En kristall skiljer sig från en amorf fast substans. Kristallina och amorfa kroppar: struktur och egenskaper. Samordningsnummer c.n.

Fasta ämnen är kristallina och amorfa kroppar. Kristall är vad is kallades förr i tiden. Och sedan började de kalla kvarts för en kristall och ansåg dessa mineraler vara förstenad is. Kristaller är naturliga och används inom smyckesindustrin, optik, radioteknik och elektronik, som stöd för element i ultraprecisionsinstrument, som ett ultrahårt slipmaterial.

Kristallina kroppar kännetecknas av hårdhet och har en strikt regelbunden position i rymden av molekyler, joner eller atomer, vilket resulterar i bildandet av ett tredimensionellt periodiskt kristallgitter (struktur). Utåt uttrycks detta av en viss symmetri av formen på en fast kropp och dess vissa fysiska egenskaper. I sin yttre form reflekterar kristallina kroppar symmetrin som är inneboende i den inre "packningen" av partiklar. Detta bestämmer vinklarnas likhet mellan ytorna på alla kristaller som består av samma ämne.

I dem kommer avstånden från centrum till centrum mellan närliggande atomer också att vara lika (om de är belägna på samma räta linje, kommer detta avstånd att vara detsamma längs hela linjens längd). Men för atomer som ligger på en rak linje med en annan riktning kommer avståndet mellan atomernas centra att vara annorlunda. Denna omständighet förklarar anisotropin. Anisotropi är den största skillnaden mellan kristallina kroppar och amorfa.

Mer än 90 % av fasta ämnen kan klassificeras som kristaller. I naturen finns de i form av enkristaller och polykristaller. Monokristaller är enkristaller, vars ytor representeras av regelbundna polygoner; De kännetecknas av närvaron av ett kontinuerligt kristallgitter och anisotropi av fysikaliska egenskaper.

Polykristaller är kroppar som består av många små kristaller, "sammanväxta" något kaotiskt. Polykristaller är metaller, socker, stenar, sand. I sådana kroppar (till exempel ett fragment av en metall) uppträder anisotropi vanligtvis inte på grund av det slumpmässiga arrangemanget av element, även om anisotropi är karakteristisk för en individuell kristall av denna kropp.

Andra egenskaper hos kristallina kroppar: strikt definierad temperatur (närvaro av kritiska punkter), styrka, elasticitet, elektrisk ledningsförmåga, magnetisk ledningsförmåga, värmeledningsförmåga.

Amorf - saknar form. Så här översätts ordet ordagrant från grekiska. Amorfa kroppar skapas av naturen. Till exempel bärnsten, vax Människor är involverade i skapandet av konstgjorda amorfa kroppar - glas och hartser (konstgjorda), paraffin, plaster (polymerer), kolofonium, naftalen, var. inte har på grund av det kaotiska arrangemanget av molekyler (atomer, joner) i kroppens struktur. Därför är de för alla amorfa kroppar isotropa - samma i alla riktningar. För amorfa kroppar finns det ingen kritisk smältpunkt, de mjuknar gradvis vid upphettning och förvandlas till trögflytande vätskor. Amorfa kroppar tilldelas en mellanliggande (övergångs-) position mellan vätskor och kristallina kroppar: vid låga temperaturer hårdnar de och blir elastiska, dessutom kan de delas i formlösa bitar vid stöten. Vid höga temperaturer uppvisar samma element plasticitet och blir trögflytande vätskor.

Nu vet du vad kristallina kroppar är!

Skicka ditt goda arbete i kunskapsbasen är enkelt. Använd formuläret nedan

Studenter, doktorander, unga forskare som använder kunskapsbasen i sina studier och arbete kommer att vara er mycket tacksamma.

Postat på http://www.allbest.ru/

Introduktion

Kapitel 1. Kristallina och amorfa kroppar

1.1 Idealiska kristaller

1.2 Enkristaller och kristallina aggregat

1.3 Polykristaller

Kapitel 2. Element av symmetri av kristaller

Kapitel 3. Typer av defekter i fasta ämnen

3.1 Punktfel

3.2 Linjära defekter

3.3 Ytfel

3.4 Volumetriska defekter

Kapitel 4. Skaffa kristaller

Kapitel 5. Kristallers egenskaper

Slutsats

Bibliografi

Introduktion

Kristaller är en av naturens vackraste och mest mystiska skapelser. För närvarande studerar vetenskapen om kristallografi mångfalden av kristaller. Hon avslöjar tecken på enhet i denna mångfald, studerar egenskaperna och strukturen hos både enkristaller och kristallina aggregat. Kristallografi är en vetenskap som utförligt studerar kristallin materia. Detta arbete ägnas också åt kristaller och deras egenskaper.

För närvarande används kristaller i stor utsträckning inom vetenskap och teknik, eftersom de har speciella egenskaper. Sådana användningsområden för kristaller som halvledare, supraledare, kvantelektronik och många andra kräver en djup förståelse av beroendet av de fysikaliska egenskaperna hos kristaller på deras kemiska sammansättning och struktur.

För närvarande är metoder för artificiellt växande kristaller kända. En kristall kan odlas i ett vanligt glas, detta kräver bara en viss lösning och den omsorg med vilken det är nödvändigt att ta hand om den växande kristallen.

Det finns en stor variation av kristaller i naturen, och det finns också många olika former av kristaller. I verkligheten är det nästan omöjligt att ge en definition som skulle gälla för alla kristaller. Här kan resultaten av röntgenanalys av kristaller användas som hjälp. Röntgenstrålar gör det möjligt att känna atomerna inuti en kristallin kropp och bestämma deras rumsliga placering. Som ett resultat fann man att absolut alla kristaller är byggda av elementära partiklar belägna i strikt ordning inuti den kristallina kroppen.

I alla kristallina strukturer utan undantag kan många identiska atomer särskiljas från atomer, belägna som noder i ett rumsligt gitter. För att föreställa oss ett sådant galler, låt oss mentalt fylla utrymmet med många lika parallellepipeder, parallellt orienterade och rörande längs hela ansikten. Det enklaste exemplet på en sådan byggnad är ett murverk av identiska tegelstenar. Om vi ​​väljer motsvarande punkter inuti tegelstenarna, till exempel deras centra eller hörn, får vi en modell av ett rumsligt gitter. Alla kristallina kroppar utan undantag kännetecknas av en gitterstruktur.

Kristaller kallas " alla fasta ämnen i vilka de ingående partiklarna (atomer, joner, molekyler) är ordnade strikt regelbundet som noder i rumsliga gitter". Den här definitionen är så nära sanningen som möjligt, den är lämplig för alla homogena kristallina kroppar: boules (en form av kristall som inte har några ytor, inga kanter, inga utskjutande hörn), och korn och figurer med platt ansikte.

Kapitel 1.Kristallina och amorfa kroppar

Baserat på deras fysikaliska egenskaper och molekylstruktur delas fasta ämnen in i två klasser - amorfa och kristallina fasta ämnen.

Ett karakteristiskt drag hos amorfa kroppar är deras isotropi, d.v.s. oberoende av alla fysikaliska egenskaper (mekaniska, optiska, etc.) från riktning. Molekyler och atomer i isotropa fasta ämnen är ordnade slumpmässigt och bildar endast små lokala grupper som innehåller flera partiklar (kortdistansordning). I sin struktur är amorfa kroppar mycket nära vätskor.

Exempel på amorfa kroppar är glas, olika härdade hartser (bärnsten), plaster etc. Om en amorf kropp värms upp mjuknar den gradvis, och övergången till flytande tillstånd tar ett betydande temperaturområde.

I kristallina kroppar är partiklar ordnade i en strikt ordning, och bildar rumsliga periodiskt återkommande strukturer genom hela kroppens volym. Att visuellt representera sådana strukturer, rumslig kristallgitter, vid vars noder centra för atomer eller molekyler av ett givet ämne är belägna.

I varje rumsgitter kan man urskilja ett strukturellt element av minimal storlek, som kallas enhetscell.

Ris. 1. Typer av kristallgitter: 1 - enkelt kubiskt gitter; 2 - ansiktscentrerat kubiskt gitter; 3 - kroppscentrerat kubiskt gitter; 4 - hexagonalt gitter

I ett enkelt kubiskt gitter är partiklarna placerade vid kubens hörn. I ett ansiktscentrerat gitter finns partiklar inte bara vid kubens hörn, utan också i mitten av var och en av dess ytor. I ett kroppscentrerat kubiskt gitter finns ytterligare en partikel i mitten av varje kubisk enhetscell.

Man bör komma ihåg att partiklarna i kristaller är tätt packade, så att avståndet mellan deras centra är ungefär lika med storleken på partiklarna. I bilden av kristallgitter anges endast positionen för partiklarnas centra.

1. 1 perfekta kristaller

Den korrekta geometriska formen av kristaller lockade forskarnas uppmärksamhet även i de tidiga stadierna av utvecklingen av kristallografi och gav upphov till skapandet av vissa hypoteser om deras inre struktur.

Om vi ​​betraktar en idealisk kristall kommer vi inte att hitta några kränkningar i den; alla identiska partiklar är placerade i identiska parallella rader. Om vi ​​applicerar tre elementära översättningar som inte ligger i samma plan på en godtycklig punkt och upprepar det i oändlighet i rymden får vi ett rumsligt gitter, d.v.s. tredimensionellt system av ekvivalenta noder. Således, i en ideal kristall, kännetecknas arrangemanget av materialpartiklar av strikt tredimensionell periodicitet. Och för att få en tydlig uppfattning om mönstren som är förknippade med den geometriskt korrekta inre strukturen av kristaller, använder de i laboratorieklasser i kristallografi vanligtvis modeller av idealiskt formade kristaller i form av konvexa polyedrar med plana ytor och raka kanter. Faktum är att ansiktena på riktiga kristaller inte är helt plana, eftersom de när de växer blir täckta av tuberkler, grovhet, spår, växtgropar, vicinaler (ansikten som helt eller delvis avviker från sin ideala position), spiraler av tillväxt eller upplösning, etc. .

Perfekt kristall- detta är en fysisk modell, som är en oändlig enkristall som inte innehåller föroreningar eller strukturella defekter. Skillnaden mellan riktiga kristaller och idealiska beror på ändligheten av deras storlekar och närvaron av defekter. Närvaron av vissa defekter (till exempel föroreningar, interkristallina gränser) i verkliga kristaller kan nästan helt undvikas med hjälp av speciella metoder för tillväxt, glödgning eller rening. Emellertid, vid en temperatur T>0K, har kristaller alltid en ändlig koncentration av (termiskt aktiverade) vakanser och interstitiella atomer, vars antal i jämvikt minskar exponentiellt med sjunkande temperatur.

Kristallina ämnen kan existera i form av enkristaller eller polykristallina prover.

En enkristall är en fast substans där en regelbunden struktur täcker hela volymen av ämnet. Enkristaller finns i naturen (kvarts, diamant, smaragd) eller produceras på konstgjord väg (ruby).

Polykristallina prover består av ett stort antal små, slumpmässigt orienterade, kristaller av olika storlekar, som kan kopplas samman av vissa interaktionskrafter.

1. 2 Monokristalllegeringar och kristallina aggregat

Monokristall- en separat homogen kristall som har ett kontinuerligt kristallgitter och ibland har anisotropi av fysikaliska egenskaper. Den yttre formen av en enkristall bestäms av dess atomära kristallgitter och villkoren (främst hastighet och enhetlighet) för kristallisation. En långsamt växande enkristall får nästan alltid ett väldefinierat naturligt snitt; under icke-jämviktsförhållanden (genomsnittlig tillväxthastighet) av kristallisation, ser snittet svagt ut. Vid en ännu högre kristallisationshastighet, istället för en enkristall, bildas homogena polykristaller och polykristallina aggregat, bestående av många olika orienterade små enkristaller. Exempel på facetterade naturliga enkristaller inkluderar enkristaller av kvarts, bergsalt, islandsspat, diamant och topas. Enkristaller av halvledar- och dielektriska material odlade under speciella förhållanden är av stor industriell betydelse. I synnerhet enkristaller av kisel och konstgjorda legeringar av element i grupp III (tredje) med element i grupp V (femte) i det periodiska systemet (till exempel GaAs galliumarsenid) är grunden för modern fast tillståndselektronik. Enkelkristaller av metaller och deras legeringar har inga speciella egenskaper och används praktiskt taget inte. Enkristaller av ultrarena ämnen har samma egenskaper oavsett beredningsmetod. Kristallisering sker nära smältpunkten (kondensation) från gasformiga (till exempel frost och snöflingor), flytande (oftast) och fasta amorfa tillstånd med frigörande av värme. Kristallisering från gas eller vätska har en kraftfull reningsmekanism: den kemiska sammansättningen av långsamt växande enkristaller är nästan idealisk. Nästan alla föroreningar finns kvar (ackumuleras) i vätska eller gas. Detta beror på att när kristallgittret växer sker ett spontant urval av de nödvändiga atomerna (molekyler för molekylära kristaller) inte bara enligt deras kemiska egenskaper (valens), utan också enligt storlek.

Modern teknik saknar inte längre den begränsade uppsättningen egenskaper hos naturliga kristaller (särskilt för att skapa halvledarlasrar), och forskare har kommit på en metod för att skapa kristallliknande ämnen med mellanliggande egenskaper genom att odla omväxlande ultratunna lager av kristaller med liknande kristaller gitterparametrar.

Till skillnad från andra aggregationstillstånd är det kristallina tillståndet mångsidigt. Molekyler av samma sammansättning kan förpackas i kristaller på olika sätt. Ämnets fysikaliska och kemiska egenskaper beror på förpackningsmetoden. Ämnen med samma kemiska sammansättning har alltså ofta olika fysikaliska egenskaper. Sådan mångfald är inte typisk för ett flytande tillstånd, men omöjligt för ett gasformigt tillstånd.

Om vi ​​till exempel tar vanligt bordssalt är det lätt att se enskilda kristaller även utan mikroskop.

Om vi ​​vill betona att vi har att göra med en enda, separat kristall, så kallar vi det enkristall, för att understryka att vi talar om en ansamling av många kristaller används termen kristallint aggregat. Om enskilda kristaller i ett kristallint aggregat nästan inte är facetterade, kan detta förklaras av det faktum att kristalliseringen började samtidigt på många punkter av ämnet och dess hastighet var ganska hög. Växande kristaller är ett hinder för varandra och förhindrar korrekt skärning av var och en av dem.

I detta arbete kommer vi främst att prata om enkristaller, och eftersom de är komponenter i kristallina aggregat kommer deras egenskaper att likna aggregatens egenskaper.

1. 3 polykristaller

Polykristall- ett aggregat av små kristaller av något ämne, ibland kallade kristalliter eller kristallkorn på grund av deras oregelbundna form. Många material av naturligt och artificiellt ursprung (mineraler, metaller, legeringar, keramik, etc.) är polykristallina.

Egenskaper och få. Egenskaperna hos polykristaller bestäms av egenskaperna hos de kristallina kornen som de utgör, deras genomsnittliga storlek, som sträcker sig från 1-2 mikron till flera millimeter (i vissa fall upp till flera meter), kornens kristallografiska orientering och strukturen av korngränserna. Om kornen är slumpmässigt orienterade och deras storlekar är små jämfört med storleken på polykristallen, så uppträder inte anisotropin av fysikaliska egenskaper som är karakteristiska för enkristaller i polykristallen. Om en polykristall har en övervägande kristallografisk orientering av korn, är polykristallen texturerad och har i detta fall anisotropi av egenskaper. Närvaron av korngränser påverkar avsevärt de fysikaliska, särskilt mekaniska, egenskaperna hos polykristaller, eftersom spridning av ledningselektroner, fononer, bromsning av dislokationer etc. sker vid gränserna.

Polykristaller bildas under kristallisation, polymorfa transformationer och som ett resultat av sintring av kristallina pulver. En polykristall är mindre stabil än en enkristall; därför inträffar under långvarig glödgning av en polykristall omkristallisering (övervägande tillväxt av enskilda korn på bekostnad av andra), vilket leder till bildandet av stora kristallina block.

kapitel 2. Kristallsymmetrielement

Begreppen symmetri och asymmetri har förekommit inom vetenskapen sedan urminnes tider som ett estetiskt kriterium snarare än strikt vetenskapliga definitioner. Innan idén om symmetri dök upp, liknade matematik, fysik och naturvetenskap i allmänhet separata öar av idéer, teorier och lagar som var hopplöst isolerade från varandra och till och med motsägelsefulla. Symmetri kännetecknar och markerar syntesens era, när olika fragment av vetenskaplig kunskap smälter samman till en enda helhetsbild av världen. En av huvudtrenderna i denna process är matematiseringen av vetenskaplig kunskap.

Symmetri betraktas vanligtvis inte bara som en grundläggande bild av vetenskaplig kunskap, som etablerar interna kopplingar mellan system, teorier, lagar och begrepp, utan tillskriver den också attribut så grundläggande som rum och tid, rörelse. I denna mening bestämmer symmetri strukturen i den materiella världen och alla dess komponenter. Symmetri har en mångfacetterad karaktär på flera nivåer. Till exempel, i systemet för fysisk kunskap, betraktas symmetri på nivån av fenomen, lagar som beskriver dessa fenomen, och principerna som ligger till grund för dessa lagar, och i matematik - när man beskriver geometriska objekt. Symmetri kan klassificeras som:

· strukturell;

· geometrisk;

· dynamisk, beskrivande, respektive, kristallografisk,

matematiska och fysiska aspekter av detta koncept.

De enklaste symmetrierna kan representeras geometriskt i vårt vanliga tredimensionella utrymme och är därför visuella. Sådana symmetrier är förknippade med geometriska operationer som gör att kroppen i fråga sammanfaller med sig själv. De säger att symmetri manifesteras i oföränderligheten (invariansen) hos en kropp eller ett system i förhållande till en viss operation. Till exempel är en sfär (utan några märken på dess yta) oföränderlig under varje rotation. Detta visar dess symmetri. En sfär med ett märke, till exempel i form av en punkt, sammanfaller med sig själv endast när den roteras, varefter märket på den återgår till sin ursprungliga position. Vårt tredimensionella utrymme är isotropiskt. Det betyder att den, som en sfär utan märken, sammanfaller med sig själv vid varje rotation. Rymden är oupplösligt kopplad till materia. Därför är vårt universum också isotropiskt. Utrymmet är också homogent. Detta betyder att det (och vårt universum) har symmetri med avseende på skiftoperationen. Tiden har samma symmetri.

Förutom enkla (geometriska) symmetrier, påträffas mycket komplexa, så kallade dynamiska symmetrier i fysiken, det vill säga symmetrier som inte är förknippade med rum och tid, utan med en viss typ av interaktion. De är inte visuella, och även de enklaste av dem, till exempel den så kallade mäta symmetrier, är det svårt att förklara utan att använda en ganska komplex fysikalisk teori. Vissa bevarandelagar motsvarar också mätsymmetrier i fysiken. Till exempel leder mätarsymmetrin för elektromagnetiska potentialer till lagen om bevarande av elektrisk laddning.

Under den sociala praktiken har mänskligheten samlat på sig många fakta som indikerar både strikt ordning och reda, balans mellan delar av helheten och kränkningar av denna ordning. I detta avseende kan följande fem kategorier av symmetri särskiljas:

· symmetri;

· asymmetri;

· dissymmetri;

· antisymmetri;

· supersymmetri.

Asymmetri . Asymmetri är asymmetri, d.v.s. ett tillstånd där det inte finns någon symmetri. Men Kant sa också att negation aldrig är ett enkelt undantag eller frånvaro av motsvarande positivt innehåll. Till exempel är rörelse en negation av dess tidigare tillstånd, en förändring i ett objekt. Rörelse förnekar vila, men vila är inte frånvaron av rörelse, eftersom det finns väldigt lite information och denna information är felaktig. Det finns ingen frånvaro av vila, precis som det inte finns någon rörelse, eftersom dessa är två sidor av samma väsen. Vila är en annan aspekt av rörelse.

Det finns heller ingen fullständig frånvaro av symmetri. En figur som inte har ett element av symmetri kallas asymmetrisk. Men strängt taget är det inte så. När det gäller asymmetriska figurer får symmetristörningen helt enkelt ett slut, men inte till den fullständiga frånvaron av symmetri, eftersom dessa figurer fortfarande kännetecknas av ett oändligt antal första ordningens axlar, som också är symmetrielement.

Asymmetri är förknippat med frånvaron av alla symmetrielement i ett objekt. Ett sådant element är odelbart i delar. Ett exempel är den mänskliga handen. Asymmetri är en kategori motsatsen till symmetri, som återspeglar obalanser som existerar i den objektiva världen förknippade med förändring, utveckling och omstrukturering av delar av helheten. Precis som vi talar om rörelse, vilket betyder enheten av rörelse och vila, så är symmetri och asymmetri två polära motsatser till den objektiva världen. I den verkliga naturen finns det ingen ren symmetri och asymmetri. De är alltid i enhet och ständig kamp.

På olika nivåer av materiens utveckling finns det antingen symmetri (relativ ordning) eller asymmetri (en tendens att störa fred, rörelse, utveckling), men dessa två tendenser är alltid förenade och deras kamp är absolut. Verkliga, även de mest perfekta kristallerna är långt ifrån kristallerna med idealisk form och ideal symmetri som betraktas i kristallografi i sin struktur. De innehåller betydande avvikelser från ideal symmetri. De har också inslag av asymmetri: dislokationer, vakanser, som påverkar deras fysiska egenskaper.

Definitionerna av symmetri och asymmetri indikerar den universella, allmänna karaktären av symmetri och asymmetri som egenskaper hos den materiella världen. Analys av begreppet symmetri i fysik och matematik (med sällsynta undantag) tenderar att absolutisera symmetri och tolka asymmetri som frånvaro av symmetri och ordning. Symmetrins antipod framstår som ett rent negativt begrepp, men värt att uppmärksammas. Ett betydande intresse för asymmetri uppstod i mitten av 1800-talet i samband med L. Pasteurs experiment i studie och separation av stereoisomerer.

Dissymmetri . Dissymmetri är intern, eller upprörd, symmetri, d.v.s. objektet saknar vissa element av symmetri. Till exempel har floder som flyter längs jordens meridianer en bank högre än den andra (på norra halvklotet är den högra stranden högre än den vänstra, och på södra halvklotet, vice versa). Enligt Pasteur är en disymmetrisk figur en figur som inte kan kombineras med sin spegelbild genom enkel överlagring. Mängden symmetri hos ett disymmetriskt objekt kan vara godtyckligt hög. Dissymmetri i dess vidaste mening skulle kunna definieras som vilken form av approximation som helst från ett oändligt symmetriskt objekt till ett oändligt asymmetriskt.

Antisymmetri . Antisymmetri kallas för motsatt symmetri, eller symmetri av motsatser. Det är förknippat med en förändring i figurens tecken: partiklar - antipartiklar, konvexitet - konkavitet, svart - vit, spänning - kompression, framåt - bakåt, etc. Detta koncept kan förklaras med exemplet med två par svarta och vita handskar. Om två par svarta och vita handskar sys av en bit läder, vars två sidor är målade vita respektive svarta, kan de särskiljas på grundval av högerism - vänsterism, efter färg - svärta och vithet, i med andra ord på grundval av teckeninformatism och något annat tecken. Antisymmetrioperationen består av vanliga symmetrioperationer, åtföljda av en förändring i figurens andra attribut.

Supersymmetri Under de sista decennierna av 1900-talet började en modell för supersymmetri att utvecklas, som föreslogs av de ryska teoretikerna Gelfand och Lichtman. Enkelt uttryckt var deras idé att, precis som det finns vanliga dimensioner av rum och tid, måste det finnas extra dimensioner som kan mätas i de så kallade Grassmanntalen. Som S. Hawking sa, inte ens science fiction-författare har tänkt på något så konstigt som Grassmann-dimensionerna. I vår vanliga aritmetik, om talet 4 multiplicerat med 6 är detsamma som 6 multiplicerat med 4. Men det konstiga med Grassmann-tal är att om X multipliceras med Y, så är det lika med minus Y multiplicerat med X. Du känner Hur långt är detta från våra klassiska idéer om naturen och metoder för att beskriva den?

Symmetri kan också betraktas som rörelseformer eller så kallade symmetrioperationer. Följande symmetrioperationer kan särskiljas:

· reflektion i ett symmetriplan (reflektion i en spegel);

rotation runt symmetriaxeln ( rotationssymmetri);

· reflektion i centrum av symmetri (inversion);

överföra ( utsända) figurer på avstånd;

· skruvvarv;

· permutationssymmetri.

Reflektion i symmetriplanet . Reflektion är den mest kända och oftast hittade typen av symmetri i naturen. Spegeln återger exakt vad den "ser", men den betraktade ordningen är omvänd: din dubbels högra hand kommer faktiskt att vara hans vänstra hand, eftersom fingrarna är ordnade i omvänd ordning. Alla är säkert bekanta med filmen "The Kingdom of Crooked Mirrors" från barndomen, där namnen på alla karaktärer lästes i omvänd ordning. Spegelsymmetri kan hittas överallt: i blad och blommor av växter, arkitektur, ornament. Människokroppen, om vi bara talar om dess utseende, har spegelsymmetri, även om den inte är riktigt strikt. Dessutom är spegelsymmetri inneboende i nästan alla levande varelsers kroppar, och en sådan slump är inte på något sätt tillfällig. Betydelsen av begreppet spegelsymmetri kan knappast överskattas.

Allt som kan delas upp i två spegelliknande halvor har spegelsymmetri. Var och en av halvorna fungerar som en spegelbild av den andra, och planet som skiljer dem åt kallas planet för spegelreflektion, eller helt enkelt spegelplanet. Detta plan kan kallas ett symmetrielement, och motsvarande operation kan kallas en symmetrioperation . Vi stöter på tredimensionella symmetriska mönster varje dag: det här är många moderna bostadshus, och ibland hela block, lådor och lådor staplade i lager; atomer av ett ämne i ett kristallint tillstånd bildar ett kristallgitter - ett element av tredimensionellt symmetri. I alla dessa fall möjliggör den korrekta placeringen ekonomisk användning av utrymmet och säkerställer stabilitet.

Ett anmärkningsvärt exempel på spegelsymmetri i litteraturen är den "föränderliga" frasen: "Och rosen föll på Azors tass." . På den här raden är mitten av spegelsymmetri bokstaven "n", i förhållande till vilken alla andra bokstäver (utan hänsyn till mellanrummen mellan ord) är placerade i ömsesidigt motsatt ordning.

Rotationssymmetri . Mönstrets utseende kommer inte att förändras om det roteras i en viss vinkel runt sin axel. Den symmetri som uppstår i detta fall kallas rotationssymmetri . Ett exempel är barnspelet "pinwheel" med rotationssymmetri. I många danser är figurer baserade på rotationsrörelser, ofta utförda endast i en riktning (dvs utan reflektion), till exempel runddanser.

Bladen och blommorna hos många växter uppvisar radiell symmetri. Detta är en symmetri där ett blad eller en blomma, som vänder sig runt symmetriaxeln, förvandlas till sig själv. I tvärsnitt av vävnader som bildar roten eller stammen av en växt, är radiell symmetri tydligt synlig. Många blommors blomställningar har också radiell symmetri.

Reflektion i centrum av symmetri . Ett exempel på ett föremål med högsta symmetri, som kännetecknar denna symmetrioperation, är en boll. Sfäriska former är ganska utbredda i naturen. De är vanliga i atmosfären (dimdroppar, moln), hydrosfären (olika mikroorganismer), litosfären och rymden. Sporer och pollen från växter, vattendroppar som släpps ut i ett tillstånd av viktlöshet på ett rymdskepp har en sfärisk form. På metagalaktisk nivå är de största sfäriska strukturerna sfäriska galaxer. Ju tätare galaxhopen är, desto närmare en sfärisk form är den. Stjärnhopar är också sfäriska.

Översättning, eller överföring av en figur över ett avstånd . Translation, eller parallell överföring av en figur över ett avstånd, är vilket mönster som helst som upprepas obegränsat. Det kan vara endimensionellt, tvådimensionellt, tredimensionellt. Översättning i samma eller motsatta riktningar bildar ett endimensionellt mönster. Översättning i två icke-parallella riktningar bildar ett tvådimensionellt mönster. Parkettgolv, tapetmönster, spetsband, stigar belagda med tegel eller kakel, kristallina figurer bildar mönster som inte har några naturliga gränser. När man studerade mönstren som används vid boktryckning upptäcktes samma symmetrielement som i designen av klinkergolv. Prydnadsbårder förknippas med musik. I musik inkluderar element av symmetrisk konstruktion operationerna upprepning (översättning) och omkastning (reflektion). Det är dessa symmetrielement som finns i gränser. Även om den mesta musiken inte är strikt symmetrisk, är många musikstycken baserade på symmetrioperationer. De är särskilt märkbara i barnsånger, som tydligen är så lätta att komma ihåg. Symmetrifunktioner finns i musiken från medeltiden och renässansen, i musiken från barocktiden (ofta i en mycket sofistikerad form). Under tiden för I.S. Bach, när symmetri var en viktig princip för komposition, blev ett slags musikaliskt pusselspel utbrett. En av dem var att lösa de mystiska "kanonerna". Kanon är en form av polyfonisk musik som bygger på att utföra ett tema som leds av en röst i andra röster. Kompositören skulle föreslå ett tema, och lyssnarna skulle behöva gissa vilka symmetrifunktioner han tänkt använda för att upprepa temat.

Naturen lägger pussel av motsatt typ: vi erbjuds en färdig kanon, och vi måste hitta de regler och motiv som ligger till grund för befintliga mönster och symmetri, och vice versa, leta efter mönster som uppstår när ett motiv upprepas enligt olika regler. Det första tillvägagångssättet leder till studiet av strukturen av materia, konst, musik och tänkande. Det andra tillvägagångssättet ställer oss inför problemet med design eller plan, som har berört konstnärer, arkitekter, musiker och vetenskapsmän sedan urminnes tider.

Heliska svängar . Translation kan kombineras med reflektion eller rotation, vilket skapar nya symmetrioperationer. En rotation med ett visst antal grader, åtföljd av en translation över ett avstånd längs rotationsaxeln, genererar spiralformad symmetri - symmetrin hos en spiraltrappa. Ett exempel på spiralformad symmetri är arrangemanget av löv på stjälken hos många växter. Solroshuvudet har skott ordnade i geometriska spiraler, varvade från mitten och utåt. De yngsta medlemmarna i spiralen är i centrum. I sådana system kan man lägga märke till två familjer av spiraler, som lindas av i motsatta riktningar och skär sig i vinklar nära raka linjer. Men oavsett hur intressanta och attraktiva manifestationerna av symmetri i växtvärlden är, finns det fortfarande många hemligheter som styr utvecklingsprocesser. Efter Goethe, som talade om naturens tendens till en spiral, kan vi anta att denna rörelse utförs längs en logaritmisk spiral, varje gång utgående från en central, fixerad punkt och kombinera translationell rörelse (sträckning) med en rotation.

Kommutationssymmetri . Ytterligare expansion av antalet fysiska symmetrier är förknippad med utvecklingen av kvantmekaniken. En av de speciella typerna av symmetri i mikrokosmos är permutationssymmetri. Den är baserad på den grundläggande omöjligheten att särskilja identiska mikropartiklar, som inte rör sig längs specifika banor, och deras positioner uppskattas enligt probabilistiska egenskaper associerade med kvadraten på vågfunktionens modul. Kommutationssymmetri ligger i det faktum att när kvantpartiklar "omordnas" ändras de sannolikhetsegenskaper inte, den kvadratiska modulen för vågfunktionen är ett konstant värde.

Symmetri av likhet . En annan typ av symmetri är likhetssymmetri, förknippad med den samtidiga ökningen eller minskningen av liknande delar av figuren och avstånden mellan dem. Ett exempel på denna typ av symmetri är matryoshka-dockan. Sådan symmetri är mycket utbredd i levande natur. Det påvisas av alla växande organismer.

Symmetrifrågor spelar en avgörande roll i modern fysik. De dynamiska naturlagarna kännetecknas av vissa typer av symmetri. I en allmän mening betyder symmetri av fysiska lagar deras invarians med avseende på vissa transformationer. Det bör också noteras att de typer av symmetri som övervägs har vissa gränser för tillämplighet. Till exempel existerar symmetrin mellan höger och vänster endast i området för starka elektromagnetiska interaktioner, men bryts i svaga. Isotopisk invarians är endast giltig när elektromagnetiska krafter beaktas. För att tillämpa begreppet symmetri kan du införa en viss struktur som tar hänsyn till fyra faktorer:

· föremål eller fenomen som studeras;

· transformation i förhållande till vilken symmetri betraktas;

· Invarians av alla egenskaper hos ett objekt eller fenomen, vilket uttrycker symmetrin i fråga. Sambandet mellan fysiska lagars symmetri och bevarandelagar;

· gränser för tillämpbarhet för olika typer av symmetri.

Studiet av symmetriegenskaperna hos fysikaliska system eller lagar kräver användning av speciell matematisk analys, i första hand gruppteorins begrepp, som för närvarande är mest utvecklade inom fasta tillståndets fysik och kristallografi.

Kapitel 3. Typer av defekter i fasta ämnen

Alla verkliga fasta ämnen, både enkristallina och polykristallina, innehåller så kallade strukturella defekter, vars typer, koncentrationer och beteende är mycket olika och beror på naturen, betingelserna för att erhålla material och naturen av yttre påverkan. De flesta defekter som skapas av yttre påverkan är termodynamiskt instabila, och systemets tillstånd är i detta fall exciterat (ingen jämvikt). Sådana yttre påverkan kan vara temperatur, tryck, bestrålning med partiklar och högenergikvanter, införande av föroreningar, fashärdning vid polymorfa och andra transformationer, mekaniska effekter etc. Övergången till ett jämviktstillstånd kan ske på olika sätt och, som regel realiseras genom en serie metastabila tillstånd.

Defekter av samma typ, som samverkar med defekter av samma eller annan typ, kan förinta eller bilda nya associationer av defekter. Dessa processer åtföljs av en minskning av systemets energi.

Baserat på antalet riktningar N i vilka kränkningen av det periodiska arrangemanget av atomer i kristallgittret, orsakat av en given defekt, sträcker sig, särskiljs defekter:

· Punkt (nolldimensionell, N=0);

· Linjär (endimensionell, N=1);

· Yta (tvådimensionell, N=2);

· Volym (tredimensionell, N=3);

Nu kommer vi att överväga varje defekt i detalj.

3.1 Punktdefekter

Till nolldimensionell (eller punkt) kristalldefekter inkluderar alla defekter som är associerade med förskjutning eller ersättning av en liten grupp atomer, såväl som med föroreningar. De uppstår under uppvärmning, dopning, under kristalltillväxt och som ett resultat av strålningsexponering. De kan också införas som ett resultat av implantation. Egenskaperna hos sådana defekter och mekanismerna för deras bildande har bäst studerats, inklusive rörelse, interaktion, förintelse och förångning.

· Vakans - en fri, ledig atom, nod av kristallgittret.

· Korrekt interstitiell atom - en atom av huvudelementet som ligger i enhetscellens mellanliggande position.

· Föroreningsatomsubstitution - ersättning av en atom av en typ med en atom av en annan typ i en nod av kristallgittret. Substitutionspositioner kan innehålla atomer som skiljer sig relativt lite i storlek och elektroniska egenskaper från basatomerna.

· Interstitiell orenhetsatom - föroreningsatomen är belägen i mellanrummen i kristallgittret. I metaller är interstitiella föroreningar vanligtvis väte, kol, kväve och syre. I halvledare är dessa föroreningar som skapar djupa energinivåer i bandgapet, som koppar och guld i kisel.

Komplex bestående av flera punktdefekter observeras också ofta i kristaller, till exempel en Frenkel-defekt (vakans + egen interstitiell atom), bivakans (vakans + vakans), A-center (vakans + syreatom i kisel och germanium), etc.

Termodynamik för punktdefekter. Punktdefekter ökar kristallens energi, eftersom en viss mängd energi förbrukades för att bilda varje defekt. Elastisk deformation orsakar en mycket liten del av vakansbildningsenergin, eftersom jonförskjutningar inte överstiger 1 % och motsvarande deformationsenergi är tiondelar av en eV. Under bildandet av en interstitiell atom kan förskjutningar av närliggande joner nå 20% av det interatomära avståndet, och motsvarande energi för elastisk deformation av gittret kan nå flera eV. Huvuddelen av bildandet av en punktdefekt är förknippad med en kränkning av periodiciteten hos atomstrukturen och bindningskrafterna mellan atomer. En punktdefekt i en metall interagerar med hela elektrongasen. Att ta bort en positiv jon från en plats är ekvivalent med att införa en negativ punktladdning; ledningselektroner stöts bort från denna laddning, vilket orsakar en ökning av deras energi. Teoretiska beräkningar visar att energin för bildandet av en vakans i fcc-gittret av koppar är cirka 1 eV, och energin för en interstitiell atom är från 2,5 till 3,5 eV.

Trots ökningen av kristallenergi under bildandet av sina egna punktdefekter kan de vara i termodynamisk jämvikt i gittret, eftersom deras bildning leder till en ökning av entropin. Vid förhöjda temperaturer kompenserar ökningen av entropitermen TS för den fria energin på grund av bildandet av punktdefekter för ökningen av den totala kristallenergin U, och den fria energin visar sig vara minimal.

Jämviktskoncentration av lediga platser:

Var E 0 - energi för bildandet av en vakans, k- Boltzmann konstant, T- absolut temperatur. Samma formel gäller för interstitiella atomer. Formeln visar att koncentrationen av vakanser starkt bör bero på temperaturen. Formeln för beräkning är enkel, men exakta kvantitativa värden kan endast erhållas genom att känna till energivärdet för defektbildning. Det är mycket svårt att beräkna detta värde teoretiskt, så man får nöja sig med endast ungefärliga uppskattningar.

Eftersom energin för defektbildning ingår i exponenten, orsakar denna skillnad en enorm skillnad i koncentrationen av vakanser och interstitiella atomer. Sålunda, vid 1000 °C i koppar, är koncentrationen av interstitiella atomer endast 10-39, vilket är 35 storleksordningar mindre än koncentrationen av vakanser vid denna temperatur. I täta packningar, som är karakteristiska för de flesta metaller, är det mycket svårt för mellanliggande atomer att bildas, och vakanser i sådana kristaller är de viktigaste punktdefekterna (föroreningsatomer räknas inte med).

Migration av punktdefekter. Atomer som genomgår vibrationsrörelse utbyter kontinuerligt energi. På grund av den slumpmässiga termiska rörelsen är energin ojämnt fördelad mellan olika atomer. Vid någon tidpunkt kan en atom ta emot ett sådant överskott av energi från sina grannar att den kommer att inta en närliggande position i gittret. Det är så migrationen (rörelsen) av punktdefekter sker i huvuddelen av kristallerna.

Om en av atomerna som omger en ledig plats flyttar till en ledig plats, kommer den vakans på motsvarande sätt att flytta till sin plats. På varandra följande elementära handlingar för förskjutning av en viss vakans utförs av olika atomer. Figuren visar att i ett lager av tätpackade kulor (atomer), för att flytta en av kulorna till en ledig plats, måste den flytta isär kulorna 1 och 2. För att följaktligen flytta från en position i en nod, där atomens energi är minimal, till en intilliggande ledig nod, där energin också är minimal, måste atomen passera genom ett tillstånd med ökad potentiell energi och övervinna energibarriären. För detta är det nödvändigt för atomen att ta emot ett överskott av energi från sina grannar, som den förlorar när den "klämmer" in i en ny position. Höjden på energibarriären E m kallas vakans migration aktiveringsenergi.

Källor och sänkor av punktdefekter. Huvudkällan och sänkan för punktdefekter är linjära och ytdefekter. I stora perfekta enkristaller är nedbrytningen av en övermättad fast lösning av sina egna punktdefekter möjlig med bildandet av den sk. mikrodefekter.

Komplex av punktdefekter. Det enklaste komplexet av punktdefekter är en bivakans (divakans): två vakanser belägna på intilliggande gitterplatser. Komplex som består av två eller flera föroreningsatomer, samt föroreningsatomer och deras egna punktdefekter, spelar en stor roll i metaller och halvledare. I synnerhet kan sådana komplex avsevärt påverka styrkan, elektriska och optiska egenskaper hos fasta ämnen.

3.2 Linjära defekter

Endimensionella (linjära) defekter är kristalldefekter, vars storlek i en riktning är mycket större än gitterparametern och i de andra två - jämförbar med den. Linjära defekter inkluderar dislokationer och disklinationer. Allmän definition: dislokation är gränsen för ett område med ofullständig skjuvning i en kristall. Dislokationer kännetecknas av en skjuvvektor (Burgers vektor) och en vinkel μ mellan den och dislokationslinjen. När μ = 0 kallas dislokationen en skruvdislokation; vid c=90° - kant; vid andra vinklar blandas den och kan sedan brytas ned till spiral- och kantkomponenter. Dislokationer uppstår under kristalltillväxt; under dess plastiska deformation och i många andra fall. Deras fördelning och beteende under yttre påverkan bestämmer de viktigaste mekaniska egenskaperna, i synnerhet såsom styrka, duktilitet, etc. Disklination är gränsen för området för ofullständig rotation i kristallen. Kännetecknas av en rotationsvektor.

3.3 Ytdefekter

Den huvudsakliga representativa defekten i denna klass är kristallens yta. Andra fall är korngränser för ett material, inklusive lågvinkelgränser (representerar associationer av dislokationer), tvillingplan, fasgränssnitt, etc.

3.4 Volumetriska defekter

Dessa inkluderar kluster av lediga platser som bildar porer och kanaler; partiklar avsatta på olika defekter (dekorering), till exempel gasbubblor, moderlutbubblor; ansamlingar av föroreningar i form av sektorer (timglas) och tillväxtzoner. Som regel är dessa porer eller inneslutningar av föroreningsfaser. De är ett konglomerat av många defekter. Ursprung: störning av kristalltillväxtregimer, sönderdelning av en övermättad fast lösning, kontaminering av prover. I vissa fall (till exempel under utfällningshärdning) introduceras volumetriska defekter speciellt i materialet för att modifiera dess fysikaliska egenskaper.

Kapitel 4. Mottagetinga kristaller

Utvecklingen av vetenskap och teknik har lett till att många ädelstenar eller helt enkelt kristaller som sällan finns i naturen har blivit mycket nödvändiga för tillverkning av delar av enheter och maskiner, för vetenskaplig forskning. Efterfrågan på många kristaller har ökat så mycket att det var omöjligt att tillfredsställa det genom att utöka omfattningen av produktionen av gamla och leta efter nya naturliga fyndigheter.

Dessutom kräver många grenar av teknik och särskilt vetenskaplig forskning i allt högre grad enkristaller av mycket hög kemisk renhet med en perfekt kristallstruktur. Kristaller som finns i naturen uppfyller inte dessa krav, eftersom de växer under förhållanden som är mycket långt ifrån idealiska.

Således uppstod uppgiften att utveckla en teknik för artificiell produktion av enkristaller av många grundämnen och kemiska föreningar.

Utvecklingen av en relativt enkel metod för att göra en "pärla" leder till att den slutar att vara värdefull. Detta förklaras av det faktum att de flesta ädelstenar är kristaller av kemiska element och föreningar som är utbredda i naturen. Således är diamant en kolkristall, rubin och safir är aluminiumoxidkristaller med olika föroreningar.

Låt oss överväga de viktigaste metoderna för att odla enkristaller. Vid första anblicken kan det tyckas att kristallisering från en smälta är mycket enkel. Det räcker att värma ämnet över dess smältpunkt, få en smälta och sedan kyla det. I princip är detta det korrekta sättet, men om speciella åtgärder inte vidtas kommer du i bästa fall att få ett polykristallint prov. Och om experimentet utförs, till exempel med kvarts, svavel, selen, socker, som, beroende på kylningshastigheten för deras smältor, kan stelna i ett kristallint eller amorft tillstånd, så finns det ingen garanti för att en amorf kropp kommer inte att erhållas.

För att odla en enda kristall räcker det inte med långsam kylning. Det är nödvändigt att först kyla ett litet område av smältan och erhålla en "kärnbildning" av en kristall i den, och sedan sekventiellt kyla smältan som omger "kärnbildningen", låta kristallen växa genom hela volymen av smälta. Denna process kan uppnås genom att långsamt sänka en degel som innehåller smältan genom en öppning i en vertikal rörugn. Kristallen bildar kärnor i botten av degeln, eftersom den först kommer in i området med lägre temperaturer och sedan gradvis växer genom hela smältans volym. Degelns botten är speciellt gjord smal, pekad mot en kon, så att endast en kristallin kärna kan placeras i den.

Denna metod används ofta för att odla kristaller av zink, silver, aluminium, koppar och andra metaller, såväl som natriumklorid, kaliumbromid, litiumfluorid och andra salter som används inom den optiska industrin. På en dag kan du odla en bergsaltkristall som väger cirka ett kilo.

Nackdelen med den beskrivna metoden är kontaminering av kristallerna med degelmaterialet. kristalldefekt symmetriegenskap

Den degellösa metoden att odla kristaller från en smälta, som används för att odla till exempel korund (rubiner, safirer), har inte denna nackdel. Det finaste aluminiumoxidpulvret från korn 2-100 mikron i storlek hälls ut i en tunn ström från tratten, passerar genom en syre-väte låga, smälter och faller i form av droppar på en stav av eldfast material. Temperaturen på staven hålls något under smältpunkten för aluminiumoxid (2030°C). Droppar av aluminiumoxid svalnar på den och bildar en skorpa av sintrad korundmassa. Klockmekanismen sänker sakta (10-20 mm/h) stången, och en oslipad korundkristall växer gradvis på den, formad som ett omvänt päron, den så kallade boule.

Liksom i naturen är det två sätt att erhålla kristaller från lösning. Den första av dessa består av att långsamt avdunsta lösningsmedlet från en mättad lösning, och den andra av att långsamt sänka lösningens temperatur. Den andra metoden används oftare. Vatten, alkoholer, syror, smälta salter och metaller används som lösningsmedel. En nackdel med metoder för att odla kristaller från lösning är möjligheten av kontaminering av kristallerna med lösningsmedelspartiklar.

Kristallen växer från de områden av den övermättade lösningen som omedelbart omger den. Som ett resultat visar sig lösningen nära kristallen vara mindre övermättad än långt ifrån den. Eftersom en övermättad lösning är tyngre än en mättad, finns det alltid ett uppåtgående flöde av "använd" lösning ovanför den växande kristallens yta. Utan sådan omrörning av lösningen skulle kristalltillväxten snabbt upphöra. Därför omrörs lösningen ofta ytterligare eller så fixeras kristallen på en roterande hållare. Detta gör att du kan odla mer avancerade kristaller.

Ju lägre tillväxthastighet, desto bättre erhålls kristallerna. Denna regel gäller för alla odlingsmetoder. Socker och bordssaltkristaller kan lätt erhållas från en vattenlösning hemma. Men tyvärr kan inte alla kristaller odlas så lätt. Till exempel sker produktionen av kvartskristaller från lösning vid en temperatur av 400°C och ett tryck av 1000 at.

Kapitel 5. Kristallers egenskaper

När vi tittar på olika kristaller ser vi att de alla har olika form, men var och en av dem representerar en symmetrisk kropp. Faktum är att symmetri är en av de viktigaste egenskaperna hos kristaller. Vi kallar kroppar symmetriska om de består av lika, identiska delar.

Alla kristaller är symmetriska. Det betyder att man i varje kristallint polyeder kan hitta symmetriplan, symmetriaxlar, symmetricentrum och andra symmetrielement så att identiska delar av polyedern passar ihop. Låt oss introducera ett annat koncept relaterat till symmetri - polaritet.

Varje kristallin polyeder har en viss uppsättning symmetrielement. Den kompletta uppsättningen av alla symmetrielement som är inneboende i en given kristall kallas en symmetriklass. Deras antal är begränsat. Det har matematiskt bevisats att det finns 32 typer av symmetri i kristaller.

Låt oss överväga mer detaljerat typerna av symmetri i en kristall. Först och främst kan kristaller ha symmetriaxlar av endast 1, 2, 3, 4 och 6 ordningsföljder. Uppenbarligen är symmetriaxlar av 5:e, 7:e och högre ordningen inte möjliga, för med en sådan struktur kommer atomrader och nätverk inte att fylla utrymmet kontinuerligt; tomrum och luckor kommer att uppstå mellan atomernas jämviktspositioner. Atomerna kommer inte att vara i de mest stabila positionerna, och kristallstrukturen kommer att kollapsa.

I en kristallin polyeder kan man hitta olika kombinationer av symmetrielement - vissa har få, andra har många. Enligt symmetri, främst längs symmetriaxlarna, delas kristaller in i tre kategorier.

Den högsta kategorin inkluderar de mest symmetriska kristallerna, de kan ha flera symmetriaxlar av ordning 2, 3 och 4, inga axlar av 6:e ordningen, de kan ha symmetriplan och symmetricentrum. Dessa former inkluderar kub, oktaeder, tetraeder, etc. De har alla ett gemensamt drag: de är ungefär likadana i alla riktningar.

Kristaller i mellankategorin kan ha axlar av 3, 4 och 6 ordningar, men bara en åt gången. Det kan finnas flera axlar av ordning 2; symmetriplan och symmetricentrum är möjliga. Formerna på dessa kristaller: prismor, pyramider, etc. Gemensamt drag: en skarp skillnad längs och tvärs över huvudsymmetriaxeln.

Kristaller i den högsta kategorin inkluderar: diamant, kvarts, germanium, kisel, koppar, aluminium, guld, silver, grått tenn, volfram, järn. Till mellankategorin: grafit, rubin, kvarts, zink, magnesium, vit tenn, turmalin, beryl. Till det lägsta: gips, glimmer, kopparsulfat, Rochelle-salt, etc. Naturligtvis listade denna lista inte alla befintliga kristaller, utan bara de mest kända av dem.

Kategorierna är i sin tur indelade i sju system. Översatt från grekiska betyder "syngony" "liknande vinkel." Kristaller med identiska symmetriaxlar, och därför med liknande rotationsvinklar i strukturen, kombineras till ett kristallsystem.

Kristallernas fysikaliska egenskaper beror oftast på deras struktur och kemiska sammansättning.

Först är det värt att nämna två grundläggande egenskaper hos kristaller. En av dem är anisotropi. Denna term innebär en förändring av egenskaper beroende på riktning. Samtidigt är kristaller homogena kroppar. Homogeniteten hos ett kristallint ämne består i det faktum att dess två sektioner med samma form och samma orientering har identiska egenskaper.

Låt oss först prata om elektriska egenskaper. I princip kan de elektriska egenskaperna hos kristaller övervägas med exemplet med metaller, eftersom metaller, i ett av deras tillstånd, kan vara kristallina aggregat. Elektroner som rör sig fritt i metallen kan inte gå ut, detta kräver energi. Om strålningsenergi förbrukas i detta fall orsakar effekten av elektronabstraktion den så kallade fotoelektriska effekten. En liknande effekt observeras i enkristaller. En elektron sliten från den molekylära omloppsbanan, kvar inuti kristallen, orsakar metallisk konduktivitet i den senare (intern fotoelektrisk effekt). Under normala förhållanden (utan bestrålning) är sådana anslutningar inte ledare av elektrisk ström.

Ljusvågornas beteende i kristaller studerades av E. Bertolin, som var den första att märka att vågorna beter sig onormalt när de passerar genom en kristall. En dag skissade Bertalin de tvåsidiga vinklarna på Islands spar, sedan satte han kristallen på ritningarna, då såg vetenskapsmannen för första gången att varje linje delade sig. Han var flera gånger övertygad om att alla sparkristaller delar ljus, först då skrev Bertalin en avhandling "Experiment med en dubbelbrytande isländsk kristall, som ledde till upptäckten av en underbar och extraordinär brytning" (1669). Forskaren skickade resultaten av sina experiment till enskilda forskare och akademier i flera länder. Verken accepterades med fullständig misstro. Engelska vetenskapsakademin tilldelade en grupp vetenskapsmän för att testa denna lag (Newton, Boyle, Hooke, etc.). Denna auktoritativa kommission erkände fenomenet som tillfälligt och lagen som obefintlig. Resultaten av Bertalins experiment glömdes bort.

Bara 20 år senare bekräftade Christiaan Huygens riktigheten av Bertalins upptäckt och upptäckte själv dubbelbrytning i kvarts. Många forskare som senare studerade den här egenskapen bekräftade att inte bara Island spar, utan också många andra kristaller delar ljus.

...

Liknande dokument

Kristallstruktur. Fasta tillståndets fysiks roll, ämne och uppgifter. Kristallina och amorfa kroppar. Typer av kristallgitter. Typer av bindningar i kristaller. Kristallstrukturer av fasta ämnen. Flytande kristaller. Kristalldefekter.

föreläsning, tillagd 2007-03-13


Begreppet och huvuddragen i materiens kondenserade tillstånd, karakteristiska processer. Kristallina och amorfa kroppar. Kärnan och egenskaperna hos kristallanisotropi. Utmärkande egenskaper hos polykristaller och polymerer. Termiska egenskaper och struktur hos kristaller.

föreläsningskurs, tillagd 2009-02-21


Allmänna egenskaper hos en fast kropp, dess tillstånd. Lokaliserade och delokaliserade tillstånd av en solid kropp, särdrag. Essens, typer av kemiska bindningar i fasta ämnen. Lokala och icke-lokala beskrivningar i oförvrängda galler. Punktdefekter.

handledning, tillagd 2009-02-21


Kristaller är riktiga fasta ämnen. Termodynamik för punktdefekter i kristaller, deras migration, källor och sänkor. Studie av dislokation, en linjär defekt i fasta ämnens kristallstruktur. Tvådimensionella och tredimensionella defekter. Amorfa fasta ämnen.

rapport, tillagd 2015-07-01


Fasta tillståndets fysik är en av de pelare som det moderna teknologiska samhället vilar på. Fasta ämnens fysiska struktur. Symmetri och klassificering av kristaller. Funktioner av deformation och stress. Kristalldefekter, sätt att öka styrkan.

presentation, tillagd 2010-12-02


Tillägg av diskontinuumsymmetrielement. Konsekvent reflektion i två parallella symmetriplan. Summan av symmetriplanet och translationen vinkelrätt mot det. Egenskaper för verkan av translationsvektorn på axlarna vinkelräta mot den.

presentation, tillagd 2013-09-23


Kristallina och amorfa tillstånd av fasta ämnen, orsaker till punkt- och linjära defekter. Kärnbildning och tillväxt av kristaller. Konstgjord produktion av ädelstenar, fasta lösningar och flytande kristaller. Optiska egenskaper hos kolesteriska flytande kristaller.

abstrakt, tillagt 2010-04-26


Fotoelektriska egenskaper hos inhomogena halvledarprover. Energistruktur för en ohmsk kontakt i närvaro av ojämnt fördelade elektronfällor. Fotoelektriska egenskaper hos kristaller som bearbetas i en gasurladdning.

avhandling, tillagd 2008-03-18


Defekter i riktiga kristaller, funktionsprincipen för bipolära transistorer. Förvrängning av kristallgittret i mellanliggande och substitutionella fasta lösningar. Ytfenomen i halvledare. Transistorparametrar och emitterströmöverföringskoefficient.

test, tillagt 2009-10-22


Vätebindning i vatten, dess huvudkriterier. Onormala egenskaper hos vatten. Begreppet elektrolys och elektrolyter. Elektrokristallisation och dess lagar. Dynamik i ett nätverk av vätebindningar under elektrokristallisation av vatten. Kristallina och amorfa isar.

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

Alla kan lätt dela upp kroppar i fast och flytande. Denna uppdelning kommer dock endast att baseras på yttre tecken. För att ta reda på vilka egenskaper fasta ämnen har kommer vi att värma dem. Vissa kroppar kommer att börja brinna (trä, kol) - dessa är organiska ämnen. Andra kommer att mjukna (harts) även vid låga temperaturer - dessa är amorfa. En speciell grupp av fasta ämnen består av de för vilka temperaturberoendet av uppvärmningstiden visas i figur 12. Dessa är kristallina fasta ämnen. Detta beteende hos kristallina kroppar vid upphettning förklaras av deras inre struktur. Kristallkroppar- det här är kroppar vars atomer och molekyler är ordnade i en viss ordning, och denna ordning bevaras över ett ganska stort avstånd. Det rumsliga periodiska arrangemanget av atomer eller joner i en kristall kallas kristallgitter. De punkter i kristallgittret där atomer eller joner är belägna kallas gitternoder.

Kristallina kroppar är antingen enkristaller eller polykristaller. Monokristall har ett enda kristallgitter genom hela sin volym.

Anisotropi enkristaller ligger i beroendet av deras fysikaliska egenskaper på riktning. Polykristall Det är en kombination av små, olika orienterade enkristaller (korn) och har ingen anisotropi av egenskaper. De flesta fasta ämnen har en polykristallin struktur (mineraler, legeringar, keramik).

De huvudsakliga egenskaperna hos kristallina kroppar är: säkerhet för smältpunkt, elasticitet, styrka, beroende av egenskaper på ordningen för arrangemang av atomer, d.v.s. av typen av kristallgitter.

Amorfär ämnen som inte har någon ordning i arrangemanget av atomer och molekyler genom hela volymen av detta ämne. Till skillnad från kristallina ämnen, amorfa ämnen isotropisk. Det betyder att egenskaperna är lika åt alla håll. Övergången från ett amorft tillstånd till en vätska sker gradvis, det finns ingen specifik smältpunkt. Amorfa kroppar har inte elasticitet, de är plastiska. Olika ämnen är i amorft tillstånd: glas, hartser, plaster etc.

Elasticitet- kropparnas egenskap att återställa sin form och volym efter upphörande av yttre krafter eller andra orsaker som orsakade deformation av kroppar. Beroende på arten av förskjutningen av partiklar i en fast kropp är deformationerna som uppstår när dess form ändras indelade i: spänning - kompression, skjuvning, torsion och böjning. För elastiska deformationer gäller Hookes lag, enligt vilken elastiska deformationer är direkt proportionella mot de yttre påverkan som orsakar dem. För drag-kompressiv deformation har Hookes lag formen: , där är mekanisk spänning, är relativ töjning, är absolut töjning, är Youngs modul (elasticitetsmodul). Elasticiteten beror på interaktionen och den termiska rörelsen av partiklarna som utgör ämnet.

Beroende på de fysikaliska egenskaperna och molekylstrukturen finns det två huvudklasser av fasta ämnen - kristallina och amorfa.

Definition 1

Amorfa kroppar har en sådan egenskap som isotropi. Detta koncept innebär att de är relativt oberoende av optiska, mekaniska och andra fysikaliska egenskaper och i vilken riktning yttre krafter verkar på dem.

Huvuddraget hos afmoriska kroppar är det kaotiska arrangemanget av atomer och molekyler, som bara samlas i små lokala grupper, inte mer än några partiklar i varje.

Denna egenskap för amorfa kroppar närmare vätskor. Sådana fasta ämnen inkluderar bärnsten och andra hårda hartser, olika typer av plast och glas. Under påverkan av höga temperaturer mjuknar amorfa kroppar, men stark värme krävs för att omvandla dem till vätska.

Alla kristallina kroppar har en tydlig inre struktur. Grupper av partiklar i samma ordning upprepas periodiskt genom hela volymen av en sådan kropp. För att visualisera en sådan struktur används vanligtvis rumsliga kristallgitter. De består av ett visst antal noder som bildar centra av molekyler eller atomer av ett visst ämne. Vanligtvis är ett sådant gitter byggt av joner som är en del av de önskade molekylerna. Sålunda, i bordssalt, består den inre strukturen av natrium- och klorjoner, kombinerade i par till molekyler. Sådana kristallina kroppar kallas joniska.

Figur 3. 6. 1 . Kristallgitter av bordsalt.

Definition 2

I strukturen av varje ämne kan en minimal komponent urskiljas - enhetscell.

Hela gittret som den kristallina kroppen består av kan vara sammansatt genom translation (parallell överföring) av en sådan cell i vissa riktningar.

Antalet typer av kristallgitter är inte oändligt. Det finns totalt 230 arter, varav de flesta är konstgjorda eller finns i naturliga material. Strukturella gitter kan ha formen av kroppscentrerade kuber (till exempel för järn), ansiktscentrerade kuber (för guld, koppar) eller ett prisma med sex ytor (magnesium, zink).

I sin tur är kristallina kroppar uppdelade i polykristaller och enkelkristaller. De flesta ämnen tillhör polykristaller, eftersom de består av så kallade kristalliter. Dessa är små kristaller smälta samman och slumpmässigt orienterade. Monokristallina ämnen är relativt sällsynta, även bland konstgjorda material.

Definition 3

Polykristaller har egenskapen isotropi, det vill säga samma egenskaper i alla riktningar.

Kroppens polykristallina struktur är tydligt synlig under ett mikroskop, och för vissa material, såsom gjutjärn, även med blotta ögat.

Definition 4

Polymorfism– är ett ämnes förmåga att existera i flera faser, d.v.s. kristallmodifikationer som skiljer sig från varandra i fysikaliska egenskaper.

Processen att byta till en annan modifiering kallas polymorf övergång.

Ett exempel på ett sådant fenomen kan vara omvandlingen av grafit till diamant, som under industriella förhållanden sker vid högt tryck (upp till 100 000 atmosfärer) och höga temperaturer
(upp till 2000 K).

För att studera gitterstrukturen för ett enkristallint eller polykristallint prov, används röntgendiffraktion.

Enkla kristallgitter visas i figuren nedan. Man måste ta hänsyn till att avståndet mellan partiklarna är så litet att det är jämförbart med storleken på själva partiklarna. För tydlighetens skull visar diagrammen endast positionerna för centrumen.

Figur 3. 6. 2. Enkla kristallgitter: 1 – enkelt kubiskt gitter; 2 – ansiktscentrerat kubiskt gitter; 3 – kroppscentrerat kubiskt gitter; 4 – hexagonalt gitter.

Det enklaste är det kubiska gittret: en sådan struktur består av kuber med partiklar vid hörnen. Ett ansiktscentrerat gitter har partiklar inte bara vid hörnen utan även på ytorna. Till exempel består kristallgittret av bordssalt av två ansiktscentrerade gitter kapslade inuti varandra. Ett kroppscentrerat gitter har ytterligare partiklar i mitten av varje kub.

Metallgaller har en viktig egenskap. Ett ämnes joner hålls på plats genom interaktion med en gas av fria elektroner. Den så kallade elektrongasen bildas av en eller flera elektroner som avges av atomer. Sådana fria elektroner kan röra sig genom hela volymen av kristallen.

Figur 3. 6. 3. Struktur av en metallkristall.

Om du märker ett fel i texten, markera det och tryck på Ctrl+Enter

Som vätska, men också form. De är övervägande i ett kristallint tillstånd.
Kristaller- dessa är fasta kroppar, vars atomer eller molekyler upptar vissa, ordnade positioner i rymden. Därför har kristallerna platta kanter. Till exempel, ett korn av vanligt bordssalt har platta kanter som bildar räta vinklar med varandra ( Fig.12.1).

Detta kan ses genom att undersöka saltet med ett förstoringsglas. Och hur geometriskt korrekt formen på en snöflinga är! Det återspeglar också den geometriska korrektheten hos den inre strukturen hos ett kristallint fast ämne - is ( Fig.12.2).

Anisotropi av kristaller. Den korrekta yttre formen är dock inte den enda eller ens den viktigaste konsekvensen av kristallens ordnade struktur. Huvudsaken är beroende av kristallens fysikaliska egenskaper av den valda riktningen i kristallen.
Först och främst är den olika mekaniska styrkan hos kristallerna i olika riktningar slående. Till exempel exfolierar en bit glimmer lätt åt ena hållet till tunna plattor ( Fig.12.3), men det är mycket svårare att bryta det i riktningen vinkelrätt mot plattorna.

En grafitkristall exfolierar också lätt åt ena hållet. När du skriver med en penna sker denna delaminering kontinuerligt och tunna lager av grafit blir kvar på papperet. Detta händer eftersom grafitkristallgittret har en skiktad struktur. Skikten bildas av en serie parallella nätverk bestående av kolatomer ( Fig.12.4). Atomerna är belägna vid hörn av vanliga hexagoner. Avståndet mellan skikten är relativt stort - cirka 2 gånger längden på sidan av hexagonen, så bindningarna mellan skikten är mindre starka än bindningarna inom dem.

Många kristaller leder värme och elektricitet olika åt olika håll. De optiska egenskaperna hos kristaller beror också på riktningen. Således bryter en kvartskristall ljus olika beroende på riktningen för strålarna som faller in på den.
Beroendet av fysikaliska egenskaper på riktningen inuti kristallen kallas anisotropi. Alla kristallina kroppar är anisotropa.
Enkristaller och polykristaller. Metaller har en kristallin struktur. Det är metaller som idag främst används för tillverkning av verktyg, olika maskiner och mekanismer.
Om du tar ett relativt stort stycke metall, visas vid första anblicken inte dess kristallina struktur på något sätt, varken i utseendet på denna bit eller i dess fysiska egenskaper. Metaller i sitt normala tillstånd uppvisar inte anisotropi.
Poängen här är att metall vanligtvis består av ett stort antal små kristaller som smälts samman. Under ett mikroskop eller till och med med ett förstoringsglas är det lätt att se dem, speciellt på en ny metallfraktur ( Fig.12.5). Egenskaperna för varje kristall beror på riktningen, men kristallerna är slumpmässigt orienterade i förhållande till varandra. Som ett resultat, i en volym som är betydligt större än volymen av enskilda kristaller, är alla riktningar inom metaller lika och egenskaperna hos metaller är desamma i alla riktningar.

En fast substans som består av ett stort antal små kristaller kallas polykristallin. Enkelkristaller kallas enkristaller.
Genom att vidta stora försiktighetsåtgärder är det möjligt att odla en stor metallkristall - en enda kristall.
Under normala förhållanden bildas en polykristallin kropp som ett resultat av att tillväxten av många kristaller som har börjat fortsätter tills de kommer i kontakt med varandra och bildar en enda kropp.
Polykristaller inkluderar inte bara metaller. En sockerbit har till exempel också en polykristallin struktur.
De flesta kristallina fasta ämnen är polykristaller, eftersom de består av många sammanväxta kristaller. Enkelkristaller - enkelkristaller har en regelbunden geometrisk form, och deras egenskaper är olika i olika riktningar (anisotropi).

???
1. Är alla kristallina kroppar anisotropa?
2. Trä är anisotropt. Är det en kristallin kropp?
3. Ge exempel på monokristallina och polykristallina fasta ämnen som inte nämns i texten.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fysik 10:e klass

Lektionens innehåll lektionsanteckningar stödja frame lektion presentation acceleration metoder interaktiv teknik Öva uppgifter och övningar självtest workshops, utbildningar, fall, uppdrag läxor diskussionsfrågor retoriska frågor från elever Illustrationer ljud, videoklipp och multimedia fotografier, bilder, grafik, tabeller, diagram, humor, anekdoter, skämt, serier, liknelser, ordspråk, korsord, citat Tillägg sammandrag artiklar knep för nyfikna spjälsängar läroböcker grundläggande och ytterligare ordbok över termer andra Förbättra läroböcker och lektionerrätta fel i läroboken uppdatera ett fragment i en lärobok, inslag av innovation i lektionen, ersätta föråldrad kunskap med nya Endast för lärare perfekta lektioner kalenderplan för året, metodologiska rekommendationer, diskussionsprogram Integrerade lektioner

Om du har korrigeringar eller förslag till den här lektionen,