Ένας κρύσταλλος είναι διαφορετικός από ένα άμορφο στερεό. Κρυσταλλικά και άμορφα σώματα: δομή και ιδιότητες. Αριθμός συντονισμού γ.ν.

Τα στερεά είναι κρυσταλλικά και άμορφα σώματα. Κρύσταλλο είναι αυτό που ονομάζονταν πάγος στην αρχαιότητα. Και τότε άρχισαν να αποκαλούν τον χαλαζία κρύσταλλο και θεώρησαν ότι αυτά τα ορυκτά ήταν απολιθωμένος πάγος. Οι κρύσταλλοι είναι φυσικοί και χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία κοσμημάτων, την οπτική, τη ραδιομηχανική και τα ηλεκτρονικά, ως στηρίγματα για στοιχεία σε όργανα εξαιρετικά ακριβείας, ως εξαιρετικά σκληρό λειαντικό υλικό.

Τα κρυσταλλικά σώματα χαρακτηρίζονται από σκληρότητα και έχουν αυστηρά κανονική θέση στο χώρο των μορίων, ιόντων ή ατόμων, με αποτέλεσμα να σχηματίζεται ένα τρισδιάστατο περιοδικό κρυσταλλικό πλέγμα (δομή). Εξωτερικά, αυτό εκφράζεται από μια ορισμένη συμμετρία του σχήματος ενός στερεού σώματος και ορισμένων φυσικών ιδιοτήτων του. Στην εξωτερική τους μορφή, τα κρυσταλλικά σώματα αντανακλούν τη συμμετρία που είναι εγγενής στην εσωτερική «συσκευασία» των σωματιδίων. Αυτό καθορίζει την ισότητα των γωνιών μεταξύ των επιφανειών όλων των κρυστάλλων που αποτελούνται από την ίδια ουσία.

Σε αυτά, οι αποστάσεις από κέντρο σε κέντρο μεταξύ γειτονικών ατόμων θα είναι επίσης ίσες (αν βρίσκονται στην ίδια ευθεία, τότε αυτή η απόσταση θα είναι η ίδια σε όλο το μήκος της γραμμής). Αλλά για άτομα που βρίσκονται σε ευθεία γραμμή με διαφορετική κατεύθυνση, η απόσταση μεταξύ των κέντρων των ατόμων θα είναι διαφορετική. Αυτή η περίσταση εξηγεί την ανισοτροπία. Η ανισοτροπία είναι η κύρια διαφορά μεταξύ των κρυσταλλικών και των άμορφων σωμάτων.

Περισσότερο από το 90% των στερεών μπορούν να ταξινομηθούν ως κρύσταλλοι. Στη φύση υπάρχουν με τη μορφή μονοκρυστάλλων και πολυκρυστάλλων. Οι μονοκρυστάλλοι είναι μονοκρυστάλλοι, οι όψεις των οποίων αντιπροσωπεύονται από κανονικά πολύγωνα. Χαρακτηρίζονται από την παρουσία ενός συνεχούς κρυσταλλικού πλέγματος και την ανισοτροπία των φυσικών ιδιοτήτων.

Οι πολυκρυστάλλοι είναι σώματα που αποτελούνται από πολλούς μικρούς κρυστάλλους, που «αναπτύσσονται μαζί» κάπως χαοτικά. Οι πολυκρυστάλλοι είναι μέταλλα, ζάχαρη, πέτρες, άμμος. Σε τέτοια σώματα (για παράδειγμα, ένα θραύσμα ενός μετάλλου), η ανισοτροπία συνήθως δεν εμφανίζεται λόγω της τυχαίας διάταξης των στοιχείων, αν και η ανισοτροπία είναι χαρακτηριστική ενός μεμονωμένου κρυστάλλου αυτού του σώματος.

Άλλες ιδιότητες των κρυσταλλικών σωμάτων: αυστηρά καθορισμένη θερμοκρασία (παρουσία κρίσιμων σημείων), αντοχή, ελαστικότητα, ηλεκτρική αγωγιμότητα, μαγνητική αγωγιμότητα, θερμική αγωγιμότητα.

Άμορφο - χωρίς σχήμα. Έτσι μεταφράζεται κυριολεκτικά αυτή η λέξη από τα ελληνικά. Τα άμορφα σώματα δημιουργούνται από τη φύση. Για παράδειγμα, κεχριμπάρι, κερί Οι άνθρωποι εμπλέκονται στη δημιουργία τεχνητών άμορφων σωμάτων - γυαλί και ρητίνες (τεχνητές), παραφίνη, πλαστικά (πολυμερή), κολοφώνιο, ναφθαλίνη, var. δεν έχουν λόγω της χαοτικής διάταξης των μορίων (άτομα, ιόντα) στη δομή του σώματος. Επομένως, για κάθε άμορφο σώμα είναι ισότροπα - τα ίδια προς όλες τις κατευθύνσεις. Για τα άμορφα σώματα δεν υπάρχει κρίσιμο σημείο τήξης· σταδιακά μαλακώνουν όταν θερμαίνονται και μετατρέπονται σε παχύρρευστα υγρά. Τα άμορφα σώματα έχουν μια ενδιάμεση (μεταβατική) θέση μεταξύ υγρών και κρυσταλλικών σωμάτων: σε χαμηλές θερμοκρασίες σκληραίνουν και γίνονται ελαστικά, επιπλέον, μπορούν να χωριστούν σε άμορφα κομμάτια κατά την κρούση. Σε υψηλές θερμοκρασίες, αυτά τα ίδια στοιχεία παρουσιάζουν πλαστικότητα και γίνονται παχύρρευστα υγρά.

Τώρα ξέρετε τι είναι τα κρυσταλλικά σώματα!

Στείλτε την καλή δουλειά σας στη βάση γνώσεων είναι απλή. Χρησιμοποιήστε την παρακάτω φόρμα

Φοιτητές, μεταπτυχιακοί φοιτητές, νέοι επιστήμονες που χρησιμοποιούν τη βάση γνώσεων στις σπουδές και την εργασία τους θα σας είναι πολύ ευγνώμονες.

Δημοσιεύτηκε στο http://www.allbest.ru/

Εισαγωγή

Κεφάλαιο 1. Κρυσταλλικά και άμορφα σώματα

1.1 Ιδανικοί κρύσταλλοι

1.2 Μονοί κρύσταλλοι και κρυσταλλικά αδρανή

1.3 Πολυκρυστάλλοι

Κεφάλαιο 2. Στοιχεία συμμετρίας κρυστάλλων

Κεφάλαιο 3. Είδη ελαττωμάτων σε στερεά

3.1 Βλάβες σημείου

3.2 Γραμμικά ελαττώματα

3.3 Επιφανειακά ελαττώματα

3.4 Ογκομετρικά ελαττώματα

Κεφάλαιο 4. Απόκτηση κρυστάλλων

Κεφάλαιο 5. Ιδιότητες των Κρυστάλλων

συμπέρασμα

Βιβλιογραφία

Εισαγωγή

Οι κρύσταλλοι είναι ένα από τα πιο όμορφα και μυστηριώδη δημιουργήματα της φύσης. Επί του παρόντος, η επιστήμη της κρυσταλλογραφίας μελετά την ποικιλομορφία των κρυστάλλων. Αποκαλύπτει σημάδια ενότητας σε αυτή την ποικιλομορφία, μελετά τις ιδιότητες και τη δομή τόσο των μονοκρυστάλλων όσο και των κρυσταλλικών συσσωματωμάτων. Η κρυσταλλογραφία είναι μια επιστήμη που μελετά διεξοδικά την κρυσταλλική ύλη. Αυτή η εργασία είναι επίσης αφιερωμένη στους κρυστάλλους και τις ιδιότητές τους.

Επί του παρόντος, οι κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται ευρέως στην επιστήμη και την τεχνολογία, καθώς έχουν ειδικές ιδιότητες. Τέτοιοι τομείς χρήσης κρυστάλλων όπως ημιαγωγοί, υπεραγωγοί, κβαντική ηλεκτρονική και πολλοί άλλοι απαιτούν μια βαθιά κατανόηση της εξάρτησης των φυσικών ιδιοτήτων των κρυστάλλων από τη χημική τους σύνθεση και δομή.

Επί του παρόντος, είναι γνωστές μέθοδοι για την τεχνητή ανάπτυξη κρυστάλλων. Ένας κρύσταλλος μπορεί να αναπτυχθεί σε ένα συνηθισμένο ποτήρι· αυτό απαιτεί μόνο μια συγκεκριμένη λύση και τη φροντίδα με την οποία είναι απαραίτητη η φροντίδα του αναπτυσσόμενου κρυστάλλου.

Υπάρχει μεγάλη ποικιλία κρυστάλλων στη φύση, και υπάρχουν επίσης πολλές διαφορετικές μορφές κρυστάλλων. Στην πραγματικότητα, είναι σχεδόν αδύνατο να δοθεί ένας ορισμός που να ισχύει για όλους τους κρυστάλλους. Εδώ, τα αποτελέσματα της ανάλυσης ακτίνων Χ κρυστάλλων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν. Οι ακτίνες Χ καθιστούν δυνατή την αίσθηση των ατόμων μέσα σε ένα κρυσταλλικό σώμα και τον προσδιορισμό της χωρικής τους θέσης. Ως αποτέλεσμα, διαπιστώθηκε ότι απολύτως όλοι οι κρύσταλλοι είναι κατασκευασμένοι από στοιχειώδη σωματίδια που βρίσκονται σε αυστηρή σειρά μέσα στο κρυσταλλικό σώμα.

Σε όλες ανεξαιρέτως τις κρυσταλλικές δομές, πολλά πανομοιότυπα άτομα μπορούν να διακριθούν από άτομα, που βρίσκονται σαν κόμβοι ενός χωρικού πλέγματος. Για να φανταστούμε ένα τέτοιο πλέγμα, ας γεμίσουμε νοερά τον χώρο με πολλά ίσα παραλληλεπίπεδα, παράλληλα προσανατολισμένα και αγγίζοντας ολόκληρα πρόσωπα. Το απλούστερο παράδειγμα ενός τέτοιου κτιρίου είναι μια τοιχοποιία από πανομοιότυπα τούβλα. Εάν επιλέξουμε τα αντίστοιχα σημεία μέσα στα τούβλα, για παράδειγμα, τα κέντρα ή τις κορυφές τους, τότε θα λάβουμε ένα μοντέλο χωρικού πλέγματος. Όλα τα κρυσταλλικά σώματα χωρίς εξαίρεση χαρακτηρίζονται από δικτυωτή δομή.

Οι κρύσταλλοι ονομάζονται " όλα τα στερεά στα οποία τα συστατικά σωματίδια (άτομα, ιόντα, μόρια) είναι διατεταγμένα αυστηρά τακτικά σαν κόμβοι χωρικών δικτυωμάτωνΑυτός ο ορισμός είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στην αλήθεια· είναι κατάλληλος για οποιαδήποτε ομοιογενή κρυσταλλικά σώματα: βούλες (μια μορφή κρυστάλλου που δεν έχει όψεις, ακμές ή προεξέχουσες κορυφές), κόκκους και φιγούρες με επίπεδη όψη.

Κεφάλαιο 1.Κρυσταλλικά και άμορφα σώματα

Με βάση τις φυσικές τους ιδιότητες και τη μοριακή τους δομή, τα στερεά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες - άμορφα και κρυσταλλικά στερεά.

Χαρακτηριστικό γνώρισμα των άμορφων σωμάτων είναι η ισοτροπία τους, δηλ. ανεξαρτησία όλων των φυσικών ιδιοτήτων (μηχανικών, οπτικών, κ.λπ.) από την κατεύθυνση. Τα μόρια και τα άτομα σε ισότροπα στερεά διατάσσονται τυχαία, σχηματίζοντας μόνο μικρές τοπικές ομάδες που περιέχουν πολλά σωματίδια (τάξης μικρής εμβέλειας). Στη δομή τους, τα άμορφα σώματα είναι πολύ κοντά στα υγρά.

Παραδείγματα άμορφων σωμάτων περιλαμβάνουν γυαλί, διάφορες σκληρυμένες ρητίνες (κεχριμπαρένιο), πλαστικά κ.λπ. Εάν ένα άμορφο σώμα θερμανθεί, σταδιακά μαλακώνει και η μετάβαση σε υγρή κατάσταση παίρνει ένα σημαντικό εύρος θερμοκρασίας.

Στα κρυσταλλικά σώματα, τα σωματίδια είναι διατεταγμένα με αυστηρή σειρά, σχηματίζοντας χωρικές περιοδικά επαναλαμβανόμενες δομές σε όλο τον όγκο του σώματος. Για να αναπαραστήσετε οπτικά τέτοιες δομές, χωρικές κρυσταλλικά πλέγματα, στους κόμβους των οποίων βρίσκονται τα κέντρα ατόμων ή μορίων μιας δεδομένης ουσίας.

Σε κάθε χωρικό πλέγμα, μπορεί κανείς να διακρίνει ένα δομικό στοιχείο ελάχιστου μεγέθους, το οποίο ονομάζεται κυτταρική μονάδα.

Ρύζι. 1. Τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων: 1 - απλό κυβικό πλέγμα. 2 - κυβικό πλέγμα με επίκεντρο το πρόσωπο. 3 - κυβικό πλέγμα με κέντρο το σώμα. 4 - εξαγωνικό πλέγμα

Σε ένα απλό κυβικό πλέγμα, τα σωματίδια βρίσκονται στις κορυφές του κύβου. Σε ένα πλέγμα με επίκεντρο την όψη, τα σωματίδια βρίσκονται όχι μόνο στις κορυφές του κύβου, αλλά και στα κέντρα κάθε όψης του. Σε ένα κυβικό πλέγμα με κέντρο το σώμα, ένα επιπλέον σωματίδιο βρίσκεται στο κέντρο κάθε κυβικής μονάδας κυψέλης.

Θα πρέπει να θυμόμαστε ότι τα σωματίδια στους κρυστάλλους είναι σφιχτά συσκευασμένα, έτσι ώστε η απόσταση μεταξύ των κέντρων τους να είναι περίπου ίση με το μέγεθος των σωματιδίων. Στην εικόνα των κρυσταλλικών δικτυωμάτων, υποδεικνύεται μόνο η θέση των κέντρων των σωματιδίων.

1. 1 Τέλειοι Κρύσταλλοι

Το σωστό γεωμετρικό σχήμα των κρυστάλλων τράβηξε την προσοχή των ερευνητών ακόμη και στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης της κρυσταλλογραφίας και οδήγησε στη δημιουργία ορισμένων υποθέσεων για την εσωτερική τους δομή.

Αν σκεφτούμε έναν ιδανικό κρύσταλλο, δεν θα βρούμε παραβιάσεις σε αυτόν· όλα τα πανομοιότυπα σωματίδια βρίσκονται σε ίδιες παράλληλες σειρές. Εάν εφαρμόσουμε τρεις στοιχειώδεις μεταφράσεις που δεν βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο σε ένα αυθαίρετο σημείο και το επαναλαμβάνουμε ατελείωτα στο χώρο, παίρνουμε ένα χωρικό πλέγμα, δηλ. τρισδιάστατο σύστημα ισοδύναμων κόμβων. Έτσι, σε έναν ιδανικό κρύσταλλο, η διάταξη των υλικών σωματιδίων χαρακτηρίζεται από αυστηρή τρισδιάστατη περιοδικότητα. Και για να έχουμε μια σαφή ιδέα των μοτίβων που σχετίζονται με τη γεωμετρικά σωστή εσωτερική δομή των κρυστάλλων, στις εργαστηριακές τάξεις κρυσταλλογραφίας συνήθως χρησιμοποιούν μοντέλα ιδανικά σχηματισμένων κρυστάλλων με τη μορφή κυρτών πολυεδρών με επίπεδες όψεις και ευθείες άκρες. Στην πραγματικότητα, οι όψεις των πραγματικών κρυστάλλων δεν είναι τελείως επίπεδες, καθώς καθώς μεγαλώνουν καλύπτονται με φυμάτια, τραχύτητα, αυλάκια, κοιλώματα ανάπτυξης, γειτονικά σημεία (πρόσωπα που αποκλίνουν πλήρως ή εν μέρει από την ιδανική τους θέση), σπείρες ανάπτυξης ή διάλυσης, και τα λοιπά. .

Τέλειο κρύσταλλο- αυτό είναι ένα φυσικό μοντέλο, το οποίο είναι ένας άπειρος ενιαίος κρύσταλλος που δεν περιέχει ακαθαρσίες ή δομικά ελαττώματα. Η διαφορά μεταξύ πραγματικών κρυστάλλων και ιδανικών οφείλεται στο πεπερασμένο των μεγεθών τους και στην παρουσία ελαττωμάτων. Η παρουσία ορισμένων ελαττωμάτων (για παράδειγμα, ακαθαρσιών, διακρυσταλλικών ορίων) σε πραγματικούς κρυστάλλους μπορεί να αποφευχθεί σχεδόν πλήρως χρησιμοποιώντας ειδικές μεθόδους ανάπτυξης, ανόπτησης ή καθαρισμού. Ωστόσο, σε θερμοκρασία T>0K, οι κρύσταλλοι έχουν πάντα μια πεπερασμένη συγκέντρωση (θερμικά ενεργοποιημένων) κενών και ενδιάμεσων ατόμων, ο αριθμός των οποίων στην ισορροπία μειώνεται εκθετικά με τη μείωση της θερμοκρασίας.

Οι κρυσταλλικές ουσίες μπορεί να υπάρχουν με τη μορφή μονοκρυστάλλων ή πολυκρυσταλλικών δειγμάτων.

Ένας απλός κρύσταλλος είναι ένα στερεό στο οποίο μια κανονική δομή καλύπτει ολόκληρο τον όγκο της ουσίας. Τα μονοκρύσταλλα βρίσκονται στη φύση (χαλαζίας, διαμάντι, σμαράγδι) ή παράγονται τεχνητά (ρουμπίνι).

Τα πολυκρυσταλλικά δείγματα αποτελούνται από μεγάλο αριθμό μικρών, τυχαία προσανατολισμένων, κρυστάλλων διαφορετικών μεγεθών, οι οποίοι μπορούν να διασυνδεθούν με ορισμένες δυνάμεις αλληλεπίδρασης.

1. 2 Μονοκρύστηςκράματα και κρυσταλλικά αδρανή

Μονοκρυσταλλικό- ένας ξεχωριστός ομοιογενής κρύσταλλος που έχει συνεχές κρυσταλλικό πλέγμα και μερικές φορές έχει ανισοτροπία φυσικών ιδιοτήτων. Το εξωτερικό σχήμα ενός μόνο κρυστάλλου καθορίζεται από το ατομικό του κρυσταλλικό πλέγμα και τις συνθήκες (κυρίως ταχύτητα και ομοιομορφία) κρυστάλλωσης. Ένας αργά αναπτυσσόμενος μονοκρύσταλλος αποκτά σχεδόν πάντα μια καλά καθορισμένη φυσική κοπή· υπό συνθήκες μη ισορροπίας (μέσος ρυθμός ανάπτυξης) κρυστάλλωσης, η τομή εμφανίζεται ασθενώς. Με ακόμη υψηλότερο ρυθμό κρυστάλλωσης, αντί για μονοκρύσταλλο, σχηματίζονται ομοιογενείς πολυκρυστάλλοι και πολυκρυσταλλικά συσσωματώματα, που αποτελούνται από πολλούς διαφορετικού προσανατολισμού μικρούς μονοκρυστάλλους. Παραδείγματα πολυεπίπεδων φυσικών μονοκρυστάλλων περιλαμβάνουν μονοκρυστάλλους χαλαζία, ορυκτό αλάτι, ράβδο Ισλανδίας, διαμάντι και τοπάζι. Τα μονοκρύσταλλα ημιαγωγών και διηλεκτρικών υλικών που καλλιεργούνται υπό ειδικές συνθήκες έχουν μεγάλη βιομηχανική σημασία. Συγκεκριμένα, μονοκρύσταλλοι πυριτίου και τεχνητά κράματα στοιχείων της ομάδας III (τρίτη) με στοιχεία της ομάδας V (πέμπτη) του περιοδικού πίνακα (για παράδειγμα, αρσενίδιο του γαλλίου GaAs) αποτελούν τη βάση της σύγχρονης ηλεκτρονικής στερεάς κατάστασης. Τα μονοκρύσταλλα μετάλλων και τα κράματά τους δεν έχουν ειδικές ιδιότητες και πρακτικά δεν χρησιμοποιούνται. Οι μονοκρυστάλλοι υπερκαθαρών ουσιών έχουν τις ίδιες ιδιότητες ανεξάρτητα από τον τρόπο παρασκευής τους. Η κρυστάλλωση συμβαίνει κοντά στο σημείο τήξης (συμπύκνωση) από αέριες (για παράδειγμα, παγετό και νιφάδες χιονιού), υγρές (τις περισσότερες φορές) και στερεές άμορφες καταστάσεις με την απελευθέρωση θερμότητας. Η κρυστάλλωση από αέριο ή υγρό έχει έναν ισχυρό μηχανισμό καθαρισμού: η χημική σύνθεση των αργά αναπτυσσόμενων μονοκρυστάλλων είναι σχεδόν ιδανική. Σχεδόν όλοι οι ρύποι παραμένουν (συσσωρεύονται) σε υγρό ή αέριο. Αυτό συμβαίνει επειδή καθώς το κρυσταλλικό πλέγμα μεγαλώνει, μια αυθόρμητη επιλογή των απαιτούμενων ατόμων (μόρια για μοριακούς κρυστάλλους) συμβαίνει όχι μόνο σύμφωνα με τις χημικές τους ιδιότητες (σθένος), αλλά και ανάλογα με το μέγεθος.

Η σύγχρονη τεχνολογία δεν στερείται πλέον το περιορισμένο σύνολο ιδιοτήτων των φυσικών κρυστάλλων (ειδικά για τη δημιουργία λέιζερ ημιαγωγών) και οι επιστήμονες έχουν βρει μια μέθοδο για τη δημιουργία κρυσταλλικών ουσιών με ενδιάμεσες ιδιότητες αναπτύσσοντας εναλλασσόμενα εξαιρετικά λεπτά στρώματα κρυστάλλων με παρόμοιο κρύσταλλο παράμετροι πλέγματος.

Σε αντίθεση με άλλες καταστάσεις συσσωμάτωσης, η κρυσταλλική κατάσταση είναι διαφορετική. Τα μόρια της ίδιας σύνθεσης μπορούν να συσκευαστούν σε κρυστάλλους με διαφορετικούς τρόπους. Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες της ουσίας εξαρτώνται από τη μέθοδο συσκευασίας. Έτσι, ουσίες με την ίδια χημική σύνθεση έχουν συχνά στην πραγματικότητα διαφορετικές φυσικές ιδιότητες. Μια τέτοια ποικιλομορφία δεν είναι τυπική για μια υγρή κατάσταση, αλλά αδύνατη για μια αέρια κατάσταση.

Αν πάρουμε, για παράδειγμα, συνηθισμένο επιτραπέζιο αλάτι, είναι εύκολο να δούμε μεμονωμένους κρυστάλλους ακόμα και χωρίς μικροσκόπιο.

Αν θέλουμε να τονίσουμε ότι έχουμε να κάνουμε με έναν ενιαίο, ξεχωριστό κρύσταλλο, τότε το λέμε μονοκρύσταλλο,για να τονίσουμε ότι μιλάμε για συσσώρευση πολλών κρυστάλλων, χρησιμοποιείται ο όρος κρυσταλλικό αδρανές. Εάν οι μεμονωμένοι κρύσταλλοι σε ένα κρυσταλλικό συσσωμάτωμα δεν έχουν σχεδόν όψη, αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι η κρυστάλλωση ξεκίνησε ταυτόχρονα σε πολλά σημεία της ουσίας και η ταχύτητά της ήταν αρκετά υψηλή. Οι αναπτυσσόμενοι κρύσταλλοι αποτελούν εμπόδιο μεταξύ τους και εμποδίζουν τη σωστή κοπή καθενός από αυτά.

Σε αυτή την εργασία θα μιλήσουμε κυρίως για μονοκρυστάλλους, και εφόσον είναι συστατικά κρυσταλλικών συσσωματωμάτων, οι ιδιότητές τους θα είναι παρόμοιες με τις ιδιότητες των αδρανών.

1. 3 Πολυκρύσταλλα

Πολυκρύσταλλο- ένα σύνολο μικρών κρυστάλλων οποιασδήποτε ουσίας, που μερικές φορές ονομάζονται κρυσταλλίτες ή κρυσταλλικοί κόκκοι λόγω του ακανόνιστου σχήματός τους. Πολλά υλικά φυσικής και τεχνητής προέλευσης (ορυκτά, μέταλλα, κράματα, κεραμικά κ.λπ.) είναι πολυκρυσταλλικά.

Ιδιότητες και απόκτηση. Οι ιδιότητες των πολυκρυστάλλων καθορίζονται από τις ιδιότητες των κρυσταλλικών κόκκων που το αποτελούν, το μέσο μέγεθός τους, το οποίο κυμαίνεται από 1-2 μικρά έως αρκετά χιλιοστά (σε ορισμένες περιπτώσεις έως αρκετά μέτρα), τον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό των κόκκων και το δομή των ορίων των κόκκων. Εάν οι κόκκοι έχουν τυχαίο προσανατολισμό και τα μεγέθη τους είναι μικρά σε σύγκριση με το μέγεθος του πολυκρυστάλλου, τότε η ανισοτροπία των φυσικών ιδιοτήτων που είναι χαρακτηριστική των μονοκρυστάλλων δεν εμφανίζεται στον πολυκρυστάλλο. Εάν ένας πολυκρύσταλλος έχει κυρίαρχο κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό κόκκων, τότε ο πολυκρύσταλλος έχει υφή και, σε αυτή την περίπτωση, έχει ανισοτροπία ιδιοτήτων. Η παρουσία ορίων κόκκων επηρεάζει σημαντικά τις φυσικές, ιδιαίτερα τις μηχανικές, ιδιότητες των πολυκρυστάλλων, αφού στα όρια συμβαίνει σκέδαση ηλεκτρονίων αγωγιμότητας, φωνονίων, πέδηση εξαρθρώσεων κ.λπ.

Οι πολυκρυστάλλοι σχηματίζονται κατά την κρυστάλλωση, τους πολυμορφικούς μετασχηματισμούς και ως αποτέλεσμα της πυροσυσσωμάτωσης κρυσταλλικών σκονών. Ένας πολυκρύσταλλος είναι λιγότερο σταθερός από έναν απλό κρύσταλλο· επομένως, κατά τη διάρκεια της παρατεταμένης ανόπτησης ενός πολυκρυστάλλου, λαμβάνει χώρα ανακρυστάλλωση (κυρίως ανάπτυξη μεμονωμένων κόκκων σε βάρος άλλων), που οδηγεί στο σχηματισμό μεγάλων κρυσταλλικών τεμαχίων.

Κεφάλαιο 2. Στοιχεία συμμετρίας κρυστάλλου

Οι έννοιες της συμμετρίας και της ασυμμετρίας εμφανίστηκαν στην επιστήμη από τα αρχαία χρόνια ως αισθητικό κριτήριο και όχι ως αυστηρά επιστημονικοί ορισμοί. Πριν εμφανιστεί η ιδέα της συμμετρίας, τα μαθηματικά, η φυσική και οι φυσικές επιστήμες γενικά έμοιαζαν με ξεχωριστά νησιά ιδεών, θεωριών και νόμων που ήταν απελπιστικά απομονωμένα μεταξύ τους και μάλιστα αντιφατικά. Η συμμετρία χαρακτηρίζει και σηματοδοτεί την εποχή της σύνθεσης, όταν ανόμοια κομμάτια επιστημονικής γνώσης συγχωνεύονται σε μια ενιαία, ολιστική εικόνα του κόσμου. Μία από τις κύριες τάσεις αυτής της διαδικασίας είναι η μαθηματικοποίηση της επιστημονικής γνώσης.

Η συμμετρία θεωρείται συνήθως όχι μόνο ως θεμελιώδης εικόνα της επιστημονικής γνώσης, που δημιουργεί εσωτερικές συνδέσεις μεταξύ συστημάτων, θεωριών, νόμων και εννοιών, αλλά την αποδίδει και σε ιδιότητες τόσο θεμελιώδεις όπως ο χώρος και ο χρόνος, η κίνηση. Με αυτή την έννοια, η συμμετρία καθορίζει τη δομή του υλικού κόσμου και όλων των συστατικών του. Η συμμετρία έχει πολύπλευρο και πολυεπίπεδο χαρακτήρα. Για παράδειγμα, στο σύστημα φυσικής γνώσης, η συμμετρία θεωρείται στο επίπεδο των φαινομένων, των νόμων που περιγράφουν αυτά τα φαινόμενα και των αρχών που διέπουν αυτούς τους νόμους και στα μαθηματικά - όταν περιγράφονται γεωμετρικά αντικείμενα. Η συμμετρία μπορεί να ταξινομηθεί ως:

· δομική

· γεωμετρικά;

· δυναμική, που περιγράφει, αντίστοιχα, κρυσταλλογραφική,

μαθηματικές και φυσικές πτυχές αυτής της έννοιας.

Οι απλούστερες συμμετρίες μπορούν να αναπαρασταθούν γεωμετρικά στον συνηθισμένο τρισδιάστατο χώρο μας και επομένως είναι οπτικές. Τέτοιες συμμετρίες συνδέονται με γεωμετρικές πράξεις που φέρνουν το εν λόγω σώμα σε σύμπτωση με τον εαυτό του. Λένε ότι η συμμετρία εκδηλώνεται στην αμετάβλητη (αμετάβλητη) ενός σώματος ή συστήματος σε σχέση με μια συγκεκριμένη λειτουργία. Για παράδειγμα, μια σφαίρα (χωρίς σημάδια στην επιφάνειά της) είναι αμετάβλητη σε οποιαδήποτε περιστροφή. Αυτό δείχνει τη συμμετρία του. Μια σφαίρα με ένα σημάδι, για παράδειγμα, σε μορφή σημείου, συμπίπτει με τον εαυτό της μόνο όταν περιστρέφεται, μετά την οποία το σημάδι πάνω της επιστρέφει στην αρχική της θέση. Ο τρισδιάστατος χώρος μας είναι ισότροπος. Αυτό σημαίνει ότι, όπως μια σφαίρα χωρίς σημάδια, συμπίπτει με τον εαυτό της σε οποιαδήποτε περιστροφή. Ο χώρος είναι άρρηκτα συνδεδεμένος με την ύλη. Επομένως, το Σύμπαν μας είναι επίσης ισότροπο. Ο χώρος είναι επίσης ομοιογενής. Αυτό σημαίνει ότι αυτό (και το Σύμπαν μας) έχει συμμετρία ως προς τη λειτουργία μετατόπισης. Ο χρόνος έχει την ίδια συμμετρία.

Εκτός από τις απλές (γεωμετρικές) συμμετρίες, πολύ σύνθετες, οι λεγόμενες δυναμικές συμμετρίες συναντώνται ευρέως στη φυσική, δηλαδή συμμετρίες που δεν σχετίζονται με το χώρο και τον χρόνο, αλλά με έναν ορισμένο τύπο αλληλεπίδρασης. Δεν είναι οπτικά, και ακόμη και τα πιο απλά από αυτά, για παράδειγμα, τα λεγόμενα συμμετρίες μετρητή, είναι δύσκολο να εξηγηθεί χωρίς τη χρήση μιας μάλλον πολύπλοκης φυσικής θεωρίας. Ορισμένοι νόμοι διατήρησης αντιστοιχούν επίσης σε συμμετρίες μετρητών στη φυσική. Για παράδειγμα, η συμμετρία του μετρητή των ηλεκτρομαγνητικών δυναμικών οδηγεί στο νόμο της διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου.

Κατά τη διάρκεια της κοινωνικής πρακτικής, η ανθρωπότητα έχει συσσωρεύσει πολλά στοιχεία που υποδεικνύουν τόσο αυστηρή τάξη, ισορροπία μεταξύ μερών του συνόλου, όσο και παραβιάσεις αυτής της τακτικότητας. Από αυτή την άποψη, μπορούν να διακριθούν οι ακόλουθες πέντε κατηγορίες συμμετρίας:

· συμμετρία.

· ασυμμετρία.

· ασυμμετρία.

· αντισυμμετρία;

· υπερσυμμετρία.

Ασυμμετρία . Η ασυμμετρία είναι ασυμμετρία, δηλ. μια κατάσταση όπου δεν υπάρχει συμμετρία. Αλλά ο Καντ είπε επίσης ότι η άρνηση δεν είναι ποτέ μια απλή εξαίρεση ή απουσία αντίστοιχου θετικού περιεχομένου. Για παράδειγμα, η κίνηση είναι μια άρνηση της προηγούμενης κατάστασής της, μια αλλαγή σε ένα αντικείμενο. Η κίνηση αρνείται την ανάπαυση, αλλά η ανάπαυση δεν είναι η απουσία κίνησης, αφού υπάρχουν πολύ λίγες πληροφορίες και αυτές οι πληροφορίες είναι εσφαλμένες. Δεν υπάρχει απουσία ανάπαυσης, όπως δεν υπάρχει κίνηση, αφού πρόκειται για δύο όψεις της ίδιας ουσίας. Η ξεκούραση είναι μια άλλη πτυχή της κίνησης.

Επίσης δεν υπάρχει παντελής απουσία συμμετρίας. Ένα σχήμα που δεν έχει στοιχείο συμμετρίας ονομάζεται ασύμμετρο. Αλλά, αυστηρά μιλώντας, αυτό δεν είναι έτσι. Στην περίπτωση των ασύμμετρων σχημάτων, η διαταραχή της συμμετρίας απλώς τελειώνει, αλλά όχι στην πλήρη απουσία συμμετρίας, αφού αυτά τα σχήματα εξακολουθούν να χαρακτηρίζονται από έναν άπειρο αριθμό αξόνων πρώτης τάξης, που είναι επίσης στοιχεία συμμετρίας.

Η ασυμμετρία συνδέεται με την απουσία όλων των στοιχείων συμμετρίας σε ένα αντικείμενο. Ένα τέτοιο στοιχείο είναι αδιαίρετο σε μέρη. Ένα παράδειγμα είναι το ανθρώπινο χέρι. Η ασυμμετρία είναι μια κατηγορία αντίθετη από τη συμμετρία, η οποία αντανακλά τις ανισορροπίες που υπάρχουν στον αντικειμενικό κόσμο που σχετίζονται με την αλλαγή, την ανάπτυξη και την αναδιάρθρωση μερών του συνόλου. Όπως μιλάμε για κίνηση, εννοώντας την ενότητα κίνησης και ανάπαυσης, έτσι και η συμμετρία και η ασυμμετρία είναι δύο πολικά αντίθετα του αντικειμενικού κόσμου. Στην πραγματική φύση δεν υπάρχει καθαρή συμμετρία και ασυμμετρία. Βρίσκονται πάντα σε ενότητα και συνεχή αγώνα.

Σε διαφορετικά επίπεδα ανάπτυξης της ύλης, υπάρχει είτε συμμετρία (σχετική τάξη) είτε ασυμμετρία (τάση διατάραξης της ειρήνης, της κίνησης, της ανάπτυξης), αλλά αυτές οι δύο τάσεις είναι πάντα ενωμένες και η πάλη τους είναι απόλυτη. Οι πραγματικοί, ακόμη και οι πιο τέλειοι κρύσταλλοι απέχουν πολύ από τους κρυστάλλους ιδανικού σχήματος και ιδανικής συμμετρίας που λαμβάνονται υπόψη στην κρυσταλλογραφία στη δομή τους. Περιέχουν σημαντικές αποκλίσεις από την ιδανική συμμετρία. Έχουν επίσης στοιχεία ασυμμετρίας: εξαρθρώσεις, κενές θέσεις, που επηρεάζουν τις φυσικές τους ιδιότητες.

Οι ορισμοί της συμμετρίας και της ασυμμετρίας υποδεικνύουν την καθολική, γενική φύση της συμμετρίας και της ασυμμετρίας ως ιδιότητες του υλικού κόσμου. Η ανάλυση της έννοιας της συμμετρίας στη φυσική και στα μαθηματικά (με σπάνιες εξαιρέσεις) τείνει να απολυτοποιήσει τη συμμετρία και να ερμηνεύσει την ασυμμετρία ως την απουσία συμμετρίας και τάξης. Ο αντίποδας της συμμετρίας εμφανίζεται ως μια καθαρά αρνητική έννοια, αλλά άξια προσοχής. Σημαντικό ενδιαφέρον για την ασυμμετρία προέκυψε στα μέσα του 19ου αιώνα σε σχέση με τα πειράματα του L. Pasteur στη μελέτη και τον διαχωρισμό των στερεοϊσομερών.

Ασυμμετρία . Η ασυμμετρία είναι εσωτερική, ή αναστατωμένη, συμμετρία, δηλ. το αντικείμενο στερείται κάποια στοιχεία συμμετρίας. Για παράδειγμα, τα ποτάμια που ρέουν κατά μήκος των μεσημβρινών της γης έχουν τη μία όχθη ψηλότερα από την άλλη (στο βόρειο ημισφαίριο, η δεξιά όχθη είναι υψηλότερη από την αριστερή και στο νότιο ημισφαίριο, αντίστροφα). Σύμφωνα με τον Παστέρ, μια ασυμμετρική μορφή είναι αυτή που δεν μπορεί να συνδυαστεί με την κατοπτρική της εικόνα με απλή υπέρθεση. Το μέγεθος της συμμετρίας ενός δισυμμετρικού αντικειμένου μπορεί να είναι αυθαίρετα υψηλό. Η ασυμμετρία με την ευρύτερη έννοια της κατανόησής της θα μπορούσε να οριστεί ως οποιαδήποτε μορφή προσέγγισης από ένα απείρως συμμετρικό αντικείμενο σε ένα απείρως ασύμμετρο.

Αντισυμμετρία . Η αντισυμμετρία ονομάζεται αντίθετη συμμετρία ή συμμετρία αντιθέτων. Συνδέεται με αλλαγή στο πρόσημο του σχήματος: σωματίδια - αντισωματίδια, κυρτότητα - κοιλότητα, μαύρο - άσπρο, τάση - συμπίεση, εμπρός - πίσω κ.λπ. Αυτή η έννοια μπορεί να εξηγηθεί με το παράδειγμα δύο ζευγών μαύρων και λευκών γαντιών. Αν δύο ζευγάρια ασπρόμαυρα γάντια είναι ραμμένα από ένα κομμάτι δέρμα, οι δύο πλευρές του οποίου είναι βαμμένες άσπρες και μαύρες αντίστοιχα, τότε μπορούν να διακριθούν με βάση τον δεξιό - αριστερισμό, από το χρώμα - το μαύρο και το λευκό. με άλλα λόγια, με βάση τον πληροφοριακό σήμα και κάποιο άλλο σημάδι. Η πράξη αντισυμμετρίας αποτελείται από συνήθεις πράξεις συμμετρίας, που συνοδεύονται από μια αλλαγή στο δεύτερο χαρακτηριστικό του σχήματος.

Υπερσυμμετρία Τις τελευταίες δεκαετίες του 20ου αιώνα άρχισε να αναπτύσσεται ένα μοντέλο υπερσυμμετρίας, το οποίο προτάθηκε από τους Ρώσους θεωρητικούς Gelfand και Lichtman. Με απλά λόγια, η ιδέα τους ήταν ότι, όπως υπάρχουν συνηθισμένες διαστάσεις του χώρου και του χρόνου, πρέπει να υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις που μπορούν να μετρηθούν στους λεγόμενους αριθμούς Grassmann. Όπως είπε ο S. Hawking, ακόμη και οι συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας δεν έχουν σκεφτεί τίποτα τόσο περίεργο όσο οι διαστάσεις Grassmann. Στη συνηθισμένη μας αριθμητική, αν ο αριθμός 4 πολλαπλασιαζόμενος επί 6 είναι ο ίδιος με το 6 πολλαπλασιασμένο επί 4. Αλλά το περίεργο με τους αριθμούς Grassmann είναι ότι αν το X πολλαπλασιαστεί με το Y, τότε ισούται με μείον το Y πολλαπλασιασμένο με το Χ. Νιώθεις Πόσο απέχει αυτό από τις κλασικές μας ιδέες για τη φύση και τις μεθόδους περιγραφής της;

Η συμμετρία μπορεί επίσης να εξεταστεί με μορφές κίνησης ή τις λεγόμενες πράξεις συμμετρίας. Διακρίνονται οι ακόλουθες πράξεις συμμετρίας:

· Αντανάκλαση σε επίπεδο συμμετρίας (αντανάκλαση σε καθρέφτη).

περιστροφή γύρω από τον άξονα συμμετρίας ( περιστροφική συμμετρία);

· ανάκλαση στο κέντρο της συμμετρίας (αναστροφή).

ΜΕΤΑΦΟΡΑ ( αναμετάδοση) φιγούρες σε απόσταση.

· Βιδωτές στροφές.

· συμμετρία μετάθεσης.

Ανάκλαση στο επίπεδο συμμετρίας . Η αντανάκλαση είναι ο πιο διάσημος και πιο συχνά εντοπιζόμενος τύπος συμμετρίας στη φύση. Ο καθρέφτης αναπαράγει ακριβώς αυτό που «βλέπει», αλλά η σειρά που εξετάζεται αντιστρέφεται: το δεξί χέρι του διπλού σας θα είναι στην πραγματικότητα το αριστερό του χέρι, αφού τα δάχτυλα είναι διατεταγμένα με την αντίστροφη σειρά. Όλοι είναι πιθανώς εξοικειωμένοι με την ταινία "The Kingdom of Crooked Mirrors" από την παιδική ηλικία, όπου τα ονόματα όλων των χαρακτήρων διαβάζονταν με αντίστροφη σειρά. Η συμμετρία καθρέφτη μπορεί να βρεθεί παντού: στα φύλλα και τα άνθη των φυτών, την αρχιτεκτονική, τα στολίδια. Το ανθρώπινο σώμα, αν μιλάμε μόνο για την εμφάνισή του, έχει συμμετρία καθρέφτη, αν και όχι αρκετά αυστηρή. Επιπλέον, η συμμετρία καθρέφτη είναι εγγενής στα σώματα όλων σχεδόν των ζωντανών πλασμάτων και μια τέτοια σύμπτωση δεν είναι καθόλου τυχαία. Η σημασία της έννοιας της συμμετρίας καθρέφτη δύσκολα μπορεί να υπερεκτιμηθεί.

Οτιδήποτε μπορεί να χωριστεί σε δύο μισά που μοιάζουν με καθρέφτη έχει κατοπτρική συμμετρία. Καθένα από τα μισά χρησιμεύει ως κατοπτρική εικόνα του άλλου και το επίπεδο που τα χωρίζει ονομάζεται επίπεδο ανάκλασης του καθρέφτη ή απλά επίπεδο καθρέφτη. Αυτό το επίπεδο μπορεί να ονομαστεί στοιχείο συμμετρίας και η αντίστοιχη πράξη μπορεί να ονομαστεί πράξη συμμετρίας . Κάθε μέρα συναντάμε τρισδιάστατα συμμετρικά μοτίβα: αυτά είναι πολλά σύγχρονα κτίρια κατοικιών και μερικές φορές ολόκληρα μπλοκ, κουτιά και κιβώτια στοιβάζονται σε αποθήκες· άτομα μιας ουσίας σε κρυσταλλική κατάσταση σχηματίζουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα - ένα στοιχείο τρισδιάστατου συμμετρία. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, η σωστή θέση επιτρέπει την οικονομική χρήση του χώρου και εξασφαλίζει σταθερότητα.

Ένα αξιοσημείωτο παράδειγμα συμμετρίας καθρέφτη στη λογοτεχνία είναι η «μεταβαλλόμενη» φράση: «Και το τριαντάφυλλο έπεσε στο πόδι του Αζόρ». . Σε αυτή τη γραμμή, το κέντρο της συμμετρίας του καθρέφτη είναι το γράμμα "n", σε σχέση με το οποίο όλα τα άλλα γράμματα (χωρίς να ληφθούν υπόψη τα κενά μεταξύ των λέξεων) βρίσκονται σε αμοιβαία αντίθετη σειρά.

Περιστροφική συμμετρία . Η εμφάνιση του μοτίβου δεν θα αλλάξει εάν περιστραφεί υπό μια ορισμένη γωνία γύρω από τον άξονά του. Η συμμετρία που προκύπτει σε αυτή την περίπτωση ονομάζεται περιστροφική συμμετρία . Παράδειγμα είναι το παιδικό παιχνίδι «τροχός καρφίτσας» με περιστροφική συμμετρία. Σε πολλούς χορούς, οι φιγούρες βασίζονται σε περιστροφικές κινήσεις, που συχνά εκτελούνται μόνο προς μία κατεύθυνση (δηλαδή χωρίς αντανάκλαση), για παράδειγμα, στρογγυλούς χορούς.

Τα φύλλα και τα άνθη πολλών φυτών παρουσιάζουν ακτινωτή συμμετρία. Αυτή είναι μια συμμετρία στην οποία ένα φύλλο ή λουλούδι, γυρίζοντας γύρω από τον άξονα συμμετρίας, μετατρέπεται στον εαυτό του. Σε διατομές ιστών που σχηματίζουν τη ρίζα ή το στέλεχος ενός φυτού, η ακτινωτή συμμετρία είναι σαφώς ορατή. Οι ταξιανθίες πολλών λουλουδιών έχουν επίσης ακτινωτή συμμετρία.

Αντανάκλαση στο κέντρο της συμμετρίας . Ένα παράδειγμα ενός αντικειμένου της υψηλότερης συμμετρίας, που χαρακτηρίζει αυτή τη λειτουργία συμμετρίας, είναι μια μπάλα. Οι σφαιρικές μορφές είναι αρκετά διαδεδομένες στη φύση. Είναι κοινά στην ατμόσφαιρα (σταγονίδια ομίχλης, σύννεφα), στην υδρόσφαιρα (διάφοροι μικροοργανισμοί), στη λιθόσφαιρα και στο διάστημα. Σπόροι και γύρη φυτών, σταγόνες νερού που απελευθερώνονται σε κατάσταση έλλειψης βαρύτητας σε ένα διαστημόπλοιο έχουν σφαιρικό σχήμα. Σε μεταγαλαξιακό επίπεδο, οι μεγαλύτερες σφαιρικές δομές είναι οι σφαιρικοί γαλαξίες. Όσο πιο πυκνό είναι ένα σμήνος γαλαξιών, τόσο πιο κοντά είναι σε ένα σφαιρικό σχήμα. Τα αστρικά σμήνη είναι επίσης σφαιρικά.

Μετάφραση ή μεταφορά ενός σχήματος σε απόσταση . Η μετάφραση, ή η παράλληλη μεταφορά ενός σχήματος σε απόσταση, είναι οποιοδήποτε απεριόριστα επαναλαμβανόμενο μοτίβο. Μπορεί να είναι μονοδιάστατο, δισδιάστατο, τρισδιάστατο. Η μετάφραση προς τις ίδιες ή αντίθετες κατευθύνσεις σχηματίζει ένα μονοδιάστατο μοτίβο. Η μετάφραση σε δύο μη παράλληλες κατευθύνσεις σχηματίζει ένα δισδιάστατο μοτίβο. Παρκέ δάπεδα, σχέδια ταπετσαριών, κορδέλες δαντέλας, μονοπάτια στρωμένα με τούβλα ή πλακάκια, κρυστάλλινες φιγούρες σχηματίζουν σχέδια που δεν έχουν φυσικά όρια. Κατά τη μελέτη των μοτίβων που χρησιμοποιούνται στην εκτύπωση βιβλίων, ανακαλύφθηκαν τα ίδια στοιχεία συμμετρίας όπως στο σχεδιασμό των δαπέδων από πλακάκια. Τα διακοσμητικά σύνορα συνδέονται με τη μουσική. Στη μουσική, στοιχεία συμμετρικής κατασκευής περιλαμβάνουν τις πράξεις της επανάληψης (μετάφραση) και της αντιστροφής (αναστοχασμός). Αυτά τα στοιχεία συμμετρίας βρίσκονται στα σύνορα. Αν και η περισσότερη μουσική δεν είναι αυστηρά συμμετρική, πολλά μουσικά κομμάτια βασίζονται σε πράξεις συμμετρίας. Είναι ιδιαίτερα αισθητά στα παιδικά τραγούδια, τα οποία, προφανώς, είναι τόσο εύκολο να θυμόμαστε. Λειτουργίες συμμετρίας συναντάμε στη μουσική του Μεσαίωνα και της Αναγέννησης, στη μουσική της εποχής του μπαρόκ (συχνά σε πολύ εκλεπτυσμένη μορφή). Την εποχή του Ι.Σ. Μπαχ, όταν η συμμετρία ήταν μια σημαντική αρχή σύνθεσης, ένα είδος μουσικού παιχνιδιού γρίφων έγινε ευρέως διαδεδομένο. Ένα από αυτά ήταν η επίλυση των μυστηριωδών «κανόνων». Το Kanon είναι μια μορφή πολυφωνικής μουσικής που βασίζεται στην εκτέλεση ενός θέματος που καθοδηγείται από μια φωνή σε άλλες φωνές. Ο συνθέτης θα πρότεινε ένα θέμα και οι ακροατές θα έπρεπε να μαντέψουν τις πράξεις συμμετρίας που σκόπευε να χρησιμοποιήσει για να επαναλάβει το θέμα.

Η φύση θέτει παζλ του αντίθετου τύπου: μας προσφέρεται ένας ολοκληρωμένος κανόνας και πρέπει να βρούμε τους κανόνες και τα κίνητρα που κρύβονται πίσω από τα υπάρχοντα μοτίβα και τη συμμετρία, και αντίστροφα, να αναζητήσουμε μοτίβα που προκύπτουν όταν επαναλαμβάνουμε ένα κίνητρο σύμφωνα με διαφορετικούς κανόνες. Η πρώτη προσέγγιση οδηγεί στη μελέτη της δομής της ύλης, της τέχνης, της μουσικής και της σκέψης. Η δεύτερη προσέγγιση μας φέρνει αντιμέτωπους με το πρόβλημα του σχεδιασμού ή του σχεδίου, που απασχολούσε καλλιτέχνες, αρχιτέκτονες, μουσικούς και επιστήμονες από την αρχαιότητα.

Ελικοειδείς στροφές . Η μετάφραση μπορεί να συνδυαστεί με ανάκλαση ή περιστροφή, η οποία δημιουργεί νέες πράξεις συμμετρίας. Μια περιστροφή κατά έναν ορισμένο αριθμό μοιρών, συνοδευόμενη από μια μετατόπιση σε απόσταση κατά μήκος του άξονα περιστροφής, δημιουργεί ελικοειδή συμμετρία - τη συμμετρία μιας σπειροειδούς σκάλας. Ένα παράδειγμα ελικοειδούς συμμετρίας είναι η διάταξη των φύλλων στο στέλεχος πολλών φυτών. Το κεφάλι ηλίανθου έχει βλαστούς διατεταγμένους σε γεωμετρικές σπείρες, που ξετυλίγονται από το κέντρο προς τα έξω. Τα νεότερα μέλη της σπείρας βρίσκονται στο κέντρο. Σε τέτοια συστήματα, μπορεί κανείς να παρατηρήσει δύο οικογένειες σπειρών, που ξετυλίγονται σε αντίθετες κατευθύνσεις και τέμνονται σε γωνίες κοντά στις ευθείες γραμμές. Όμως, ανεξάρτητα από το πόσο ενδιαφέρουσες και ελκυστικές είναι οι εκδηλώσεις συμμετρίας στον φυτικό κόσμο, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά μυστικά που ελέγχουν τις διαδικασίες ανάπτυξης. Ακολουθώντας τον Γκαίτε, ο οποίος μίλησε για την τάση της φύσης προς μια σπείρα, μπορούμε να υποθέσουμε ότι αυτή η κίνηση πραγματοποιείται κατά μήκος μιας λογαριθμικής σπείρας, ξεκινώντας κάθε φορά από ένα κεντρικό, σταθερό σημείο και συνδυάζοντας τη μεταφορική κίνηση (έκταση) με μια περιστροφή.

Συμμετρία εναλλαγής . Περαιτέρω επέκταση του αριθμού των φυσικών συμμετριών συνδέεται με την ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής. Ένας από τους ειδικούς τύπους συμμετρίας στον μικρόκοσμο είναι η συμμετρία μετάθεσης. Βασίζεται στη θεμελιώδη δυσδιάκριση των πανομοιότυπων μικροσωματιδίων, τα οποία δεν κινούνται κατά μήκος συγκεκριμένων τροχιών και οι θέσεις τους εκτιμώνται σύμφωνα με πιθανοτικά χαρακτηριστικά που σχετίζονται με το τετράγωνο του συντελεστή της συνάρτησης κύματος. Η συμμετρία μεταγωγής έγκειται στο γεγονός ότι όταν τα κβαντικά σωματίδια «αναδιατάσσονται», τα πιθανοτικά χαρακτηριστικά δεν αλλάζουν· το τετράγωνο συντελεστή της κυματικής συνάρτησης είναι μια σταθερή τιμή.

Συμμετρία ομοιότητας . Ένας άλλος τύπος συμμετρίας είναι η συμμετρία ομοιότητας, που σχετίζεται με την ταυτόχρονη αύξηση ή μείωση παρόμοιων τμημάτων του σχήματος και των αποστάσεων μεταξύ τους. Ένα παράδειγμα αυτού του είδους συμμετρίας είναι η κούκλα matryoshka. Μια τέτοια συμμετρία είναι πολύ διαδεδομένη στη ζωντανή φύση. Αποδεικνύεται από όλους τους αναπτυσσόμενους οργανισμούς.

Τα θέματα συμμετρίας παίζουν καθοριστικό ρόλο στη σύγχρονη φυσική. Οι δυναμικοί νόμοι της φύσης χαρακτηρίζονται από ορισμένους τύπους συμμετρίας. Με μια γενική έννοια, η συμμετρία των φυσικών νόμων σημαίνει την αμετάβλητη τους σε σχέση με ορισμένους μετασχηματισμούς. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι οι τύποι συμμετρίας που εξετάζονται έχουν ορισμένα όρια εφαρμογής. Για παράδειγμα, η συμμετρία δεξιάς και αριστεράς υπάρχει μόνο στην περιοχή των ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, αλλά παραβιάζεται στις αδύναμες. Η ισοτοπική αμετάβλητη ισχύει μόνο όταν λαμβάνονται υπόψη οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Για να εφαρμόσετε την έννοια της συμμετρίας, μπορείτε να εισαγάγετε μια συγκεκριμένη δομή που λαμβάνει υπόψη τέσσερις παράγοντες:

· αντικείμενο ή φαινόμενο που μελετάται.

· Μετασχηματισμός σε σχέση με τον οποίο λαμβάνεται υπόψη η συμμετρία.

· Αμετάβλητο οποιωνδήποτε ιδιοτήτων ενός αντικειμένου ή φαινομένου, που εκφράζει την εν λόγω συμμετρία. Η σύνδεση μεταξύ της συμμετρίας των φυσικών νόμων και των νόμων διατήρησης.

· όρια εφαρμογής διαφόρων τύπων συμμετρίας.

Η μελέτη των ιδιοτήτων συμμετρίας των φυσικών συστημάτων ή νόμων απαιτεί τη χρήση ειδικής μαθηματικής ανάλυσης, κυρίως των εννοιών της θεωρίας ομάδων, η οποία είναι σήμερα πιο ανεπτυγμένη στη φυσική στερεάς κατάστασης και στην κρυσταλλογραφία.

κεφάλαιο 3. Τύποι ελαττωμάτων σε στερεά

Όλα τα πραγματικά στερεά, τόσο μονοκρυσταλλικά όσο και πολυκρυσταλλικά, περιέχουν τα λεγόμενα δομικά ελαττώματα, τους τύπους, τις συγκεντρώσεις και τη συμπεριφορά των οποίων είναι πολύ διαφορετικές και εξαρτώνται από τη φύση, τις συνθήκες λήψης υλικών και τη φύση των εξωτερικών επιδράσεων. Τα περισσότερα ελαττώματα που δημιουργούνται από εξωτερικές επιρροές είναι θερμοδυναμικά ασταθή και η κατάσταση του συστήματος σε αυτή την περίπτωση είναι διεγερμένη (μη ισορροπία). Τέτοιες εξωτερικές επιδράσεις μπορεί να είναι η θερμοκρασία, η πίεση, η ακτινοβολία με σωματίδια και τα κβάντα υψηλής ενέργειας, η εισαγωγή ακαθαρσιών, η σκλήρυνση φάσης κατά τη διάρκεια πολυμορφικών και άλλων μετασχηματισμών, μηχανικά φαινόμενα κ.λπ. κατά κανόνα, πραγματοποιείται μέσω μιας σειράς μετασταθερών καταστάσεων.

Τα ελαττώματα του ίδιου τύπου, που αλληλεπιδρούν με ελαττώματα του ίδιου ή άλλου τύπου, μπορούν να εκμηδενίσουν ή να δημιουργήσουν νέους συσχετισμούς ελαττωμάτων. Αυτές οι διαδικασίες συνοδεύονται από μείωση της ενέργειας του συστήματος.

Με βάση τον αριθμό των κατευθύνσεων N στις οποίες εκτείνεται η παραβίαση της περιοδικής διάταξης των ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα, που προκαλείται από ένα δεδομένο ελάττωμα, διακρίνονται τα ελαττώματα:

· Σημείο (μηδενική διάσταση, N=0);

· Γραμμικό (μονοδιάστατο, N=1);

· Επιφάνεια (δισδιάστατη, N=2);

· Όγκος (τρισδιάστατος, N=3);

Τώρα θα εξετάσουμε κάθε ελάττωμα λεπτομερώς.

3.1 Σημειακά ελαττώματα

Σε μηδενικές διαστάσεις (ή σημείο) Τα κρυσταλλικά ελαττώματα περιλαμβάνουν όλα τα ελαττώματα που σχετίζονται με τη μετατόπιση ή την αντικατάσταση μιας μικρής ομάδας ατόμων, καθώς και με ακαθαρσίες. Προκύπτουν κατά τη θέρμανση, το ντόπινγκ, κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων και ως αποτέλεσμα της έκθεσης σε ακτινοβολία. Μπορούν επίσης να εισαχθούν ως αποτέλεσμα της εμφύτευσης. Οι ιδιότητες τέτοιων ελαττωμάτων και οι μηχανισμοί σχηματισμού τους έχουν μελετηθεί καλύτερα, συμπεριλαμβανομένης της κίνησης, της αλληλεπίδρασης, της εκμηδένισης και της εξάτμισης.

· Κενό - ένα ελεύθερο, μη κατειλημμένο άτομο, κόμβος του κρυσταλλικού πλέγματος.

· Σωστό διάμεσο άτομο - ένα άτομο του κύριου στοιχείου που βρίσκεται στην ενδιάμεση θέση του κελιού μονάδας.

· Αντικατάσταση ατόμου ακαθαρσίας - αντικατάσταση ατόμου ενός τύπου με άτομο άλλου τύπου σε κόμβο του κρυσταλλικού πλέγματος. Οι θέσεις υποκατάστασης μπορεί να περιέχουν άτομα που διαφέρουν σχετικά λίγο σε μέγεθος και ηλεκτρονικές ιδιότητες από τα άτομα βάσης.

· Άτομο διάμεσης ακαθαρσίας - το άτομο ακαθαρσίας βρίσκεται στα διάκενα του κρυσταλλικού πλέγματος. Στα μέταλλα, οι ενδιάμεσες ακαθαρσίες είναι συνήθως υδρογόνο, άνθρακας, άζωτο και οξυγόνο. Στους ημιαγωγούς, αυτές είναι ακαθαρσίες που δημιουργούν βαθιά επίπεδα ενέργειας στο διάκενο, όπως ο χαλκός και ο χρυσός στο πυρίτιο.

Συμπλέγματα που αποτελούνται από πολλά σημειακά ελαττώματα παρατηρούνται επίσης συχνά στους κρυστάλλους, για παράδειγμα, ένα ελάττωμα Frenkel (κενό + δικό του διάμεσο άτομο), διπλό κενό (κενό + κενό), κέντρο Α (κενή θέση + άτομο οξυγόνου σε πυρίτιο και γερμάνιο) κ.λπ.

Θερμοδυναμική σημειακών ελαττωμάτων.Τα σημειακά ελαττώματα αυξάνουν την ενέργεια του κρυστάλλου, αφού ένα ορισμένο ποσό ενέργειας δαπανήθηκε για να σχηματιστεί κάθε ελάττωμα. Η ελαστική παραμόρφωση προκαλεί ένα πολύ μικρό κλάσμα της ενέργειας σχηματισμού κενής θέσης, αφού οι μετατοπίσεις ιόντων δεν υπερβαίνουν το 1% και η αντίστοιχη ενέργεια παραμόρφωσης είναι δέκατα του eV. Κατά τον σχηματισμό ενός ενδιάμεσου ατόμου, οι μετατοπίσεις των γειτονικών ιόντων μπορεί να φτάσουν το 20% της διατομικής απόστασης και η αντίστοιχη ενέργεια ελαστικής παραμόρφωσης του πλέγματος μπορεί να φτάσει αρκετά eV. Το κύριο μερίδιο του σχηματισμού ενός σημειακού ελαττώματος σχετίζεται με παραβίαση της περιοδικότητας της ατομικής δομής και των δυνάμεων σύνδεσης μεταξύ των ατόμων. Ένα σημειακό ελάττωμα σε ένα μέταλλο αλληλεπιδρά με ολόκληρο το αέριο ηλεκτρονίων. Η αφαίρεση ενός θετικού ιόντος από μια θέση ισοδυναμεί με την εισαγωγή ενός σημειακού αρνητικού φορτίου. Τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας απωθούνται από αυτό το φορτίο, γεγονός που προκαλεί αύξηση της ενέργειάς τους. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι η ενέργεια σχηματισμού μιας κενής θέσης στο πλέγμα fcc του χαλκού είναι περίπου 1 eV και αυτή ενός ενδιάμεσου ατόμου είναι από 2,5 έως 3,5 eV.

Παρά την αύξηση της κρυσταλλικής ενέργειας κατά τον σχηματισμό των δικών του σημειακών ελαττωμάτων, μπορούν να βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία στο πλέγμα, αφού ο σχηματισμός τους οδηγεί σε αύξηση της εντροπίας. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η αύξηση του όρου εντροπίας TS της ελεύθερης ενέργειας λόγω του σχηματισμού σημειακών ελαττωμάτων αντισταθμίζει την αύξηση της συνολικής κρυσταλλικής ενέργειας U και η ελεύθερη ενέργεια αποδεικνύεται ελάχιστη.

Συγκέντρωση ισορροπίας κενών θέσεων:

Οπου μι 0 - ενέργεια σχηματισμού μιας κενής θέσης, κ- Σταθερά Boltzmann, Τ- απόλυτη θερμοκρασία. Ο ίδιος τύπος ισχύει για τα ενδιάμεσα άτομα. Ο τύπος δείχνει ότι η συγκέντρωση των κενών θέσεων πρέπει να εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Ο τύπος για τον υπολογισμό είναι απλός, αλλά ακριβείς ποσοτικές τιμές μπορούν να ληφθούν μόνο γνωρίζοντας την ενεργειακή τιμή του σχηματισμού ελαττώματος. Είναι πολύ δύσκολο να υπολογίσει κανείς αυτή την τιμή θεωρητικά, επομένως πρέπει να αρκείται μόνο σε κατά προσέγγιση εκτιμήσεις.

Δεδομένου ότι η ενέργεια σχηματισμού ελαττώματος περιλαμβάνεται στον εκθέτη, αυτή η διαφορά προκαλεί μια τεράστια διαφορά στη συγκέντρωση των κενών και των ενδιάμεσων ατόμων. Έτσι, στους 1000 °C στον χαλκό, η συγκέντρωση των ενδιάμεσων ατόμων είναι μόνο 10-39, που είναι 35 τάξεις μεγέθους μικρότερη από τη συγκέντρωση των κενών σε αυτή τη θερμοκρασία. Σε πυκνές συσκευασίες, που είναι χαρακτηριστικές των περισσότερων μετάλλων, είναι πολύ δύσκολο να σχηματιστούν ενδιάμεσα άτομα και τα κενά σε τέτοιους κρυστάλλους είναι τα κύρια ελαττώματα (χωρίς να υπολογίζονται τα άτομα ακαθαρσίας).

Μετανάστευση σημειακών ελαττωμάτων.Τα άτομα που υφίστανται δονητική κίνηση ανταλλάσσουν συνεχώς ενέργεια. Λόγω της τυχαιότητας της θερμικής κίνησης, η ενέργεια κατανέμεται άνισα μεταξύ των διαφορετικών ατόμων. Σε κάποιο σημείο, ένα άτομο μπορεί να λάβει τέτοια περίσσεια ενέργειας από τους γείτονές του που θα καταλάβει μια γειτονική θέση στο πλέγμα. Έτσι συμβαίνει η μετανάστευση (κίνηση) των σημειακών ελαττωμάτων στον κύριο όγκο των κρυστάλλων.

Εάν ένα από τα άτομα που περιβάλλουν μια κενή θέση μετακινηθεί σε μια κενή θέση, τότε η κενή θέση θα μετακινηθεί αντίστοιχα στη θέση της. Διαδοχικές στοιχειώδεις πράξεις μετατόπισης ενός συγκεκριμένου κενού εκτελούνται από διαφορετικά άτομα. Το σχήμα δείχνει ότι σε ένα στρώμα κλειστών σφαιρών (άτομα), για να μετακινηθεί μία από τις μπάλες σε ένα κενό μέρος, πρέπει να απομακρύνει τις μπάλες 1 και 2. Συνεπώς, για να μετακινηθεί από μια θέση σε έναν κόμβο, όπου η ενέργεια του ατόμου είναι ελάχιστη, σε έναν γειτονικό κενό κόμβο, όπου η ενέργεια είναι επίσης ελάχιστη, το άτομο πρέπει να περάσει από μια κατάσταση με αυξημένη δυναμική ενέργεια και να ξεπεράσει το ενεργειακό φράγμα. Για αυτό, είναι απαραίτητο το άτομο να λάβει από τους γείτονές του μια περίσσεια ενέργειας, την οποία χάνει ενώ «συμπιέζεται» σε μια νέα θέση. Το ύψος του ενεργειακού φραγμού E m ονομάζεται ενέργεια ενεργοποίησης μετανάστευσης κενής θέσης.

Πηγές και καταβόθρες σημειακών ελαττωμάτων.Η κύρια πηγή και η καταβόθρα των σημειακών ελαττωμάτων είναι γραμμικά και επιφανειακά ελαττώματα. Σε μεγάλους τέλειους μονοκρυστάλλους, η αποσύνθεση ενός υπερκορεσμένου στερεού διαλύματος των δικών του σημειακών ελαττωμάτων είναι δυνατή με το σχηματισμό του λεγόμενου. μικροελαττώματα.

Συμπλέγματα σημειακών ελαττωμάτων.Το απλούστερο σύμπλεγμα σημειακών ελαττωμάτων είναι μια διπλή θέση (divacancy): δύο κενές θέσεις που βρίσκονται σε παρακείμενες τοποθεσίες πλέγματος. Τα σύμπλοκα που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα άτομα ακαθαρσίας, καθώς και τα άτομα ακαθαρσίας και τα δικά τους σημειακά ελαττώματα, παίζουν σημαντικό ρόλο στα μέταλλα και τους ημιαγωγούς. Συγκεκριμένα, τέτοια σύμπλοκα μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την αντοχή, τις ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες των στερεών.

3.2 Γραμμικά ελαττώματα

Τα μονοδιάστατα (γραμμικά) ελαττώματα είναι κρυσταλλικά ελαττώματα, το μέγεθος των οποίων σε μία κατεύθυνση είναι πολύ μεγαλύτερο από την παράμετρο του πλέγματος και στις άλλες δύο - συγκρίσιμο με αυτό. Τα γραμμικά ελαττώματα περιλαμβάνουν εξαρθρήματα και διακρίσεις. Γενικός ορισμός: η εξάρθρωση είναι το όριο μιας περιοχής ατελούς διάτμησης σε έναν κρύσταλλο. Οι εξαρθρώσεις χαρακτηρίζονται από διάνυσμα διάτμησης (διάνυσμα Burgers) και γωνία μ μεταξύ αυτού και της γραμμής εξάρθρωσης. Όταν μ = 0, η εξάρθρωση ονομάζεται εξάρθρωση βίδας. σε c=90° - άκρη; σε άλλες γωνίες αναμειγνύεται και μπορεί στη συνέχεια να αποσυντεθεί σε ελικοειδή και ακραία συστατικά. Οι εξαρθρώσεις προκύπτουν κατά την ανάπτυξη των κρυστάλλων. κατά την πλαστική του παραμόρφωση και σε πολλές άλλες περιπτώσεις. Η κατανομή και η συμπεριφορά τους υπό εξωτερικές επιδράσεις καθορίζουν τις πιο σημαντικές μηχανικές ιδιότητες, ιδίως όπως η αντοχή, η ολκιμότητα, κ.λπ. Η διάκριση είναι το όριο της περιοχής ατελούς περιστροφής στον κρύσταλλο. Χαρακτηρίζεται από ένα διάνυσμα περιστροφής.

3.3 Επιφανειακά ελαττώματα

Το κύριο αντιπροσωπευτικό ελάττωμα αυτής της κατηγορίας είναι η επιφάνεια του κρυστάλλου. Άλλες περιπτώσεις είναι τα όρια κόκκων ενός υλικού, συμπεριλαμβανομένων των ορίων χαμηλής γωνίας (που αντιπροσωπεύουν συσχετίσεις εξαρθρώσεων), τα επίπεδα αδελφοποίησης, οι διεπαφές φάσεων κ.λπ.

3.4 Ογκομετρικά ελαττώματα

Αυτά περιλαμβάνουν ομάδες κενών θέσεων που σχηματίζουν πόρους και κανάλια. σωματίδια που εναποτίθενται σε διάφορα ελαττώματα (διακοσμητικά), για παράδειγμα, φυσαλίδες αερίου, φυσαλίδες μητρικού υγρού. συσσωρεύσεις ακαθαρσιών με τη μορφή τομέων (κλεψύδρες) και ζωνών ανάπτυξης. Κατά κανόνα, πρόκειται για πόρους ή εγκλείσματα φάσεων ακαθαρσίας. Είναι ένα συγκρότημα πολλών ελαττωμάτων. Προέλευση: διακοπή καθεστώτων ανάπτυξης κρυστάλλων, αποσύνθεση υπερκορεσμένου στερεού διαλύματος, μόλυνση δειγμάτων. Σε ορισμένες περιπτώσεις (για παράδειγμα, κατά τη σκλήρυνση με καθίζηση), ογκομετρικά ελαττώματα εισάγονται ειδικά στο υλικό για να τροποποιηθούν οι φυσικές του ιδιότητες.

Κεφάλαιο 4. Ελήφθηχωρίς κρύσταλλα

Η ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας έχει οδηγήσει στο γεγονός ότι πολλοί πολύτιμοι λίθοι ή απλώς κρύσταλλοι που σπάνια βρίσκονται στη φύση έχουν γίνει πολύ απαραίτητοι για την κατασκευή εξαρτημάτων συσκευών και μηχανών, για επιστημονική έρευνα. Η ζήτηση για πολλούς κρυστάλλους έχει αυξηθεί τόσο πολύ που ήταν αδύνατο να ικανοποιηθεί επεκτείνοντας την κλίμακα παραγωγής παλαιών και αναζητώντας νέα φυσικά κοιτάσματα.

Επιπλέον, πολλοί κλάδοι της τεχνολογίας και ιδιαίτερα της επιστημονικής έρευνας απαιτούν όλο και περισσότερο μονοκρυστάλλους πολύ υψηλής χημικής καθαρότητας με τέλεια κρυσταλλική δομή. Οι κρύσταλλοι που βρίσκονται στη φύση δεν πληρούν αυτές τις απαιτήσεις, καθώς αναπτύσσονται σε συνθήκες που απέχουν πολύ από τις ιδανικές.

Έτσι, προέκυψε το καθήκον της ανάπτυξης μιας τεχνολογίας για την τεχνητή παραγωγή μονοκρυστάλλων πολλών στοιχείων και χημικών ενώσεων.

Η ανάπτυξη μιας σχετικά απλής μεθόδου κατασκευής ενός "πετράδι" οδηγεί στο γεγονός ότι παύει να είναι πολύτιμο. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι οι περισσότεροι πολύτιμοι λίθοι είναι κρύσταλλοι χημικών στοιχείων και ενώσεων ευρέως διαδεδομένων στη φύση. Έτσι, το διαμάντι είναι ένας κρύσταλλος άνθρακα, το ρουμπίνι και το ζαφείρι είναι κρύσταλλοι οξειδίου του αλουμινίου με διάφορες ακαθαρσίες.

Ας εξετάσουμε τις κύριες μεθόδους καλλιέργειας μονοκρυστάλλων. Με την πρώτη ματιά, μπορεί να φαίνεται ότι η κρυστάλλωση από ένα τήγμα είναι πολύ απλή. Αρκεί να θερμανθεί η ουσία πάνω από το σημείο τήξεώς της, να ληφθεί ένα τήγμα και στη συνέχεια να κρυώσει. Κατ 'αρχήν, αυτός είναι ο σωστός τρόπος, αλλά αν δεν ληφθούν ειδικά μέτρα, τότε στην καλύτερη περίπτωση θα καταλήξετε σε ένα πολυκρυσταλλικό δείγμα. Και αν το πείραμα γίνει, για παράδειγμα, με χαλαζία, θείο, σελήνιο, ζάχαρη, τα οποία, ανάλογα με τον ρυθμό ψύξης των τήκών τους, μπορούν να στερεοποιηθούν σε κρυσταλλική ή άμορφη κατάσταση, τότε δεν υπάρχει εγγύηση ότι ένα άμορφο σώμα δεν θα ληφθεί.

Για να αναπτυχθεί ένας μόνο κρύσταλλος, δεν αρκεί η αργή ψύξη. Είναι απαραίτητο πρώτα να ψύξετε μια μικρή περιοχή του τήγματος και να λάβετε μια "πυρήνωση" ενός κρυστάλλου σε αυτό και, στη συνέχεια, ψύχοντας διαδοχικά το τήγμα που περιβάλλει την "πυρήνωση", αφήστε τον κρύσταλλο να αναπτυχθεί σε ολόκληρο τον όγκο του λυώνω. Αυτή η διαδικασία μπορεί να επιτευχθεί χαμηλώνοντας αργά ένα χωνευτήριο που περιέχει το τήγμα μέσω ενός ανοίγματος σε έναν κατακόρυφο σωληνωτό κλίβανο. Ο κρύσταλλος σχηματίζει πυρήνες στον πυθμένα του χωνευτηρίου, αφού πρώτα εισέρχεται στην περιοχή των χαμηλότερων θερμοκρασιών και στη συνέχεια σταδιακά αναπτύσσεται σε όλο τον όγκο του τήγματος. Ο πυθμένας του χωνευτηρίου είναι ειδικά κατασκευασμένος στενός, στραμμένος προς έναν κώνο, έτσι ώστε να μπορεί να βρίσκεται μόνο ένας κρυσταλλικός πυρήνας σε αυτό.

Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συχνά για την καλλιέργεια κρυστάλλων ψευδαργύρου, αργύρου, αλουμινίου, χαλκού και άλλων μετάλλων, καθώς και χλωριούχου νατρίου, βρωμιούχου καλίου, φθοριούχου λιθίου και άλλων αλάτων που χρησιμοποιούνται στην οπτική βιομηχανία. Σε μια μέρα μπορείτε να καλλιεργήσετε έναν κρύσταλλο αλατιού που ζυγίζει περίπου ένα κιλό.

Το μειονέκτημα της περιγραφόμενης μεθόδου είναι η μόλυνση των κρυστάλλων από το υλικό του χωνευτηρίου. ιδιότητα συμμετρίας ελαττώματος κρυστάλλου

Η μέθοδος καλλιέργειας κρυστάλλων χωρίς χωνευτήριο από τήγμα, που χρησιμοποιείται για την καλλιέργεια, για παράδειγμα, κορούνδιου (ρουμπίνια, ζαφείρια), δεν έχει αυτό το μειονέκτημα. Η λεπτότερη σκόνη οξειδίου του αλουμινίου από κόκκους μεγέθους 2-100 μικρών χύνεται σε ένα λεπτό ρεύμα από τη χοάνη, περνά μέσα από φλόγα οξυγόνου-υδρογόνου, λιώνει και πέφτει με τη μορφή σταγόνων σε μια ράβδο από πυρίμαχο υλικό. Η θερμοκρασία της ράβδου διατηρείται ελαφρώς κάτω από το σημείο τήξης του οξειδίου του αλουμινίου (2030°C). Σταγόνες οξειδίου του αλουμινίου ψύχονται πάνω του και σχηματίζουν μια κρούστα από πυροσυσσωματωμένη μάζα κορούνδιου. Ο μηχανισμός του ρολογιού αργά (10-20 mm/h) χαμηλώνει τη ράβδο και σταδιακά αναπτύσσεται πάνω της ένας άκοπος κρύσταλλος κορουνδίου, που έχει σχήμα ανεστραμμένου αχλαδιού, το λεγόμενο μπούλι.

Όπως και στη φύση, η λήψη κρυστάλλων από διάλυμα καταλήγει σε δύο μεθόδους. Το πρώτο από αυτά συνίσταται στην αργή εξάτμιση του διαλύτη από ένα κορεσμένο διάλυμα και το δεύτερο στη βραδεία μείωση της θερμοκρασίας του διαλύματος. Η δεύτερη μέθοδος χρησιμοποιείται συχνότερα. Ως διαλύτες χρησιμοποιούνται νερό, αλκοόλες, οξέα, λιωμένα άλατα και μέταλλα. Ένα μειονέκτημα των μεθόδων για την ανάπτυξη κρυστάλλων από διάλυμα είναι η πιθανότητα μόλυνσης των κρυστάλλων με σωματίδια διαλύτη.

Ο κρύσταλλος αναπτύσσεται από εκείνες τις περιοχές του υπερκορεσμένου διαλύματος που τον περιβάλλουν αμέσως. Ως αποτέλεσμα, το διάλυμα κοντά στον κρύσταλλο αποδεικνύεται λιγότερο υπερκορεσμένο παρά μακριά από αυτόν. Δεδομένου ότι ένα υπερκορεσμένο διάλυμα είναι βαρύτερο από ένα κορεσμένο, υπάρχει πάντα μια ανοδική ροή «χρησιμοποιημένου» διαλύματος πάνω από την επιφάνεια του αναπτυσσόμενου κρυστάλλου. Χωρίς τέτοια ανάδευση του διαλύματος, η ανάπτυξη των κρυστάλλων θα σταματούσε γρήγορα. Επομένως, το διάλυμα συχνά αναδεύεται επιπρόσθετα ή ο κρύσταλλος στερεώνεται σε περιστρεφόμενο στήριγμα. Αυτό σας επιτρέπει να αναπτύξετε πιο προηγμένους κρυστάλλους.

Όσο χαμηλότερος είναι ο ρυθμός ανάπτυξης, τόσο καλύτεροι είναι οι κρύσταλλοι που λαμβάνονται. Αυτός ο κανόνας ισχύει για όλες τις μεθόδους καλλιέργειας. Οι κρύσταλλοι ζάχαρης και επιτραπέζιου αλατιού μπορούν να ληφθούν εύκολα από ένα υδατικό διάλυμα στο σπίτι. Αλλά, δυστυχώς, δεν μπορούν να καλλιεργηθούν όλοι οι κρύσταλλοι τόσο εύκολα. Για παράδειγμα, η παραγωγή κρυστάλλων χαλαζία από διάλυμα λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία 400°C και πίεση 1000 at.

Κεφάλαιο 5. Ιδιότητες των Κρυστάλλων

Κοιτάζοντας διάφορους κρυστάλλους, βλέπουμε ότι όλοι έχουν διαφορετικό σχήμα, αλλά καθένας από αυτούς αντιπροσωπεύει ένα συμμετρικό σώμα. Πράγματι, η συμμετρία είναι μια από τις κύριες ιδιότητες των κρυστάλλων. Τα σώματα ονομάζουμε συμμετρικά αν αποτελούνται από ίσα, πανομοιότυπα μέρη.

Όλοι οι κρύσταλλοι είναι συμμετρικοί. Αυτό σημαίνει ότι σε κάθε κρυσταλλικό πολύεδρο μπορεί κανείς να βρει επίπεδα συμμετρίας, άξονες συμμετρίας, κέντρα συμμετρίας και άλλα στοιχεία συμμετρίας, έτσι ώστε πανομοιότυπα μέρη του πολυέδρου να ταιριάζουν μεταξύ τους. Ας εισαγάγουμε μια άλλη έννοια που σχετίζεται με τη συμμετρία - την πολικότητα.

Κάθε κρυσταλλικό πολύεδρο έχει ένα ορισμένο σύνολο στοιχείων συμμετρίας. Το πλήρες σύνολο όλων των στοιχείων συμμετρίας που είναι εγγενή σε έναν δεδομένο κρύσταλλο ονομάζεται κλάση συμμετρίας. Ο αριθμός τους είναι περιορισμένος. Έχει αποδειχθεί μαθηματικά ότι υπάρχουν 32 είδη συμμετρίας στους κρυστάλλους.

Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τους τύπους συμμετρίας σε έναν κρύσταλλο. Πρώτα απ 'όλα, οι κρύσταλλοι μπορούν να έχουν άξονες συμμετρίας μόνο 1, 2, 3, 4 και 6 τάξεων. Προφανώς, οι άξονες συμμετρίας της 5ης, 7ης και υψηλότερης τάξης δεν είναι δυνατοί, γιατί με μια τέτοια δομή, οι ατομικές σειρές και τα δίκτυα δεν θα γεμίζουν συνεχώς τον χώρο· θα εμφανιστούν κενά και κενά μεταξύ των θέσεων ισορροπίας των ατόμων. Τα άτομα δεν θα είναι στις πιο σταθερές θέσεις και η κρυσταλλική δομή θα καταρρεύσει.

Σε ένα κρυσταλλικό πολύεδρο μπορείτε να βρείτε διαφορετικούς συνδυασμούς στοιχείων συμμετρίας - μερικά έχουν λίγα, άλλα έχουν πολλά. Σύμφωνα με τη συμμετρία, κυρίως κατά μήκος των αξόνων συμμετρίας, οι κρύσταλλοι χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες.

Η υψηλότερη κατηγορία περιλαμβάνει τους πιο συμμετρικούς κρυστάλλους· μπορεί να έχουν πολλούς άξονες συμμετρίας τάξεων 2, 3 και 4, χωρίς άξονες 6ης τάξης, μπορεί να έχουν επίπεδα και κέντρα συμμετρίας. Αυτά τα σχήματα περιλαμβάνουν τον κύβο, το οκτάεδρο, το τετράεδρο κ.λπ. Όλα έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό: είναι περίπου τα ίδια προς όλες τις κατευθύνσεις.

Οι κρύσταλλοι της μεσαίας κατηγορίας μπορούν να έχουν άξονες 3, 4 και 6 παραγγελιών, αλλά μόνο έναν κάθε φορά. Μπορεί να υπάρχουν αρκετοί άξονες της τάξης 2· είναι πιθανά επίπεδα συμμετρίας και κέντρα συμμετρίας. Τα σχήματα αυτών των κρυστάλλων: πρίσματα, πυραμίδες κ.λπ. Κοινό χαρακτηριστικό: έντονη διαφορά κατά μήκος και κατά μήκος του κύριου άξονα συμμετρίας.

Οι κρύσταλλοι στην υψηλότερη κατηγορία περιλαμβάνουν: διαμάντι, χαλαζία, γερμάνιο, πυρίτιο, χαλκό, αλουμίνιο, χρυσό, ασήμι, γκρι κασσίτερο, βολφράμιο, σίδηρο. Στη μεσαία κατηγορία: γραφίτης, ρουμπίνι, χαλαζίας, ψευδάργυρος, μαγνήσιο, λευκός κασσίτερος, τουρμαλίνη, βηρύλιο. Στο χαμηλότερο: γύψος, μαρμαρυγία, θειικός χαλκός, αλάτι Rochelle κ.λπ. Φυσικά, αυτή η λίστα δεν απαριθμούσε όλους τους υπάρχοντες κρυστάλλους, αλλά μόνο τους πιο διάσημους από αυτούς.

Οι κατηγορίες χωρίζονται με τη σειρά τους σε επτά συστήματα. Μετάφραση από τα ελληνικά, "syngony" σημαίνει "παρόμοια γωνία". Κρύσταλλοι με πανομοιότυπους άξονες συμμετρίας, και επομένως με παρόμοιες γωνίες περιστροφής στη δομή, συνδυάζονται σε ένα κρυσταλλικό σύστημα.

Οι φυσικές ιδιότητες των κρυστάλλων τις περισσότερες φορές εξαρτώνται από τη δομή και τη χημική τους σύσταση.

Αρχικά, αξίζει να αναφέρουμε δύο βασικές ιδιότητες των κρυστάλλων. Ένα από αυτά είναι η ανισοτροπία. Αυτός ο όρος σημαίνει αλλαγή στις ιδιότητες ανάλογα με την κατεύθυνση. Ταυτόχρονα, οι κρύσταλλοι είναι ομοιογενή σώματα. Η ομοιογένεια μιας κρυσταλλικής ουσίας συνίσταται στο γεγονός ότι τα δύο τμήματα της με το ίδιο σχήμα και τον ίδιο προσανατολισμό έχουν πανομοιότυπες ιδιότητες.

Ας μιλήσουμε πρώτα για τις ηλεκτρικές ιδιότητες. Κατ' αρχήν, οι ηλεκτρικές ιδιότητες των κρυστάλλων μπορούν να εξεταστούν χρησιμοποιώντας το παράδειγμα των μετάλλων, καθώς τα μέταλλα, σε μία από τις καταστάσεις τους, μπορεί να είναι κρυσταλλικά αδρανή. Τα ηλεκτρόνια, που κινούνται ελεύθερα στο μέταλλο, δεν μπορούν να σβήσουν· αυτό απαιτεί ενέργεια. Εάν σε αυτή την περίπτωση δαπανηθεί ενέργεια ακτινοβολίας, η επίδραση της αφαίρεσης ηλεκτρονίων προκαλεί το λεγόμενο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Παρόμοιο αποτέλεσμα παρατηρείται σε μονοκρυστάλλους. Ένα ηλεκτρόνιο που σχίζεται από τη μοριακή τροχιά, παραμένοντας μέσα στον κρύσταλλο, προκαλεί μεταλλική αγωγιμότητα στον τελευταίο (εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο). Υπό κανονικές συνθήκες (χωρίς ακτινοβολία), τέτοιες συνδέσεις δεν είναι αγωγοί ηλεκτρικού ρεύματος.

Η συμπεριφορά των κυμάτων φωτός στους κρυστάλλους μελετήθηκε από τον E. Bertolin, ο οποίος ήταν ο πρώτος που παρατήρησε ότι τα κύματα συμπεριφέρονται μη τυποποιημένα όταν περνούν μέσα από έναν κρύσταλλο. Μια μέρα ο Μπερταλίν σκιαγράφιζε τις δίεδρες γωνίες της ράτσας Ισλανδίας, μετά έβαλε τον κρύσταλλο στα σχέδια και μετά ο επιστήμονας είδε για πρώτη φορά ότι κάθε γραμμή διχάζει. Ήταν πεπεισμένος πολλές φορές ότι όλοι οι κρύσταλλοι σπαρτικών διακλαδώνουν το φως, μόνο τότε ο Μπερταλίν έγραψε μια πραγματεία «Πειράματα με έναν διπλοδιαθλαστικό ισλανδικό κρύσταλλο, που οδήγησε στην ανακάλυψη μιας υπέροχης και εξαιρετικής διάθλασης» (1669). Ο επιστήμονας έστειλε τα αποτελέσματα των πειραμάτων του σε μεμονωμένους επιστήμονες και ακαδημίες σε πολλές χώρες. Τα έργα έγιναν δεκτά με πλήρη δυσπιστία. Η Αγγλική Ακαδημία Επιστημών διέθεσε μια ομάδα επιστημόνων για να δοκιμάσει αυτόν τον νόμο (Newton, Boyle, Hooke κ.λπ.). Αυτή η έγκυρη επιτροπή αναγνώρισε το φαινόμενο ως τυχαίο και το νόμο ως ανύπαρκτο. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων του Μπερταλίν ξεχάστηκαν.

Μόλις 20 χρόνια αργότερα, ο Christiaan Huygens επιβεβαίωσε την ορθότητα της ανακάλυψης του Bertalin και ο ίδιος ανακάλυψε τη διπλή διάθλαση στον χαλαζία. Πολλοί επιστήμονες που στη συνέχεια μελέτησαν αυτή την ιδιότητα επιβεβαίωσαν ότι όχι μόνο η ράβδος της Ισλανδίας, αλλά και πολλοί άλλοι κρύσταλλοι διχάζουν το φως.

...

Παρόμοια έγγραφα

Κρυσταλλική δομή. Ο ρόλος, το θέμα και τα καθήκοντα της φυσικής στερεάς κατάστασης. Κρυσταλλικά και άμορφα σώματα. Τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων. Τύποι δεσμών σε κρυστάλλους. Κρυσταλλικές δομές στερεών. Υγροί κρύσταλλοι. Κρυσταλλικά ελαττώματα.

διάλεξη, προστέθηκε 13/03/2007


Η έννοια και τα κύρια χαρακτηριστικά της συμπυκνωμένης κατάστασης της ύλης, χαρακτηριστικές διαδικασίες. Κρυσταλλικά και άμορφα σώματα. Η ουσία και τα χαρακτηριστικά της κρυσταλλικής ανισοτροπίας. Διακριτικά χαρακτηριστικά πολυκρυστάλλων και πολυμερών. Θερμικές ιδιότητες και δομή κρυστάλλων.

μάθημα διαλέξεων, προστέθηκε 21/02/2009


Γενικές ιδιότητες ενός στερεού σώματος, η κατάστασή του. Εντοπισμένες και μετατοπισμένες καταστάσεις ενός συμπαγούς σώματος, διακριτικά χαρακτηριστικά. Ουσία, είδη χημικών δεσμών σε στερεά. Τοπικές και μη τοπικές περιγραφές σε μη παραμορφωμένα πλέγματα. Σημειακά ελαττώματα.

φροντιστήριο, προστέθηκε 21/02/2009


Οι κρύσταλλοι είναι πραγματικά στερεά. Θερμοδυναμική σημειακών ελαττωμάτων κρυστάλλων, μετανάστευση, πηγές και καταβόθρες τους. Μελέτη εξάρθρωσης, γραμμικό ελάττωμα στην κρυσταλλική δομή των στερεών. Δισδιάστατα και τρισδιάστατα ελαττώματα. Άμορφα στερεά.

έκθεση, προστέθηκε 01/07/2015


Η φυσική στερεάς κατάστασης είναι ένας από τους πυλώνες στους οποίους στηρίζεται η σύγχρονη τεχνολογική κοινωνία. Φυσική δομή στερεών. Συμμετρία και ταξινόμηση κρυστάλλων. Χαρακτηριστικά παραμόρφωσης και καταπόνησης. Κρυσταλλικά ελαττώματα, τρόποι αύξησης της αντοχής.

παρουσίαση, προστέθηκε 02/12/2010


Προσθήκη στοιχείων συμμετρίας ασυνεχούς. Συνεπής ανάκλαση σε δύο παράλληλα επίπεδα συμμετρίας. Το άθροισμα του επιπέδου συμμετρίας και η κάθετη σε αυτό μετάφραση. Χαρακτηριστικά της δράσης του διανύσματος μετάφρασης στους κάθετους σε αυτό άξονες.

παρουσίαση, προστέθηκε 23/09/2013


Κρυσταλλικές και άμορφες καταστάσεις στερεών, αιτίες σημειακών και γραμμικών ελαττωμάτων. Πυρήνωση και ανάπτυξη κρυστάλλων. Τεχνητή παραγωγή πολύτιμων λίθων, στερεών διαλυμάτων και υγρών κρυστάλλων. Οπτικές ιδιότητες χοληστερικών υγρών κρυστάλλων.

περίληψη, προστέθηκε 26/04/2010


Φωτοηλεκτρικές ιδιότητες δειγμάτων ανομοιογενών ημιαγωγών. Δομή ενέργειας μιας ωμικής επαφής παρουσία άνισα κατανεμημένων παγίδων ηλεκτρονίων. Φωτοηλεκτρικές ιδιότητες κρυστάλλων που υποβάλλονται σε επεξεργασία σε εκκένωση αερίου.

διατριβή, προστέθηκε 18/03/2008


Ελαττώματα σε πραγματικούς κρυστάλλους, η αρχή λειτουργίας των διπολικών τρανζίστορ. Παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος σε ενδιάμεσα και υποκατάστατα στερεά διαλύματα. Επιφανειακά φαινόμενα σε ημιαγωγούς. Παράμετροι τρανζίστορ και συντελεστής μεταφοράς ρεύματος εκπομπού.

δοκιμή, προστέθηκε στις 22/10/2009


Δεσμοί υδρογόνου στο νερό, τα κύρια κριτήριά του. Ανώμαλες ιδιότητες του νερού. Η έννοια της ηλεκτρόλυσης και των ηλεκτρολυτών. Η ηλεκτροκρυστάλλωση και οι νόμοι της. Δυναμική δικτύου δεσμών υδρογόνου κατά την ηλεκτροκρυστάλλωση του νερού. Κρυσταλλικοί και άμορφοι πάγοι.

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

Ο καθένας μπορεί εύκολα να χωρίσει τα σώματα σε στερεά και υγρά. Ωστόσο, αυτή η διαίρεση θα βασίζεται μόνο σε εξωτερικά σημάδια. Για να μάθουμε τι ιδιότητες έχουν τα στερεά, θα τα θερμάνουμε. Μερικά σώματα θα αρχίσουν να καίγονται (ξύλο, άνθρακας) - αυτές είναι οργανικές ουσίες. Άλλα θα μαλακώσουν (ρητίνη) ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες - αυτά είναι άμορφα. Μια ειδική ομάδα στερεών αποτελείται από εκείνα για τα οποία η εξάρτηση της θερμοκρασίας από το χρόνο θέρμανσης παρουσιάζεται στο σχήμα 12. Πρόκειται για κρυσταλλικά στερεά. Αυτή η συμπεριφορά των κρυσταλλικών σωμάτων όταν θερμαίνονται εξηγείται από την εσωτερική τους δομή. Κρυστάλλινα σώματα- πρόκειται για σώματα των οποίων τα άτομα και τα μόρια είναι διατεταγμένα με μια συγκεκριμένη σειρά και αυτή η σειρά διατηρείται σε αρκετά μεγάλη απόσταση. Η χωρική περιοδική διάταξη ατόμων ή ιόντων σε έναν κρύσταλλο ονομάζεται κρυσταλλικού πλέγματος. Τα σημεία του κρυσταλλικού πλέγματος στα οποία βρίσκονται άτομα ή ιόντα ονομάζονται κόμβοι πλέγματος.

Τα κρυσταλλικά σώματα είναι είτε μονοκρύσταλλα είτε πολυκρύσταλλα. Μονοκρυσταλλικόέχει ένα μονοκρυσταλλικό πλέγμα σε όλο τον όγκο του.

ΑνισοτροπίαΟι μονοκρυστάλλοι έγκεινται στην εξάρτηση των φυσικών τους ιδιοτήτων από την κατεύθυνση. ΠολυκρύσταλλοΕίναι ένας συνδυασμός μικρών, διαφορετικού προσανατολισμού μονοκρυστάλλων (κόκκων) και δεν έχει ανισοτροπία ιδιοτήτων. Τα περισσότερα στερεά έχουν πολυκρυσταλλική δομή (ορυκτά, κράματα, κεραμικά).

Οι κύριες ιδιότητες των κρυσταλλικών σωμάτων είναι: βεβαιότητα σημείου τήξης, ελαστικότητα, αντοχή, εξάρτηση ιδιοτήτων από τη σειρά διάταξης των ατόμων, δηλαδή από τον τύπο του κρυσταλλικού πλέγματος.

Αμορφοςείναι ουσίες που δεν έχουν τάξη στη διάταξη των ατόμων και των μορίων σε όλο τον όγκο αυτής της ουσίας. Σε αντίθεση με τις κρυσταλλικές ουσίες, οι άμορφες ουσίες ισοτροπικό. Αυτό σημαίνει ότι οι ιδιότητες είναι ίδιες προς όλες τις κατευθύνσεις. Η μετάβαση από μια άμορφη κατάσταση σε ένα υγρό συμβαίνει σταδιακά· δεν υπάρχει συγκεκριμένο σημείο τήξης. Τα άμορφα σώματα δεν έχουν ελαστικότητα, είναι πλαστικά. Διάφορες ουσίες βρίσκονται σε άμορφη κατάσταση: γυαλί, ρητίνες, πλαστικά κ.λπ.

Ελαστικότητα- την ιδιότητα των σωμάτων να επαναφέρουν το σχήμα και τον όγκο τους μετά την παύση εξωτερικών δυνάμεων ή άλλους λόγους που προκάλεσαν την παραμόρφωση των σωμάτων. Σύμφωνα με τη φύση της μετατόπισης των σωματιδίων ενός στερεού σώματος, οι παραμορφώσεις που συμβαίνουν όταν αλλάζει το σχήμα του χωρίζονται σε: τάση - συμπίεση, διάτμηση, στρέψη και κάμψη. Για τις ελαστικές παραμορφώσεις ισχύει ο νόμος του Hooke, σύμφωνα με τον οποίο οι ελαστικές παραμορφώσεις είναι ευθέως ανάλογες με τις εξωτερικές επιδράσεις που τις προκαλούν. Για την εφελκυστική-θλιπτική παραμόρφωση, ο νόμος του Hooke έχει τη μορφή: , όπου είναι η μηχανική τάση, είναι σχετική επιμήκυνση, είναι απόλυτη επιμήκυνση, είναι ο συντελεστής του Young (μέτρο ελαστικότητας). Η ελαστικότητα οφείλεται στην αλληλεπίδραση και τη θερμική κίνηση των σωματιδίων που αποτελούν την ουσία.

Ανάλογα με τις φυσικές ιδιότητες και τη μοριακή δομή, υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες στερεών - τα κρυσταλλικά και τα άμορφα.

Ορισμός 1

Τα άμορφα σώματα έχουν ένα τέτοιο χαρακτηριστικό όπως η ισοτροπία. Αυτή η έννοια σημαίνει ότι είναι σχετικά ανεξάρτητες από τις οπτικές, μηχανικές και άλλες φυσικές ιδιότητες και από την κατεύθυνση στην οποία δρουν οι εξωτερικές δυνάμεις πάνω τους.

Το κύριο χαρακτηριστικό των αφμορικών σωμάτων είναι η χαοτική διάταξη των ατόμων και των μορίων, τα οποία συγκεντρώνονται μόνο σε μικρές τοπικές ομάδες, όχι περισσότερα από λίγα σωματίδια σε καθεμία.

Αυτή η ιδιότητα φέρνει τα άμορφα σώματα πιο κοντά στα υγρά. Τέτοια στερεά περιλαμβάνουν το κεχριμπάρι και άλλες σκληρές ρητίνες, διάφορα είδη πλαστικού και γυαλί. Υπό την επίδραση των υψηλών θερμοκρασιών, τα άμορφα σώματα μαλακώνουν, αλλά απαιτείται ισχυρή θερμότητα για τη μετατροπή τους σε υγρό.

Όλα τα κρυσταλλικά σώματα έχουν σαφή εσωτερική δομή. Ομάδες σωματιδίων με την ίδια σειρά επαναλαμβάνονται περιοδικά σε ολόκληρο τον όγκο ενός τέτοιου σώματος. Για την οπτικοποίηση μιας τέτοιας δομής, συνήθως χρησιμοποιούνται χωρικά κρυσταλλικά πλέγματα. Αποτελούνται από έναν ορισμένο αριθμό κόμβων που σχηματίζουν τα κέντρα μορίων ή ατόμων μιας συγκεκριμένης ουσίας. Τυπικά, ένα τέτοιο πλέγμα κατασκευάζεται από ιόντα που αποτελούν μέρος των επιθυμητών μορίων. Έτσι, στο επιτραπέζιο αλάτι, η εσωτερική δομή αποτελείται από ιόντα νατρίου και χλωρίου, συνδυασμένα σε ζεύγη σε μόρια. Τέτοια κρυσταλλικά σώματα ονομάζονται ιοντικά.

Εικόνα 3. 6. 1 . Κρυσταλλικό πλέγμα από επιτραπέζιο αλάτι.

Ορισμός 2

Στη δομή κάθε ουσίας, μπορεί να διακριθεί ένα ελάχιστο συστατικό - κυτταρική μονάδα.

Ολόκληρο το πλέγμα από το οποίο αποτελείται το κρυσταλλικό σώμα μπορεί να αποτελείται από τη μετάφραση (παράλληλη μεταφορά) ενός τέτοιου στοιχείου προς ορισμένες κατευθύνσεις.

Ο αριθμός των τύπων κρυσταλλικών δικτυωμάτων δεν είναι άπειρος. Υπάρχουν συνολικά 230 είδη, τα περισσότερα από τα οποία δημιουργούνται τεχνητά ή βρίσκονται σε φυσικά υλικά. Τα δομικά πλέγματα μπορούν να λάβουν τη μορφή κύβων με κέντρο το σώμα (για παράδειγμα, για σίδηρο), κύβους με επίκεντρο το πρόσωπο (για χρυσό, χαλκό) ή ένα πρίσμα με έξι επιφάνειες (μαγνήσιο, ψευδάργυρος).

Με τη σειρά τους, τα κρυσταλλικά σώματα χωρίζονται σε πολυκρυστάλλους και μονοκρυστάλλους. Οι περισσότερες ουσίες ανήκουν στους πολυκρυστάλλους, γιατί αποτελούνται από τους λεγόμενους κρυσταλλίτες. Αυτοί είναι μικροί κρύσταλλοι συγχωνευμένοι και τυχαία προσανατολισμένοι. Οι μονοκρυσταλλικές ουσίες είναι σχετικά σπάνιες, ακόμη και μεταξύ τεχνητών υλικών.

Ορισμός 3

Οι πολυκρυστάλλοι έχουν την ιδιότητα της ισοτροπίας, δηλαδή τις ίδιες ιδιότητες προς όλες τις κατευθύνσεις.

Η πολυκρυσταλλική δομή του σώματος είναι σαφώς ορατή στο μικροσκόπιο, και για ορισμένα υλικά, όπως ο χυτοσίδηρος, ακόμη και με γυμνό μάτι.

Ορισμός 4

Πολυμορφισμός– είναι η ικανότητα μιας ουσίας να υπάρχει σε πολλές φάσεις, δηλ. κρυσταλλικές τροποποιήσεις που διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τις φυσικές ιδιότητες.

Η διαδικασία μετάβασης σε άλλη τροποποίηση ονομάζεται πολυμορφική μετάβαση.

Ένα παράδειγμα τέτοιου φαινομένου θα μπορούσε να είναι η μετατροπή του γραφίτη σε διαμάντι, που σε βιομηχανικές συνθήκες συμβαίνει σε υψηλή πίεση (έως 100.000 ατμόσφαιρες) και υψηλές θερμοκρασίες
(έως 2000 K).

Για τη μελέτη της δομής πλέγματος ενός μονοκρυσταλλικού ή πολυκρυσταλλικού δείγματος, χρησιμοποιείται περίθλαση ακτίνων Χ.

Τα απλά κρυσταλλικά πλέγματα φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων είναι τόσο μικρή που είναι συγκρίσιμη με το μέγεθος των ίδιων των σωματιδίων. Για λόγους σαφήνειας, τα διαγράμματα δείχνουν μόνο τις θέσεις των κέντρων.

Εικόνα 3. 6. 2. Απλά κρυσταλλικά πλέγματα: 1 – απλό κυβικό πλέγμα; 2 – κεντραρισμένο κυβικό πλέγμα. 3 – κυβικό πλέγμα με κέντρο το σώμα. 4 – εξαγωνικό πλέγμα.

Το πιο απλό είναι το κυβικό πλέγμα: μια τέτοια δομή αποτελείται από κύβους με σωματίδια στις κορυφές. Ένα πλέγμα με επίκεντρο το πρόσωπο έχει σωματίδια όχι μόνο στις κορυφές, αλλά και στις όψεις. Για παράδειγμα, το κρυσταλλικό πλέγμα του επιτραπέζιου αλατιού αποτελείται από δύο δικτυωτά πλέγματα με επίκεντρο την όψη, φωλιασμένα το ένα μέσα στο άλλο. Ένα πλέγμα με κέντρο το σώμα έχει επιπλέον σωματίδια στο κέντρο κάθε κύβου.

Οι μεταλλικές σχάρες έχουν ένα σημαντικό χαρακτηριστικό. Τα ιόντα μιας ουσίας διατηρούνται στη θέση τους μέσω αλληλεπίδρασης με ένα αέριο ελεύθερων ηλεκτρονίων. Το λεγόμενο αέριο ηλεκτρονίων σχηματίζεται από ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια που δίνονται από άτομα. Τέτοια ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν σε όλο τον όγκο του κρυστάλλου.

Εικόνα 3. 6. 3. Δομή ενός μεταλλικού κρυστάλλου.

Εάν παρατηρήσετε κάποιο σφάλμα στο κείμενο, επισημάνετε το και πατήστε Ctrl+Enter

Όπως υγρό, αλλά και μορφή. Βρίσκονται κυρίως σε κρυσταλλική κατάσταση.
Κρύσταλλοι- πρόκειται για στερεά σώματα, τα άτομα ή τα μόρια των οποίων καταλαμβάνουν ορισμένες, διατεταγμένες θέσεις στο χώρο. Επομένως, οι κρύσταλλοι έχουν επίπεδες άκρες. Για παράδειγμα, ένας κόκκος συνηθισμένου επιτραπέζιου αλατιού έχει επίπεδες άκρες που σχηματίζουν ορθές γωνίες μεταξύ τους ( Εικ.12.1).

Αυτό μπορεί να φανεί εξετάζοντας το αλάτι με μεγεθυντικό φακό. Και πόσο γεωμετρικά σωστό είναι το σχήμα μιας νιφάδας χιονιού! Αντανακλά επίσης τη γεωμετρική ορθότητα της εσωτερικής δομής ενός κρυσταλλικού στερεού - πάγου ( Εικ.12.2).

Ανισοτροπία κρυστάλλων. Ωστόσο, το σωστό εξωτερικό σχήμα δεν είναι η μόνη ή ακόμη και η πιο σημαντική συνέπεια της διατεταγμένης δομής του κρυστάλλου. Το κυριότερο είναι εξάρτηση των φυσικών ιδιοτήτων του κρυστάλλου από την κατεύθυνση που επιλέγεται στον κρύσταλλο.
Πρώτα απ 'όλα, η διαφορετική μηχανική αντοχή των κρυστάλλων σε διαφορετικές κατευθύνσεις είναι εντυπωσιακή. Για παράδειγμα, ένα κομμάτι μαρμαρυγίας απολεπίζεται εύκολα προς μία κατεύθυνση σε λεπτές πλάκες ( Εικ.12.3), αλλά είναι πολύ πιο δύσκολο να το σπάσετε στην κάθετη προς τις πλάκες κατεύθυνση.

Ένας κρύσταλλος γραφίτη επίσης απολεπίζεται εύκολα προς μία κατεύθυνση. Όταν γράφετε με μολύβι, αυτή η αποκόλληση γίνεται συνεχώς και λεπτά στρώματα γραφίτη παραμένουν στο χαρτί. Αυτό συμβαίνει επειδή το κρυσταλλικό πλέγμα γραφίτη έχει μια πολυεπίπεδη δομή. Τα στρώματα σχηματίζονται από μια σειρά παράλληλων δικτύων που αποτελούνται από άτομα άνθρακα ( Εικ.12.4). Τα άτομα βρίσκονται στις κορυφές των κανονικών εξαγώνων. Η απόσταση μεταξύ των στρωμάτων είναι σχετικά μεγάλη - περίπου 2 φορές το μήκος της πλευράς του εξαγώνου, επομένως οι δεσμοί μεταξύ των στρωμάτων είναι λιγότερο ισχυροί από τους δεσμούς μέσα τους.

Πολλοί κρύσταλλοι μεταφέρουν τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό με διαφορετικό τρόπο σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Οι οπτικές ιδιότητες των κρυστάλλων εξαρτώνται επίσης από την κατεύθυνση. Έτσι, ένας κρύσταλλος χαλαζία διαθλά το φως διαφορετικά ανάλογα με την κατεύθυνση των ακτίνων που προσπίπτουν σε αυτόν.
Η εξάρτηση των φυσικών ιδιοτήτων από την κατεύθυνση μέσα στον κρύσταλλο ονομάζεται ανισοτροπία. Όλα τα κρυσταλλικά σώματα είναι ανισότροπα.
Μονοκρύσταλλοι και πολυκρυστάλλοι.Τα μέταλλα έχουν κρυσταλλική δομή. Είναι μέταλλα που χρησιμοποιούνται κυρίως σήμερα για την κατασκευή εργαλείων, διαφόρων μηχανημάτων και μηχανισμών.
Εάν πάρετε ένα σχετικά μεγάλο κομμάτι μετάλλου, τότε με την πρώτη ματιά η κρυσταλλική του δομή δεν φαίνεται με κανέναν τρόπο ούτε στην εμφάνιση αυτού του κομματιού ούτε στις φυσικές του ιδιότητες. Τα μέταλλα στην κανονική τους κατάσταση δεν παρουσιάζουν ανισοτροπία.
Το θέμα εδώ είναι ότι το μέταλλο αποτελείται συνήθως από έναν τεράστιο αριθμό μικρών κρυστάλλων συγχωνευμένων. Κάτω από μικροσκόπιο ή ακόμα και με μεγεθυντικό φακό είναι εύκολο να τα δούμε, ειδικά σε φρέσκο ​​μεταλλικό κάταγμα ( Εικ.12.5). Οι ιδιότητες κάθε κρυστάλλου εξαρτώνται από την κατεύθυνση, αλλά οι κρύσταλλοι είναι τυχαία προσανατολισμένοι μεταξύ τους. Ως αποτέλεσμα, σε έναν όγκο σημαντικά μεγαλύτερο από τον όγκο των μεμονωμένων κρυστάλλων, όλες οι κατευθύνσεις μέσα στα μέταλλα είναι ίσες και οι ιδιότητες των μετάλλων είναι ίδιες προς όλες τις κατευθύνσεις.

Ένα στερεό που αποτελείται από μεγάλο αριθμό μικρών κρυστάλλων ονομάζεται πολυκρυσταλλικό. Τα μονοκρύσταλλα λέγονται μονοκρύσταλλα.
Λαμβάνοντας μεγάλες προφυλάξεις, είναι δυνατό να αναπτυχθεί ένας μεγάλος μεταλλικός κρύσταλλος - ένας μόνο κρύσταλλος.
Υπό κανονικές συνθήκες, σχηματίζεται ένα πολυκρυσταλλικό σώμα ως αποτέλεσμα του γεγονότος ότι η ανάπτυξη πολλών κρυστάλλων που έχει ξεκινήσει συνεχίζεται μέχρι να έρθουν σε επαφή μεταξύ τους, σχηματίζοντας ένα ενιαίο σώμα.
Οι πολυκρυστάλλοι δεν περιλαμβάνουν μόνο μέταλλα. Ένα κομμάτι ζάχαρης, για παράδειγμα, έχει επίσης πολυκρυσταλλική δομή.
Τα περισσότερα κρυσταλλικά στερεά είναι πολυκρυστάλλοι, καθώς αποτελούνται από πολλούς κρυστάλλους που αναπτύσσονται μεταξύ τους. Μονοί κρύσταλλοι - οι μονοκρυστάλλοι έχουν κανονικό γεωμετρικό σχήμα και οι ιδιότητές τους είναι διαφορετικές σε διαφορετικές κατευθύνσεις (ανισοτροπία).

???
1. Είναι όλα τα κρυσταλλικά σώματα ανισότροπα;
2. Το ξύλο είναι ανισότροπο. Είναι κρυσταλλικό σώμα;
3. Δώστε παραδείγματα μονοκρυσταλλικών και πολυκρυσταλλικών στερεών που δεν αναφέρονται στο κείμενο.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Φυσική 10η τάξη

Περιεχόμενο μαθήματος σημειώσεις μαθήματοςυποστήριξη μεθόδων επιτάχυνσης παρουσίασης μαθήματος διαδραστικές τεχνολογίες Πρακτική εργασίες και ασκήσεις αυτοδιαγνωστικά εργαστήρια, προπονήσεις, περιπτώσεις, αποστολές ερωτήσεις συζήτησης εργασιών για το σπίτι ρητορικές ερωτήσεις από μαθητές εικονογραφήσεις ήχου, βίντεο κλιπ και πολυμέσαφωτογραφίες, εικόνες, γραφικά, πίνακες, διαγράμματα, χιούμορ, ανέκδοτα, αστεία, κόμικ, παραβολές, ρήσεις, σταυρόλεξα, αποσπάσματα Πρόσθετα περιλήψειςάρθρα κόλπα για την περίεργη κούνια σχολικά βιβλία βασικά και επιπλέον λεξικό όρων άλλα Βελτίωση σχολικών βιβλίων και μαθημάτωνδιόρθωση λαθών στο σχολικό βιβλίοενημέρωση ενός τμήματος σε ένα σχολικό βιβλίο, στοιχεία καινοτομίας στο μάθημα, αντικατάσταση ξεπερασμένων γνώσεων με νέες Μόνο για δασκάλους τέλεια μαθήματαημερολογιακό σχέδιο για το έτος· μεθοδολογικές συστάσεις· προγράμματα συζήτησης Ολοκληρωμένα Μαθήματα

Εάν έχετε διορθώσεις ή προτάσεις για αυτό το μάθημα,