstveno pojmova teorije grupa, koja je trenutno najrazvijenija u fizici čvrstog stanja i kristalografiji.

Poglavlje 3. Vrste defekata u čvrstim materijama

Sve prave čvrste materije, kako monokristalne tako i polikristalne, sadrže takozvane strukturne defekte, čiji su tipovi, koncentracije i ponašanje veoma raznoliki i zavise od prirode, uslova dobijanja materijala i prirode spoljašnjih uticaja. Većina defekata nastalih vanjskim utjecajima termodinamički je nestabilna, a stanje sistema je u ovom slučaju pobuđeno (neravnotežno). Takvi spoljni uticaji mogu biti temperatura, pritisak, zračenje česticama i visokoenergetskim kvantima, unošenje nečistoća, fazno stvrdnjavanje tokom polimorfnih i drugih transformacija, mehanički efekti itd. Prelazak u ravnotežno stanje može se odvijati na različite načine i, po pravilu se ostvaruje kroz niz metastabilnih stanja.

Defekti istih tipova, u interakciji sa defektima istog ili drugog tipa, mogu poništiti ili formirati nove asocijacije defekata. Ovi procesi su praćeni smanjenjem energije sistema.

Na osnovu broja pravaca N u kojima se proteže kršenje periodičnog rasporeda atoma u kristalnoj rešetki uzrokovano datim defektom, razlikuju se defekti:

· Tačka (nul-dimenzionalna, N=0);

· Linearni (jednodimenzionalni, N=1);

· Površina (dvodimenzionalna, N=2);

· Volumen (trodimenzionalni, N=3);

Sada ćemo detaljno razmotriti svaki nedostatak.

3.1 Tačkasti defekti

Na nul-dimenzionalnu (ili tačka) kristalni defekti obuhvataju sve defekte koji su povezani sa pomeranjem ili zamenom male grupe atoma, kao i sa nečistoćama. Nastaju tokom zagrevanja, dopinga, tokom rasta kristala i kao rezultat izlaganja radijaciji. Mogu se uvesti i kao rezultat implantacije. Osobine takvih defekata i mehanizmi njihovog nastanka su najbolje proučeni, uključujući kretanje, interakciju, anihilaciju i isparavanje.

· Vakancija - slobodan, nezauzet atom, čvor kristalne rešetke.

· Pravilni intersticijski atom - atom glavnog elementa koji se nalazi u intersticijskoj poziciji jedinične ćelije.

· Zamjena atoma nečistoće - zamjena atoma jedne vrste atomom druge vrste u čvoru kristalne rešetke. Supstitucijske pozicije mogu sadržavati atome koji se relativno malo razlikuju po veličini i elektronskim svojstvima od osnovnih atoma.

· Intersticijski atom nečistoće - atom nečistoće se nalazi u međuprostoru kristalne rešetke. U metalima, međuprostorne nečistoće su obično vodonik, ugljik, dušik i kisik. U poluprovodnicima, to su nečistoće koje stvaraju duboke energetske nivoe u pojasu, kao što su bakar i zlato u silicijumu.

Kompleksi koji se sastoje od nekoliko točkastih defekata također se često primjećuju u kristalima, na primjer, Frenkelov defekt (praznina + vlastiti intersticijski atom), bivakansija (praznina + praznina), A-centar (praznina + atom kisika u silicijumu i germaniju) itd.

Termodinamika tačkastih defekata. Tačkasti defekti povećavaju energiju kristala, jer je određena količina energije potrošena da bi se formirao svaki defekt. Elastična deformacija uzrokuje vrlo mali dio energije formiranja praznine, budući da pomaci jona ne prelaze 1% i odgovarajuća energija deformacije je desetinke eV. Tokom formiranja intersticijalnog atoma, pomaci susjednih jona mogu doseći 20% međuatomske udaljenosti, a odgovarajuća energija elastične deformacije rešetke može doseći nekoliko eV. Glavni udio u formiranju točkastog defekta povezan je s kršenjem periodičnosti atomske strukture i veznih sila između atoma. Tačkasti defekt u metalu stupa u interakciju sa cijelim elektronskim plinom. Uklanjanje pozitivnog jona sa mesta je ekvivalentno uvođenju negativnog naboja tačke; elektroni provodljivosti se odbijaju od ovog naboja, što uzrokuje povećanje njihove energije. Teorijski proračuni pokazuju da je energija formiranja praznine u fcc rešetki bakra oko 1 eV, a intersticijalnog atoma od 2,5 do 3,5 eV.

Uprkos povećanju energije kristala tokom formiranja sopstvenih tačkastih defekata, oni mogu biti u termodinamičkoj ravnoteži u rešetki, jer njihovo formiranje dovodi do povećanja entropije. Na povišenim temperaturama, povećanje entropijskog člana TS slobodne energije zbog formiranja točkastih defekata kompenzira povećanje ukupne energije kristala U, a slobodna energija se pokazuje minimalnom.

Ravnotežna koncentracija slobodnih radnih mjesta:

Gdje E 0 - energija formiranja jednog slobodnog radnog mjesta, k- Boltzmannova konstanta, T- apsolutna temperatura. Ista formula vrijedi i za međuprostorne atome. Formula pokazuje da koncentracija slobodnih mjesta treba jako ovisiti o temperaturi. Formula za izračun je jednostavna, ali točne kvantitativne vrijednosti mogu se dobiti samo poznavanjem energetske vrijednosti nastanka defekta. Teoretski je vrlo teško izračunati ovu vrijednost, pa se treba zadovoljiti samo približnim procjenama.

Budući da je energija nastanka defekta uključena u eksponent, ova razlika uzrokuje ogromnu razliku u koncentraciji slobodnih mjesta i međuprostornih atoma. Dakle, na 1000 °C u bakru, koncentracija intersticijskih atoma je samo 10?39, što je 35 redova veličine manje od koncentracije slobodnih mjesta na ovoj temperaturi. U gustim pakiranjima, koja su karakteristična za većinu metala, vrlo je teško formirati međuprostorne atome, a prazna mjesta u takvim kristalima su glavni tačkasti defekti (ne računajući atome nečistoće).

Migracija točkastih defekata. Atomi koji prolaze kroz vibracijsko kretanje neprekidno razmjenjuju energiju. Zbog nasumičnosti termičkog kretanja, energija je neravnomjerno raspoređena između različitih atoma. U nekom trenutku, atom može primiti takav višak energije od svojih susjeda da će zauzeti susjednu poziciju u rešetki. Ovako dolazi do migracije (kretanja) točkastih defekata u masi kristala.

Ako se jedan od atoma koji okružuju slobodno mjesto pomakne na slobodno mjesto, tada će se slobodno mjesto pomjeriti na svoje mjesto. Različiti atomi izvode uzastopne elementarne radnje pomjeranja određenog slobodnog mjesta. Slika pokazuje da u sloju zbijenih loptica (atoma), da bi pomerila jednu od loptica na slobodno mesto, ona mora da razmakne kuglice 1 i 2. Samim tim, da se pomeri sa pozicije u čvoru, gde energija atoma je minimalna, do susednog slobodnog čvora, gde je energija takođe minimalna, atom mora proći kroz stanje sa povećanom potencijalnom energijom i savladati energetsku barijeru. Za to je potrebno da atom od svojih susjeda dobije višak energije, koju gubi pri „stiskanju“ u novi položaj. Visina energetske barijere E m naziva se energija aktivacije migracije slobodnih radnih mjesta.

Izvori i ponori točkastih defekata. Glavni izvor i ponor točkastih defekata su linearni i površinski defekti. U velikim savršenim monokristalima moguća je razgradnja prezasićene čvrste otopine vlastitih točkastih defekata uz nastanak tzv. mikrodefekti.

Kompleksi točkastih defekata. Najjednostavniji kompleks točkastih defekata je bivakancija (divakancija): dva slobodna mjesta koja se nalaze na susjednim mjestima rešetke. Kompleksi koji se sastoje od dva ili više atoma nečistoća, kao i atoma nečistoća i njihovih vlastitih točkastih defekata, igraju glavnu ulogu u metalima i poluvodičima. Konkretno, takvi kompleksi mogu značajno utjecati na čvrstoću, električna i optička svojstva čvrstih tijela.

3.2 Linearni defekti

Jednodimenzionalni (linearni) defekti su kristalni defekti, čija je veličina u jednom smjeru mnogo veća od parametra rešetke, au druga dva - uporediva s njim. Linearni defekti uključuju dislokacije i disklinacije. Opća definicija: dislokacija je granica područja nepotpunog smicanja u kristalu. Dislokacije karakterizira vektor smicanja (Burgersov vektor) i ugao μ između njega i dislokacijske linije. Kada je μ = 0, dislokacija se naziva vijčana dislokacija; na c=90° - ivica; pod drugim uglovima se miješa i zatim se može razložiti na spiralne i rubne komponente. Dislokacije nastaju tokom rasta kristala; prilikom njegove plastične deformacije iu mnogim drugim slučajevima. Njihova distribucija i ponašanje pod vanjskim utjecajima određuju najvažnije mehaničke osobine, posebno kao što su čvrstoća, duktilnost, itd. Disklinacija je granica područja nepotpune rotacije u kristalu. Karakterizira ga vektor rotacije.

3.3 Površinski defekti

Glavni reprezentativni nedostatak ove klase je površina kristala. Drugi slučajevi su granice zrna materijala, uključujući granice niskog ugla (koje predstavljaju asocijacije dislokacija), ravni zbrajanja, međufazne površine, itd.

3.4 Volumetrijski nedostaci

To uključuje klastere slobodnih radnih mjesta koje formiraju pore i kanale; čestice taložene na raznim defektima (dekoracija), na primjer, mjehurići plina, mjehurići matične tekućine; nakupine nečistoća u obliku sektora (pješčanih sati) i zona rasta. U pravilu se radi o porama ili inkluzijama nečistoća. Oni su konglomerat mnogih nedostataka. Poreklo: poremećaj režima rasta kristala, raspadanje prezasićenog čvrstog rastvora, kontaminacija uzoraka. U nekim slučajevima (na primjer, tijekom taložnog stvrdnjavanja), volumetrijski defekti se posebno unose u materijal kako bi se modificirala njegova fizička svojstva.

Poglavlje 4. Primljenobez kristala

Razvoj nauke i tehnologije doveo je do toga da je mnogo dragog kamenja ili jednostavno kristala koji se rijetko nalazi u prirodi postalo jako potrebno za izradu dijelova uređaja i strojeva, za naučna istraživanja. Potražnja za mnogim kristalima je toliko porasla da ju je bilo nemoguće zadovoljiti širenjem obima proizvodnje starih i traženjem novih prirodnih nalazišta.

Osim toga, mnoge grane tehnologije, a posebno naučna istraživanja sve više zahtijevaju monokristale vrlo visoke kemijske čistoće sa savršenom kristalnom strukturom. Kristali koji se nalaze u prirodi ne ispunjavaju ove zahtjeve, jer rastu u uvjetima koji su vrlo daleko od idealnih.

Tako se pojavio zadatak razvoja tehnologije za umjetnu proizvodnju monokristala mnogih elemenata i kemijskih spojeva.

Razvoj relativno jednostavne metode izrade „dragulja“ dovodi do činjenice da on prestaje biti dragocjen. To se objašnjava činjenicom da su većina dragog kamenja kristali hemijskih elemenata i spojeva rasprostranjenih u prirodi. Dakle, dijamant je kristal ugljika, rubin i safir su kristali aluminij oksida s raznim nečistoćama.

Razmotrimo glavne metode uzgoja monokristala. Na prvi pogled može izgledati da je kristalizacija iz taline vrlo jednostavna. Dovoljno je zagrijati supstancu iznad njene tačke topljenja, dobiti rastop, a zatim ga ohladiti. U principu, ovo je ispravan način, ali ako se ne preduzmu posebne mjere, onda ćete u najboljem slučaju dobiti polikristalni uzorak. A ako se eksperiment izvede, na primjer, s kvarcom, sumporom, selenom, šećerom, koji se, ovisno o brzini hlađenja njihovih talina, mogu stvrdnuti u kristalnom ili amorfnom stanju, onda nema garancije da će amorfno tijelo neće se dobiti.

Da bi se uzgajao jedan kristal, sporo hlađenje nije dovoljno. Potrebno je prvo ohladiti jednu malu površinu taline i dobiti "nukleaciju" kristala u njoj, a zatim, uzastopno hlađenje taline koja okružuje "nukleaciju", dozvoliti kristalu da raste po cijeloj zapremini kristala. rastopiti. Ovaj proces se može postići polaganim spuštanjem lončića u kojem se nalazi talina kroz otvor u vertikalnoj cijevnoj peći. Kristal nastaje na dnu lončića, budući da prvo ulazi u područje nižih temperatura, a zatim postepeno raste po cijeloj zapremini taline. Dno lončića je posebno usko, zašiljeno u konus, tako da se u njemu može smjestiti samo jedno kristalno jezgro.

Ova metoda se često koristi za uzgoj kristala cinka, srebra, aluminija, bakra i drugih metala, kao i natrijum hlorida, kalijum bromida, litijum fluorida i drugih soli koje se koriste u optičkoj industriji. U jednom danu možete uzgojiti kristal kamene soli težak oko kilogram.

Nedostatak opisane metode je kontaminacija kristala materijalom lončića. svojstvo simetrije kristalnog defekta

Metoda uzgoja kristala iz taline bez lonaca, koja se koristi za uzgoj, na primjer, korunda (rubina, safira), nema ovaj nedostatak. Najfiniji prah aluminij oksida iz zrna veličine 2-100 mikrona izlijeva se u tankom mlazu iz spremnika, prolazi kroz kisik-vodikov plamen, topi se i pada u obliku kapi na šipku od vatrostalnog materijala. Temperatura štapa se održava nešto ispod tačke topljenja aluminijum oksida (2030°C). Kapljice aluminijum-oksida se hlade na njemu i formiraju koru od sinterovane korundne mase. Mehanizam sata polako (10-20 mm/h) spušta štap, a na njemu postepeno izrasta neizrezani kristal korunda u obliku obrnutog krušaka, tzv.

Kao iu prirodi, dobijanje kristala iz rastvora se svodi na dve metode. Prvi od njih se sastoji od laganog isparavanja rastvarača iz zasićene otopine, a drugi od laganog snižavanja temperature otopine. Druga metoda se češće koristi. Kao rastvarači koriste se voda, alkoholi, kiseline, rastopljene soli i metali. Nedostatak metoda uzgoja kristala iz otopine je mogućnost kontaminacije kristala česticama rastvarača.

Kristal raste iz onih područja prezasićene otopine koja ga neposredno okružuju. Kao rezultat, ispada da je otopina blizu kristala manje prezasićena nego daleko od njega. Pošto je prezasićeni rastvor teži od zasićenog, uvek postoji uzlazni tok „iskorišćenog“ rastvora iznad površine rastućeg kristala. Bez takvog miješanja otopine, rast kristala bi brzo prestao. Stoga se otopina često dodatno miješa ili kristal fiksira na rotirajući držač. Ovo vam omogućava da uzgajate naprednije kristale.

Što je niža stopa rasta, to su kristali bolji. Ovo pravilo vrijedi za sve metode uzgoja. Kristali šećera i kuhinjske soli mogu se lako dobiti iz vodene otopine kod kuće. Ali, nažalost, ne mogu se svi kristali tako lako uzgajati. Na primjer, proizvodnja kristala kvarca iz otopine odvija se na temperaturi od 400°C i pritisku od 1000 at.

Poglavlje 5. Svojstva kristala

Gledajući razne kristale, vidimo da su svi različitog oblika, ali svaki od njih predstavlja simetrično tijelo. Zaista, simetrija je jedno od glavnih svojstava kristala. Tijela nazivamo simetričnima ako se sastoje od jednakih, identičnih dijelova.

Svi kristali su simetrični. To znači da se u svakom kristalnom poliedru mogu naći ravni simetrije, ose simetrije, centri simetrije i drugi elementi simetrije tako da se identični delovi poliedra uklapaju zajedno. Hajde da uvedemo još jedan koncept vezan za simetriju - polaritet.

Svaki kristalni poliedar ima određeni skup elemenata simetrije. Kompletan skup svih elemenata simetrije svojstvenih datom kristalu naziva se klasa simetrije. Njihov broj je ograničen. Matematički je dokazano da u kristalima postoje 32 vrste simetrije.

Razmotrimo detaljnije vrste simetrije u kristalu. Prije svega, kristali mogu imati ose simetrije od samo 1, 2, 3, 4 i 6 reda. Očigledno, ose simetrije 5., 7. i višeg reda nisu moguće, jer s takvom strukturom atomski redovi i mreže neće kontinuirano ispunjavati prostor; između ravnotežnih položaja atoma će se pojaviti praznine i praznine. Atomi neće biti u najstabilnijim pozicijama, a kristalna struktura će se srušiti.

U kristalnom poliedru možete pronaći različite kombinacije elemenata simetrije - neki imaju malo, drugi mnogo. Prema simetriji, prvenstveno po osi simetrije, kristali se dijele u tri kategorije.

U najvišu kategoriju spadaju najsimetričniji kristali, mogu imati više osa simetrije reda 2, 3 i 4, nema osi 6. reda, mogu imati ravnine i centre simetrije. Ovi oblici uključuju kocku, oktaedar, tetraedar, itd. Svi imaju zajedničku osobinu: približno su isti u svim smjerovima.

Kristali srednje kategorije mogu imati osi od 3, 4 i 6 reda, ali samo jednu po jednu. Može postojati više osi reda 2; moguće su ravni simetrije i centri simetrije. Oblici ovih kristala: prizme, piramide, itd. Zajednička karakteristika: oštra razlika duž i poprečno glavne ose simetrije.

Kristali u najvišoj kategoriji uključuju: dijamant, kvarc, germanijum, silicijum, bakar, aluminijum, zlato, srebro, sivi kalaj, volfram, gvožđe. U srednju kategoriju: grafit, rubin, kvarc, cink, magnezijum, bijeli kalaj, turmalin, beril. Najniže: gips, liskun, bakar sulfat, Rochelle sol itd. Naravno, na ovoj listi nisu navedeni svi postojeći kristali, već samo najpoznatiji od njih.

Kategorije su zauzvrat podijeljene u sedam sistema. U prijevodu s grčkog, "singonija" znači "sličan ugao". Kristali sa identičnim osama simetrije, a samim tim i sa sličnim uglovima rotacije u strukturi, kombinovani su u kristalni sistem.

Fizička svojstva kristala najčešće zavise od njihove strukture i hemijskog sastava.

Prvo, vrijedno je spomenuti dva osnovna svojstva kristala. Jedna od njih je anizotropija. Ovaj izraz označava promjenu svojstava ovisno o smjeru. U isto vrijeme, kristali su homogena tijela. Homogenost kristalne supstance sastoji se u činjenici da njena dva dela istog oblika i iste orijentacije imaju identična svojstva.

Hajde da prvo razgovaramo o električnim svojstvima. U principu, električna svojstva kristala mogu se razmotriti na primjeru metala, budući da metali, u jednom od svojih stanja, mogu biti kristalni agregati. Elektroni, koji se slobodno kreću u metalu, ne mogu izaći; za to je potrebna energija. Ako se u ovom slučaju troši energija zračenja, efekat apstrakcije elektrona izaziva takozvani fotoelektrični efekat. Sličan efekat je primećen i kod pojedinačnih kristala. Elektron istrgnut iz molekularne orbite, koji ostaje unutar kristala, uzrokuje metalnu provodljivost u potonjem (unutrašnji fotoelektrični efekat). U normalnim uslovima (bez zračenja) takvi spojevi nisu provodnici električne struje.

Ponašanje svjetlosnih valova u kristalima proučavao je E. Bertolin, koji je prvi primijetio da se valovi ponašaju nestandardno kada prolaze kroz kristal. Jednog dana Bertalin je skicirao diedarske uglove islandskog šparta, zatim je stavio kristal na crteže, tada je naučnik prvi put vidio da se svaka linija račva. Nekoliko puta se uvjerio da svi spar kristali račvaju svjetlost, a tek tada je Bertalin napisao raspravu “Eksperimenti s dvolomnim islandskim kristalom, koji su doveli do otkrića divnog i izvanrednog prelamanja” (1669.). Naučnik je poslao rezultate svojih eksperimenata pojedinačnim naučnicima i akademijama u nekoliko zemalja. Radovi su prihvaćeni sa potpunim nepovjerenjem. Engleska akademija nauka dodijelila je grupu naučnika da testiraju ovaj zakon (Newton, Boyle, Hooke, itd.). Ova mjerodavna komisija je ovu pojavu prepoznala kao slučajnu, a zakon kao nepostojeću. Rezultati Bertalinovih eksperimenata su zaboravljeni.

Samo 20 godina kasnije, Christiaan Huygens je potvrdio ispravnost Bertalinovog otkrića i sam otkrio dvolom u kvarcu. Mnogi naučnici koji su naknadno proučavali ovo svojstvo potvrdili su da ne samo islandska šparta, već i mnogi drugi kristali račvaju svjetlost.

...

Slični dokumenti

Kristalna struktura. Uloga, predmet i zadaci fizike čvrstog stanja. Kristalna i amorfna tijela. Vrste kristalnih rešetki. Vrste veza u kristalima. Kristalne strukture čvrstih tijela. Tečni kristali. Defekti kristala.

predavanje, dodano 13.03.2007


Pojam i glavne karakteristike kondenzovanog stanja materije, karakteristični procesi. Kristalna i amorfna tijela. Suština i karakteristike kristalne anizotropije. Prepoznatljive karakteristike polikristala i polimera. Toplinska svojstva i struktura kristala.

kurs predavanja, dodato 21.02.2009


Opća svojstva čvrstog tijela, njegovo stanje. Lokalizovana i delokalizovana stanja čvrste, karakteristične osobine. Suština, vrste hemijskih veza u čvrstim materijama. Lokalni i nelokalni opisi u neiskrivljenim rešetkama. Tačkasti defekti.

tutorial, dodano 21.02.2009


Kristali su prave čvrste materije. Termodinamika točkastih defekata u kristalima, njihova migracija, izvori i ponori. Proučavanje dislokacije, linearnog defekta u kristalnoj strukturi čvrstih tijela. Dvodimenzionalni i trodimenzionalni defekti. Amorfne čvrste materije.

izvještaj, dodan 01.07.2015


Fizika čvrstog stanja jedan je od stubova na kojima počiva moderno tehnološko društvo. Fizička struktura čvrstih tijela. Simetrija i klasifikacija kristala. Osobine deformacija i naprezanja. Defekti kristala, načini povećanja snage.

prezentacija, dodano 02.12.2010


Dodavanje elemenata diskontinualne simetrije. Konzistentna refleksija u dvije paralelne ravni simetrije. Zbir ravni simetrije i translacije okomite na nju. Karakteristike djelovanja vektora translacije na ose okomite na njega.

prezentacija, dodano 23.09.2013


Kristalna i amorfna stanja čvrstih tijela, uzroci točkastih i linearnih defekata. Nukleacija i rast kristala. Vještačka proizvodnja dragog kamenja, čvrstih rastvora i tečnih kristala. Optička svojstva holesteričnih tečnih kristala.

sažetak, dodan 26.04.2010


Fotoelektrična svojstva nehomogenih poluprovodničkih uzoraka. Energetska struktura omskog kontakta u prisustvu neravnomjerno raspoređenih elektronskih zamki. Fotoelektrična svojstva kristala obrađenih u plinskom pražnjenju.

teza, dodana 18.03.2008


Defekti u stvarnim kristalima, princip rada bipolarnih tranzistora. Distorzija kristalne rešetke u međuprostornim i supstitucionim čvrstim rastvorima. Površinski fenomeni u poluprovodnicima. Parametri tranzistora i koeficijent prijenosa struje emitera.

test, dodano 22.10.2009


Vodikova veza u vodi, njeni glavni kriteriji. Anomalna svojstva vode. Koncept elektrolize i elektrolita. Elektrokristalizacija i njeni zakoni. Dinamika mreže vodoničnih veza tokom elektrokristalizacije vode. Kristalni i amorfni led.

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

Svako može lako podijeliti tijela na čvrsta i tečna. Međutim, ova podjela će se temeljiti samo na vanjskim znakovima. Da bismo saznali koja svojstva imaju čvrste materije, zagrejaćemo ih. Neka tijela će početi gorjeti (drvo, ugalj) - to su organske tvari. Drugi će omekšati (smola) čak i na niskim temperaturama - oni su amorfni. Posebnu grupu čvrstih materija čine one za koje je zavisnost temperature od vremena zagrevanja prikazana na slici 12. To su kristalne čvrste materije. Ovo ponašanje kristalnih tijela pri zagrijavanju objašnjava se njihovom unutrašnjom strukturom. Kristalna tijela- to su tijela čiji su atomi i molekuli raspoređeni u određenom redoslijedu, a taj red se čuva na prilično velikoj udaljenosti. Prostorni periodični raspored atoma ili jona u kristalu naziva se kristalna rešetka. Tačke kristalne rešetke na kojima se nalaze atomi ili ioni nazivaju se čvorovi rešetke.

Kristalna tijela su ili monokristali ili polikristali. Monocrystal ima jednokristalnu rešetku u cijelom svom volumenu.

Anizotropija monokristala leži u zavisnosti njihovih fizičkih svojstava o pravcu. Polycrystal To je kombinacija malih, različito orijentiranih monokristala (zrna) i nema anizotropiju svojstava. Većina čvrstih materija ima polikristalnu strukturu (minerali, legure, keramika).

Glavna svojstva kristalnih tijela su: sigurnost tačke topljenja, elastičnost, čvrstoća, ovisnost svojstava o redu rasporeda atoma, odnosno o vrsti kristalne rešetke.

Amorfna su tvari koje nemaju red u rasporedu atoma i molekula u cijelom volumenu ove tvari. Za razliku od kristalnih supstanci, amorfne supstance izotropna. To znači da su svojstva ista u svim smjerovima. Prijelaz iz amorfnog stanja u tekućinu odvija se postupno; ne postoji određena tačka topljenja. Amorfna tijela nemaju elastičnost, plastična su. U amorfnom stanju su razne tvari: staklo, smole, plastika itd.

Elastičnost- svojstvo tijela da nakon prestanka vanjskih sila ili drugih razloga koji su uzrokovali deformaciju tijela vraćaju svoj oblik i zapreminu. Prema prirodi pomaka čestica čvrstog tijela, deformacije koje nastaju pri promjeni njegovog oblika dijele se na: zatezanje - kompresiju, smicanje, torziju i savijanje. Za elastične deformacije vrijedi Hookeov zakon prema kojem su elastične deformacije direktno proporcionalne vanjskim utjecajima koji ih uzrokuju. Za vlačno-tlačnu deformaciju, Hookeov zakon ima oblik: , gdje je mehaničko naprezanje, je relativno istezanje, je apsolutno izduženje, je Youngov modul (modul elastičnosti). Elastičnost je posljedica interakcije i toplinskog kretanja čestica koje čine supstancu.

Ovisno o fizičkim svojstvima i molekularnoj strukturi, postoje dvije glavne klase čvrstih tvari - kristalne i amorfne.

Definicija 1

Amorfna tijela imaju takvu osobinu kao što je izotropija. Ovaj koncept znači da su relativno neovisni o optičkim, mehaničkim i drugim fizičkim svojstvima i smjeru u kojem na njih djeluju vanjske sile.

Glavna karakteristika afmoričnih tijela je haotični raspored atoma i molekula, koji se okupljaju samo u male lokalne grupe, ne više od nekoliko čestica u svakoj.

Ovo svojstvo približava amorfna tijela tečnostima. Takve čvrste materije uključuju ćilibar i druge tvrde smole, razne vrste plastike i stakla. Pod uticajem visokih temperatura, amorfna tela omekšaju, ali je potrebna jaka toplota da se pretvore u tečnost.

Sva kristalna tijela imaju jasnu unutrašnju strukturu. Grupe čestica u istom redosledu periodično se ponavljaju u celom volumenu takvog tela. Za vizualizaciju takve strukture obično se koriste prostorne kristalne rešetke. Sastoje se od određenog broja čvorova koji formiraju centre molekula ili atoma određene tvari. Obično je takva rešetka izgrađena od jona koji su dio željenih molekula. Dakle, u kuhinjskoj soli, unutrašnja struktura se sastoji od jona natrijuma i hlora, kombinovanih u parovima u molekule. Takva kristalna tijela nazivaju se jonskim.

Slika 3. 6. 1 . Kristalna rešetka kuhinjske soli.

Definicija 2

U strukturi svake supstance može se razlikovati jedna minimalna komponenta - jedinična ćelija.

Cijela rešetka od koje se sastoji kristalno tijelo može se sastaviti translacijom (paralelnim prijenosom) takve ćelije u određenim smjerovima.

Broj tipova kristalnih rešetki nije beskonačan. Postoji ukupno 230 vrsta, od kojih je većina umjetno stvorena ili pronađena u prirodnim materijalima. Strukturne rešetke mogu biti u obliku kocki usredsređenih na telo (na primer, za gvožđe), kocki centriranih na lice (za zlato, bakar) ili prizme sa šest lica (magnezijum, cink).

Zauzvrat, kristalna tijela se dijele na polikristale i monokristale. Većina tvari pripada polikristalima, jer sastoje se od takozvanih kristalita. To su mali kristali spojeni zajedno i nasumično orijentirani. Monokristalne tvari su relativno rijetke, čak i među umjetnim materijalima.

Definicija 3

Polikristali imaju svojstvo izotropije, odnosno ista svojstva u svim smjerovima.

Polikristalna struktura tijela je jasno vidljiva pod mikroskopom, a za neke materijale, poput livenog gvožđa, čak i golim okom.

Definicija 4

Polimorfizam– je sposobnost supstance da postoji u više faza, tj. kristalne modifikacije koje se međusobno razlikuju po fizičkim svojstvima.

Poziva se proces prelaska na drugu modifikaciju polimorfna tranzicija.

Primjer takvog fenomena može biti transformacija grafita u dijamant, koja se u industrijskim uvjetima događa pri visokom pritisku (do 100.000 atmosfera) i visokim temperaturama.
(do 2000 K).

Za proučavanje strukture rešetke jednog kristalnog ili polikristalnog uzorka koristi se difrakcija rendgenskih zraka.

Jednostavne kristalne rešetke prikazane su na donjoj slici. Mora se uzeti u obzir da je razmak između čestica toliko mali da je uporediv sa veličinom samih čestica. Radi jasnoće, dijagrami prikazuju samo položaje centara.

Slika 3. 6. 2. Jednostavne kristalne rešetke: 1 – prosta kubična rešetka; 2 – čelocentrirana kubična rešetka; 3 – kubična rešetka centrirana po tijelu; 4 – heksagonalna rešetka.

Najjednostavnija je kubična rešetka: takva struktura se sastoji od kocki s česticama na vrhovima. Rešetka centrirana na lice ima čestice ne samo na vrhovima, već i na stranama. Na primjer, kristalna rešetka kuhinjske soli sastoji se od dvije centrirane rešetke ugniježđene jedna unutar druge. Rešetka centrirana na tijelo ima dodatne čestice u središtu svake kocke.

Metalne rešetke imaju jednu važnu osobinu. Joni neke supstance se drže na mjestu interakcijom s plinom slobodnih elektrona. Takozvani elektronski plin formiran je od jednog ili više elektrona koje su predali atomi. Takvi slobodni elektroni mogu se kretati po cijelom volumenu kristala.

Slika 3. 6. 3. Struktura metalnog kristala.

Ako primijetite grešku u tekstu, označite je i pritisnite Ctrl+Enter

Kao tečnost, ali i oblik. Oni su pretežno u kristalnom stanju.
Kristali- to su čvrsta tijela, čiji atomi ili molekuli zauzimaju određene, uređene položaje u prostoru. Stoga kristali imaju ravne ivice. Na primjer, zrno obične kuhinjske soli ima ravne ivice koje formiraju prave kutove jedna s drugom ( Fig.12.1).

To se može vidjeti ispitivanjem soli pomoću lupe. A kako je geometrijski ispravan oblik pahulje! Takođe odražava geometrijsku ispravnost unutrašnje strukture kristalne čvrste supstance - leda ( Sl.12.2).

Anizotropija kristala. Međutim, pravilan vanjski oblik nije jedina, pa čak ni najvažnija posljedica uređene strukture kristala. Glavna stvar je ovisnost fizičkih svojstava kristala o odabranom smjeru u kristalu.
Prije svega, upadljiva je različita mehanička čvrstoća kristala u različitim smjerovima. Na primjer, komad liskuna se lako ljušti u jednom smjeru u tanke ploče ( Sl.12.3), ali ga je mnogo teže razbiti u smjeru okomitom na ploče.

Kristal grafita se također lako ljušti u jednom smjeru. Kada pišete olovkom, ovo raslojavanje se događa kontinuirano i tanki slojevi grafita ostaju na papiru. To se događa zato što kristalna rešetka grafita ima slojevitu strukturu. Slojevi su formirani nizom paralelnih mreža koje se sastoje od atoma ugljika ( Fig.12.4). Atomi se nalaze na vrhovima pravilnih šesterokuta. Udaljenost između slojeva je relativno velika - oko 2 puta dužine stranice šesterokuta, tako da su veze između slojeva manje jake od veza unutar njih.

Mnogi kristali različito provode toplinu i električnu energiju u različitim smjerovima. Optička svojstva kristala također zavise od smjera. Dakle, kristal kvarca lomi svjetlost različito ovisno o smjeru zraka koji na njega upadaju.
Ovisnost fizičkih svojstava o smjeru unutar kristala naziva se anizotropija. Sva kristalna tijela su anizotropna.
Monokristali i polikristali. Metali imaju kristalnu strukturu. Upravo se metali danas uglavnom koriste za izradu alata, raznih mašina i mehanizama.
Ako uzmete relativno veliki komad metala, onda se na prvi pogled njegova kristalna struktura ni na koji način ne pojavljuje ni u izgledu ovog komada ni u njegovim fizičkim svojstvima. Metali u svom normalnom stanju ne pokazuju anizotropiju.
Poenta je da se metal obično sastoji od ogromnog broja malih kristala spojenih zajedno. Pod mikroskopom ili čak sa povećalom lako ih je vidjeti, posebno na svježem metalnom lomu ( Fig.12.5). Svojstva svakog kristala ovise o smjeru, ali kristali su nasumično orijentirani jedan prema drugom. Kao rezultat toga, u zapremini znatno većoj od zapremine pojedinačnih kristala, svi pravci unutar metala su jednaki i svojstva metala su ista u svim pravcima.

Čvrsta materija koja se sastoji od velikog broja malih kristala naziva se polikristalni. Monokristali se nazivaju monokristali.
Uz velike mjere opreza, moguće je uzgojiti veliki metalni kristal - monokristal.
U normalnim uvjetima, polikristalno tijelo nastaje kao rezultat činjenice da se rast mnogih kristala koji je započeo nastavlja sve dok ne dođu u kontakt jedan s drugim, formirajući jedno tijelo.
Polikristali ne uključuju samo metale. Komad šećera, na primjer, također ima polikristalnu strukturu.
Većina kristalnih čvrstih materija su polikristali, jer se sastoje od mnogih međusobno sraslih kristala. Monokristali - monokristali imaju pravilan geometrijski oblik, a svojstva su im različita u različitim smjerovima (anizotropija).

???
1. Da li su sva kristalna tijela anizotropna?
2. Drvo je anizotropno. Je li to kristalno tijelo?
3. Navedite primjere monokristalnih i polikristalnih čvrstih tvari koje nisu spomenute u tekstu.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizika 10. razred

Sadržaj lekcije beleške sa lekcija podrška okvirnoj prezentaciji lekcija metode ubrzanja interaktivne tehnologije Vježbajte zadaci i vježbe radionice za samotestiranje, obuke, slučajevi, potrage domaća zadaća diskusija pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video i multimedija fotografije, slike, grafike, tabele, dijagrami, humor, anegdote, vicevi, stripovi, parabole, izreke, ukrštene reči, citati Dodaci sažetakačlanci trikovi za radoznale jaslice udžbenici osnovni i dodatni rječnik pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i lekcijaispravljanje grešaka u udžbeniku ažuriranje fragmenta u udžbeniku, elementi inovacije u lekciji, zamjena zastarjelog znanja novim Samo za nastavnike savršene lekcije kalendarski plan za godinu, metodološke preporuke, program diskusije Integrisane lekcije

Ako imate ispravke ili prijedloge za ovu lekciju,