Кристал відрізняється від аморфного тіла. Кристалічні та аморфні тіла: будова та властивості. Координаційне число к.ч

Твердими є кристалічні та аморфні тіла. Кристал — так у давнину називали лід. А потім стали називати кристалом кварц і вважаючи ці мінерали скам'янілим льодом. Кристали бувають природними і вони використовуються в ювелірній промисловості, оптиці, радіотехніці та електроніці, як опори для елементів у надточних приладах, як надтвердий абразивний матеріал.

Кристалічні тіла характеризуються твердістю, мають строго закономірне становище у просторі молекул, іонів чи атомів, у результаті утворюється тривимірна періодична кристалічна решітка (структура). Зовні це виражається певною симетрією форми твердого тіла та його певними фізичними властивостями. У зовнішній формі кристалічні тіла відбивають симетрію, властиву внутрішній "упаковці" частинок. Це визначає рівність кутів між гранями всіх кристалів, що складаються з однієї й тієї ж речовини.

У них рівними будуть і відстані від центру до центру між сусідніми атомами (якщо вони розташовані на одній прямій, то ця відстань буде однаковою на всій лінії лінії). Але для атомів, що лежать на прямій з іншим напрямом, відстань між центрами атомів буде вже іншою. Цією обставиною пояснюється анізотропія. Анізотропність – головне, чим відрізняються кристалічні тіла від аморфних.

Більше 90% твердих тіл можна зарахувати до кристалів. У природі вони існують у вигляді монокристалів та полікристалів. Монокристали - поодинокі, грані яких представлені правильними багатокутниками; для них характерна наявність безперервних кристалічних ґрат і анізотропії фізичних властивостей.

Полікристали - тіла, що складаються з безлічі дрібних кристалів, "зрощених" між собою дещо хаотично. Полікристалами є метали, цукор, каміння, пісок. У таких тілах (наприклад, фрагмент металу) анізотропія зазвичай не проявляється через безладне розташування елементів, хоча окремо взятому кристалу цього тіла властива анізотропія.

Інші властивості кристалічних тіл: чітко визначена температура (наявність критичних точок), міцність, пружність, електропровідність, магнітопровідність, теплопровідність.

Аморфні – не мають форми. Так буквально перекладається це слово з грецької. Аморфні тіла створені природою. Наприклад, бурштин, віск, До створення штучних аморфних тіл причетна людина - скло та смоли (штучні), парафін, пластмаси (полімери), каніфоль, нафталін, вар. не мають внаслідок хаотичного розташування молекул (атомів, іонів) у структурі тіла. Тому для будь-якого аморфного тіла ізотропні - однакові в усіх напрямках. Для аморфних тіл немає критичної точки температури плавлення, вони поступово розм'якшуються при нагріванні і переходять у в'язкі рідини. Аморфним тілам відведено проміжне (перехідне) положення між рідинами і кристалічними тілами: при низьких температурах вони твердіють і стають пружними, крім того, можуть розколюватись при ударі на безформні шматки. При високих температурах ці елементи виявляють пластичність, стаючи в'язкими рідинами.

Тепер знаєте, що таке кристалічні тіла!

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Глава 1. Кристалічні та аморфні тіла

1.1 Ідеальні кристали

1.2 Монокристали та кристалічні агрегати

1.3 Полікристали

Глава 2. Елементи симетрії кристалів

Розділ 3. Типи дефектів у твердих тілах

3.1 Точкові дефекти

3.2 Лінійні дефекти

3.3 Поверхневі дефекти

3.4 Об'ємні дефекти

Глава 4. Отримання кристалів

Глава 5. Властивості кристалів

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Кристали одні з найкрасивіших та загадкових витворів природи. Нині вивченням різноманіття кристалів займається наука кристалографії. Вона виявляє ознаки єдності в цьому різноманітті, досліджує властивості та будову як одиночних кристалів, так і кристалічних агрегатів. Кристалографія є наукою, що всебічно вивчає кристалічну речовину. Ця робота також присвячена кристалам та його властивостям.

В даний час кристали мають велике поширення в науці і техніки, так як мають особливі властивості. Такі області використання кристалів, як напівпровідники, надпровідники, квантова електроніка та багато інших вимагають глибокого розуміння залежності фізичних властивостей кристалів від їхнього хімічного складу та будови.

Нині відомі способи штучного вирощування кристалів. Кристал можна виростити у звичайній склянці, для цього потрібно лише певний розчин і акуратність, з якою необхідно доглядати зростаючий кристал.

Кристалів у природі існує безліч і так само багато існує різних форм кристалів. Насправді практично неможливо привести визначення, яке підходило б до всіх кристалів. На допомогу можна залучити результати рентгенівського аналізу кристалів. Рентгенівські промені дають можливість намацати атоми всередині кристалічного тіла, і визначає їх просторове розташування. У результаті було встановлено, що всі кристали побудовані з елементарних частинок, розташованих у строгому порядку всередині кристалічного тіла.

У всіх без винятку кристалічних спорудах з атомів можна виділити безліч однакових атомів, розташованих на кшталт вузлів просторових ґрат. Щоб уявити такі ґрати, подумки заповнимо простір безліччю рівних паралелепіпедів, паралельно орієнтованих і стикаються по цілих гранях. Найпростіший приклад такої будівлі є кладкою з однакових цеглинок. Якщо всередині цегли виділити відповідні точки, наприклад, їх центри чи вершини, то ми й отримаємо модель просторових ґрат. Для всіх без винятку кристалічних тіл характерна гратчаста будова.

Кристалами називаються " всі тверді тіла, в яких частинки, що їх складають (атоми, іони, молекули) розташовані строго закономірно на кшталт вузлів просторових решітокЦе визначення є максимально наближеним до істини, воно підходить до будь-яких однорідних кристалічних тіл: і булів (форма кристала, у якого немає ні граней, ні ребер, ні виступаючих вершин), і зерен, і плоскогранних фігур.

Глава 1.Кристалічні та аморфні тіла

За своїми фізичними властивостями та молекулярною структурою тверді тіла поділяються на два класи - аморфні та кристалічні тіла.

Характерною особливістю аморфних тіл є їхня ізотропність, тобто. незалежність всіх фізичних властивостей (механічних, оптичних тощо) від напряму. Молекули і атоми в твердих ізотропних тілах розташовуються хаотично, утворюючи лише невеликі локальні групи, що містять кілька частинок (ближній порядок). За своєю структурою аморфні тіла дуже близькі до рідин.

Прикладами аморфних тіл можуть бути скло, різні затверділі смоли (бурштин), пластики тощо. Якщо аморфне тіло нагрівати, воно поступово розм'якшується, і перехід у рідкий стан займає значний інтервал температур.

У кристалічних тілах частинки розташовуються в строгому порядку, утворюючи просторові структури, що періодично повторюються, у всьому обсязі тіла. Для наочного уявлення таких структур використовуються просторові кристалічні грати, У вузлах яких розташовуються центри атомів або молекул цієї речовини.

У кожній просторовій решітці можна виділити структурний елемент мінімального розміру, який називається елементарним осередком.

Мал. 1. Типи кристалічних ґрат: 1 - прості кубічні грати; 2 - гранецентровані кубічні грати; 3 - об'ємно-центровані кубічні грати; 4 - гексагональні грати

У простій кубічній решітці частинки розташовуються у вершинах куба. У гранецентрованій решітці частинки розташовуються у вершинах куба, а й у центрах кожної його грані. В об'ємно-центрованій кубічній решітці додаткова частка розташовується в центрі кожного елементарного кубічного осередку.

Слід пам'ятати, що частинки в кристалах щільно упаковані, тому відстань між їх центрами приблизно дорівнює розміру частинок. У зображенні кристалічних ґрат вказується лише положення центрів частинок.

1. 1 Ідеальні кристали

Правильна геометрична форма кристалів привертала увагу дослідників ще на ранніх стадіях розвитку кристалографії і давала привід до створення тих чи інших гіпотез про їхню внутрішню будову.

Якщо ми розглядатимемо ідеальний кристал, то не виявимо в ньому порушень, всі однакові частинки розташовані однаковими паралельними рядами. Якщо прикласти до довільної точки три елементарні трансляції, що не лежать в одній площині, і повторити її нескінченно в просторі, то вийде просторова решітка, тобто. тривимірна система еквівалентних вузлів. Таким чином, в ідеальному кристалі розташування матеріальних частинок характеризується строгою тривимірною періодичністю. І щоб отримати наочне уявлення про закономірності, пов'язані з геометрично правильною внутрішньою будовою кристалів, на лабораторних заняттях з кристалографії зазвичай використовують моделі ідеально освічених кристалів у вигляді опуклих багатогранників з плоскими гранями та прямими ребрами. Насправді ж грані реальних кристалів не бувають ідеально плоскими, тому що при своєму зростанні вони покриваються горбками, шорсткістю, борозенками, ямками росту, віциналями (гранями, що відхилилися цілком або частково від свого ідеального положення), спіралями росту або розчинення і т.д. .

Ідеальний кристал- це фізична модель, що є нескінченним монокристалом, що не містить домішок або структурних дефектів. Відмінність реальних кристалів від ідеальних пов'язана з кінцівкою їх розмірів та наявністю дефектів. Наявності деяких дефектів (наприклад, домішок, міжкристалітних кордонів) у реальних кристалах можна практично повністю уникнути за допомогою спеціальних методів вирощування, відпалу чи очищення. Однак при температурі T>0К у кристалах завжди є кінцева концентрація (термоактивованих) вакансій та міжузельних атомів, кількість яких у рівновазі експоненційно зменшується зі зниженням температури.

Кристалічні речовини можуть існувати як монокристалів або полікристалічних зразків.

Монокристал - це тверде тіло, в якому регулярна структура охоплює весь об'єм речовини. Монокристали зустрічаються в природі (кварц, алмаз, смарагд) або виготовляються штучно (рубін).

Полікристалічні зразки складаються з великої кількості дрібних, хаотично орієнтованих різного розміру кристаликів, які можуть бути пов'язані між собою певними силами взаємодії.

1. 2 Монокрістали та кристалічні агрегати

Монокристал- окремий однорідний кристал, що має безперервну кристалічну решітку та іноді має анізотропію фізичних властивостей. Зовнішня форма монокристала обумовлена ​​його атомно-кристалічною решіткою та умовами (в основному швидкістю та однорідністю) кристалізації. Повільно вирощений монокристал майже завжди набуває добре вираженого природного огранювання, в нерівноважних умовах (середня швидкість зростання) кристалізації огранювання проявляється слабо. При ще більшій швидкості кристалізації замість монокристала утворюються однорідні полікристали та полікристалічні агрегати, що складаються з безлічі по-різному орієнтованих дрібних монокристалів. Прикладами огранених природних монокристалів можуть бути монокристали кварцу, кам'яної солі, ісландського шпату, алмазу, топаза. Велике промислове значення мають монокристали напівпровідникових та діелектричних матеріалів, які вирощуються в спеціальних умовах. Зокрема, монокристали кремнію та штучних сплавів елементів III (третьої) групи з елементами V (п'ятої) групи таблиці Менделєєва (наприклад, GaAs Арсенід галію) є основою сучасної твердотільної електроніки. Монокристали металів та їх сплавів не мають особливих властивостей і практично не застосовуються. Монокристали надчистих речовин мають однакові властивості незалежно від способу їх отримання. Кристалізація відбувається поблизу температури плавлення (конденсації) з газоподібного (наприклад, іній та сніжинки), рідкого (найчастіше) та твердого аморфного станів з виділенням тепла. Кристалізація з газу або рідини має потужний очищаючий механізм: хімічний склад повільно вирощених монокристалів практично ідеальний. Майже всі забруднення залишаються (накопичуються) у рідині чи газі. Це тому, що з зростанні кристалічної решітки відбувається мимовільний підбір необхідних атомів (молекул для молекулярних кристалів) як з їх хімічним властивостям (валентності), і навіть за розміром.

Сучасній техніці вже не вистачає небагатого набору властивостей природних кристалів (особливо для створення напівпровідникових лазерів), і вчені придумали метод створення кристалоподібних речовин з проміжними властивостями, шляхом вирощування надтонких шарів кристалів, що чергуються з схожими параметрами кристалічних грат.

На відміну від інших агрегатних станів, кристалічний стан різноманітний. Одні й самі за складом молекули можуть бути упаковані в кристалах різними способами. Від способу упаковки залежать фізичні та хімічні властивості речовини. Таким чином одні і ті ж за хімічним складом речовини насправді часто мають різні фізичні властивості. Для рідкого стану таке різноманіття не характерне, а газоподібного - неможливо.

Якщо взяти, наприклад, звичайну кухонну сіль, то легко побачити навіть без мікроскопа окремі кристалики.

Якщо ми хочемо наголосити, що маємо справу з одиночним, окремим кристалом, то називаємо його монокристалом,щоб підкреслити, що йдеться про скупчення багатьох кристалів, використовується термін кристалічний агрегат. Якщо в кристалічному агрегаті окремі кристали майже не ограновані, це може пояснюватися тим, що кристалізація почалася одночасно в багатьох точках речовини і її швидкість була досить висока. Кристали, що ростуть, є перешкодою один одному і заважають правильному ограненню кожного з них.

У цій роботі йтиметься переважно про монокристалах, бо оскільки є складовими частинами кристалічних агрегатів, їх властивості будуть схожі з властивостями агрегатів.

1. 3 Полікристали

Полікристал- агрегат дрібних кристалів будь-якої речовини, іноді званих через неправильну форму кристаліти або кристалічні зерна. Багато матеріалів природного та штучного походження (мінерали, метали, сплави, кераміки тощо) є полікристалами.

Властивості та отримання. Властивості полікристалів обумовлені властивостями складових його кристалічних зерен, їх середнім розміром, що коливається від 1-2 мкм до кількох міліметрів (у деяких випадках до кількох метрів), кристалографічної орієнтацією зерен та будовою межзеренних кордонів. Якщо зерна орієнтовані хаотично, які розміри малі проти розміром поликристалла, то полікристалі не проявляється анізотропія фізичних властивостей, характерна монокристалів. Якщо в полікристалі є переважна кристалографічна орієнтація зерен, то полікристал є текстурованим і, в цьому випадку, має анізотропію властивостей. Наявність кордонів зерен суттєво позначається на фізичних, особливо механічних, властивостях полікристалів, оскільки на кордонах відбувається розсіювання електронів провідності, фононів, гальмування дислокацій та ін.

Полікристали утворюються при кристалізації, поліморфних перетвореннях та в результаті спікання кристалічних порошків. Полікристал менш стабільний, ніж монокристал, тому при тривалому відпалі полікристалу відбувається рекристалізація (переважне зростання окремих зерен за рахунок інших), що призводить до утворення великих кристалічних блоків.

Розділ 2. Елементи симетрії кристалів

Поняття симетрії та асиметрії фігурують у науці з найдавніших часів швидше як естетичний критерій, ніж суворо наукових визначень. До появи ідеї симетрії математика, фізика, природознавство загалом нагадували окремі острівці безнадійно ізольованих друг від друга і навіть суперечливих уявлень, теорій, законів. Симетрія характеризує і знаменує собою епоху синтезу, коли розрізнені фрагменти наукового знання зливаються на єдину, цілісну картину світу. Як одна з основних тенденцій цього процесу виступає математизація наукового знання.

Симетрію прийнято розглядати не лише як основну картину наукового знання, що встановлює внутрішні зв'язки між системами, теоріями, законами та поняттями, а й відносити її до атрибутів такими ж фундаментальними, як простір і час, рух. У цьому сенсі симетрія визначає структуру матеріального світу, його складових. Симетрія має багатоплановий і багаторівневий характер. Наприклад, у системі фізичних знань симетрія розглядається лише на рівні явищ, законів, що описують ці явища, і принципів, які у основі цих законів, а математиці - під час опису геометричних об'єктів. Симетрія може бути класифікована як:

· Структурна;

· геометрична;

· Динамічна, що описує відповідно кристалографічний,

математичний та фізичний аспекти даного поняття.

Найпростіші симетрії є геометричними у нашому звичайному тривимірному просторі і тому наочні. Такі симетрії пов'язані з геометричними операціями, які приводять тіло, що розглядається, до збігу з самим собою. Кажуть, що симетрія проявляється у незмінності (інваріантності) тіла чи системи стосовно певної операції. Наприклад, сфера (без будь-яких міток на її поверхні) інваріантна щодо будь-якого повороту. У цьому вся проявляється її симетричність. Сфера з міткою, наприклад, у вигляді точки, збігається сама з собою лише при повороті, після якого вихідне положення потрапляє мітка на ній. Наш тривимірний простір ізотропний. Це означає, що як і сфера без міток, воно збігається із самим собою за будь-якого повороту. Простір нерозривно пов'язані з матерією. Тому наш Всесвіт також ізотропний. Місце також однорідне. Це означає, що воно (і наш Всесвіт) має симетрію щодо операції зсуву. Тієї ж симетрією володіє і час.

Крім простих (геометричних) симетрій у фізиці широко зустрічаються дуже складні, звані динамічні симетрії, тобто симетрії, пов'язані ні з простором і часом, і з певним типом взаємодій. Вони не є наочними, і навіть найпростіші з них, наприклад, так звані калібрувальні симетрії, важко пояснити без використання досить складної фізичної теорії Калібрувальні симетрії у фізиці також відповідають деякі закони збереження. Наприклад, калібрувальна симетрія електромагнітних потенціалів призводить до закону збереження електричного заряду.

У ході суспільної практики людство накопичило багато фактів, що свідчать як про сувору впорядкованість, рівновагу між частинами цілого, так і про порушення цієї впорядкованості. У цьому можна виділити такі п'ять категорій симетрії:

· Симетрія;

· Асиметрія;

· Дисиметрія;

· Антисиметрія;

· Суперсиметрія.

Асиметрія . Асиметрія – це несиметрія, тобто. такий стан, коли симетрія відсутня. Але ще Кант говорив, що заперечення ніколи не є простим винятком чи відсутністю відповідного позитивного змісту. Наприклад, рух – це заперечення свого попереднього стану, зміна об'єкта. Рух заперечує спокій, але спокій немає відсутність руху, так як дуже мало інформації і ця інформація помилкова. Відсутності спокою, як і руху, не буває, оскільки це дві сторони однієї й тієї самої сутності. Спокій – це інший аспект руху.

Повної відсутності симетрії також немає. Фігура, яка не має елемента симетрії, називається асиметричною. Але, власне кажучи, це не так. У разі асиметричних фігур розлад симетрії просто доведено остаточно, але з повної відсутності симетрії, оскільки ці постаті ще характеризуються нескінченним числом осей першого порядку, які є елементами симетрії.

Асиметрія пов'язана з відсутністю об'єкта всіх елементів симетрії. Такий елемент неподільний на частини. Прикладом є рука людини. Асиметрія - це категорія, протилежна симетрії, яка відображає існуючі в об'єктивному світі порушення рівноваги, пов'язані зі зміною, розвитком, розбудовою частин цілого. Так само, як ми говоримо про рух, маючи на увазі єдність руху та спокою, так само симетрія та асиметрія – дві полярні протилежності об'єктивного світу. У реальній природі немає чистих симетрії та асиметрії. Вони завжди перебувають у єдності та безперервній боротьбі.

На різному рівні розвитку матерії є то симетрія (відносний порядок), то асиметрія (тенденція порушення спокою, рух, розвиток), але ці дві тенденції єдині та його боротьба абсолютна. Реальні, навіть найдосконаліші кристали далекі за своєю структурою від кристалів ідеальної форми та ідеальної симетрії, що розглядається в кристалографії. Вони є суттєві відступи від ідеальної симетрії. Вони мають і елементи асиметрії: дислокації, вакансії, які впливають з їхньої фізичні властивості.

Визначення симетрії та асиметрії вказують на універсальний, загальний характер симетрії та асиметрії як властивостей матеріального світу. Аналіз поняття симетрії у фізиці та математиці (за рідкісним винятком) має тенденцію до абсолютизації симетрії та трактування асиметрії як відсутності симетрії та порядку. Антипод симетрії постає як поняття суто негативне, але варте уваги. Значний інтерес до асиметрії виник у середині XIX століття у зв'язку з дослідами Л. Пастера з вивчення та поділу стереоізомерів.

Дисиметрія . Дисиметрією називається внутрішня, чи засмучена, симетрія, тобто. відсутність об'єкта деяких елементів симетрії. Наприклад, біля річок, що течуть уздовж земних меридіанів, один берег вищий за інший (у Північній півкулі правий берег вищий за лівий, а в Південному - навпаки). За Пастером, дисиметричною є та фігура, яка не поєднується простим накладенням зі своїм дзеркальним відображенням. Величина симетрії дисиметричного об'єкта може бути як завгодно високою. Дисиметрію у найширшому сенсі її розуміння можна було б визначити як будь-яку форму наближення від нескінченно симетричного об'єкта до нескінченно асиметричного.

Антисиметрія . Антисиметрією називається протилежна симетрія, або симетрія протилежностей. Вона пов'язана зі зміною знака фігури: частинки – античастинки, опуклість – увігнутість, чорне – біле, розтягнення – стиск, уперед – назад тощо. Це поняття можна пояснити прикладом із двома парами чорно-білих рукавичок. Якщо зі шматка шкіри, дві сторони якої пофарбовані відповідно в білий і чорний кольори, пошити дві пари чорно-білих рукавичок, то їх можна розрізняти за ознакою правизни - лівизни, за кольором - чорноти та білизни, інакше кажучи, за ознакою знакоінформатизму та деякому іншому знак. Операція антисиметрії складається із звичайних операцій симетрії, що супроводжуються зміною другої ознаки фігури.

Суперсиметрія В останні десятиліття XX століття почала розвиватися модель суперсиметрії, яка була запропонована російськими теоретиками Гельфандом та Ліхтманом. Спрощено кажучи, їх ідея полягала в тому, що, подібно до того, як існують звичайні розмірності простору і часу, повинні бути екстра-розмірності, які можна виміряти в так званих числах Грассмана. Як говорив С. Хокінг, навіть наукові фантасти не додумалися до чогось такого ж дивного, як розмірності Грассмана. У нашій звичайній арифметиці, якщо число 4 помножити на 6, - це те саме, що 6 помножити на 4. Але дивина чисел Грассмана полягає в тому, що якщо X помножити на Y, то це одно мінус Y помножити на X. як це далеко від наших класичних уявлень про природу та методи її опису?

Симетрію можна розглядати і за формами руху або так званими операціями симетрії. Можна виділити такі операції симетрії:

· Відображення в площині симетрії (відображення в дзеркалі);

· Поворот навколо осі симетрії ( поворотна симетрія);

· Відображення в центрі симетрії (інверсія);

· Перенесення ( трансляція) фігури на відстань;

· Гвинтові повороти;

· Перестановна симетрія.

Відображення у площині симетрії . Відображення - це найбільш відомий і найчастіше зустрічається в природі різновид симетрії. Дзеркало точно відтворює те, що воно "бачить", але розглянутий порядок є зверненим: права рука у вашого двійника насправді виявиться лівою, так як пальці розташовані на ній у зворотному порядку. Усім, напевно, з дитинства знайомий фільм "Королівство кривих дзеркал", де імена всіх героїв читалися у зворотному порядку. Дзеркальну симетрію можна виявити всюди: у листі та кольорах рослин, архітектурі, орнаментах. Людське тіло, якщо говорити лише про зовнішній вигляд, має дзеркальну симетрію, хоча й не сувору. Більше того, дзеркальна симетрія властива тілам майже всіх живих істот, і такий збіг не випадковий. Важливість поняття дзеркальної симетрії навряд можна переоцінити.

Дзеркальну симетрію має все, що допускає розбиття на дві дзеркально рівні половинки. Кожна з половинок служить дзеркальним відображенням іншої, а площина, що їх розділяє, називається площиною дзеркального відображення, або просто дзеркальною площиною. Цю площину можна назвати елементом симетрії, а відповідну операцію – операцією симетрії . З тривимірними симетричними візерунками ми стикаємося щодня: це багато сучасних житлових будинків, а іноді й цілі квартали, ящики і коробки, що нагромаджуються на складах, атоми речовини в кристалічному стані утворюють кристалічну решітку - елемент тривимірної симетрії. У всіх цих випадках правильне розташування дозволяє економно використовувати простір та забезпечувати стійкість.

Чудовим прикладом дзеркальної симетрії в літературі є фраза-перевертень: "А троянда впала на лапу Азора" . У цьому рядку центром дзеркальної симетрії є буква "н", щодо якої всі інші букви (не враховуючи перепустки між словами) розташовані у взаємно протилежній черговості.

Поворотна симетрія . Зовнішній вигляд візерунка не зміниться, якщо повернути його на деякий кут навколо осі. Симетрія, що виникає при цьому, називається поворотною симетрією . Прикладом може бути дитяча гра "вертушка" з поворотною симетрією. У багатьох танцях постаті засновані на обертальних рухах, які нерідко здійснюються лише в один бік (тобто без відображення), наприклад, хороводи.

Листя та квіти багатьох рослин виявляють радіальну симетрію. Це така симетрія, коли лист або квітка, повертаючись навколо осі симетрії, перетворюється на себе. На поперечних перерізах тканин, що утворюють корінь або стебло рослини, чітко видно радіальну симетрію. Суцвіття багатьох квіток також мають радіальну симетрію.

Відображення у центрі симетрії . Прикладом об'єкта найвищої симетрії, що характеризує цю операцію симетрії, є куля. Кульові форми поширені у природі досить широко. Вони звичайні в атмосфері (краплі туману, хмари), гідросфері (різні мікроорганізми), літосфері та космосі. Кульову форму мають суперечки та пилок рослин, краплі води, випущеної у стані невагомості на космічному кораблі. На метагалактичному рівні найбільшими кульовими структурами є галактики кульової форми. Чим щільніше скупчення галактик, тим ближче воно до кульової форми. Зоряні скупчення – теж кульові форми.

Трансляція, або перенесення фігури на відстань . Трансляція, або паралельне перенесення фігури на відстань - це будь-який візерунок, що необмежено повторюється. Вона може бути одновимірною, двовимірною, тривимірною. Трансляція в тому самому або протилежних напрямках утворює одновимірний візерунок. Трансляція за двома непаралельними напрямками утворює двовимірний візерунок. Паркетна підлога, візерунки на шпалерах, мереживні стрічки, доріжки, вимощені цеглою або плитками, кристалічні фігури утворюють візерунки, які не мають природних кордонів. При вивченні орнаментів, що використовуються в друкарстві, були виявлені ті ж елементи симетрії, що й у малюнку викладених кахельними плитами підлог. Орнаментальні бордюри пов'язані музикою. У музиці елементи симетричної конструкції включають операції повторення (трансляції) і звернення (відображення). Саме ці елементи симетрії виявляються й у бордюрах. Хоча в більшості випадків музика не відрізняється суворою симетрією, в основі багатьох музичних творів лежать операції симетрії. Особливо помітні вони в дитячих пісеньках, які, мабуть, тому так легко запам'ятовуються. Операції симетрії виявляються музикою середньовіччя і Відродження, музикою епохи бароко (нерідко у досить витонченої формі). За часів І.С. Баха, коли симетрія була важливим принципом композиції, широкого поширення набула своєрідна гра в музичні головоломки. Одна з них полягала у вирішенні загадкових "канонів". Канон - це одна з форм багатоголосної музики, яка базується на проведенні теми, яку веде один голос, в інших голосах. Композитор пропонував якусь тему, а слухачам потрібно було вгадати операції симетрії, які він мав намір використовувати під час повторення теми.

Природа задає головоломки як би протилежного типу: нам пропонується завершений канон, а ми повинні знайти правила і мотиви, що лежать в основі існуючих візерунків та симетрії, і навпаки, шукати візерунки, що виникають при повторенні мотиву за різними правилами. Перший підхід призводить до вивчення структури речовини, мистецтва, музики, мислення. Другий підхід ставить нас перед проблемою задуму чи плану, що з давніх часів хвилює художників, архітекторів, музикантів, учених.

Гвинтові повороти . Трансляцію можна комбінувати з відбитком чи поворотом, у своїй виникають нові операції симетрії. Поворот на кілька градусів, супроводжуваний трансляцією на відстань вздовж осі повороту, породжує гвинтову симетрію - симетрію гвинтових сходів. Приклад гвинтової симетрії – розташування листя на стеблі багатьох рослин. Головка соняшника має відростки, розташовані за геометричними спіралями, що розкручуються від центру назовні. Наймолодші члени спіралі перебувають у центрі. У таких системах можна помітити два сімейства спіралей, що розкручуються в протилежні сторони та перетинаються під кутами, близькими до прямих. Але хоч би якими цікавими і привабливими були прояви симетрії у світі рослин, там ще багато таємниць, керуючих процесами розвитку. Слідом за Гете, який говорив про прагнення природи до спіралі, можна припустити, що цей рух здійснюється по логарифмічній спіралі, починаючи щоразу з центральної, нерухомої точки і поєднуючи поступальний рух (розтяг) з поворотом обертання.

Перестановна симетрія . Подальше розширення кількості фізичних симетрій пов'язані з розвитком квантової механіки. Одним із спеціальних видів симетрії в мікросвіті є перестановна симетрія. Вона заснована на принциповій нерозрізненості однакових мікрочастинок, які рухаються не за певними траєкторіями, а їх положення оцінюються за ймовірнісними характеристиками, пов'язаними з квадратом модуля хвильової функції. Перестановна симетрія полягає в тому, що при "перестановці" квантових частинок не змінюються ймовірнісні характеристики, квадрат модуля хвильової функції - величина постійна.

Симетрія подоби . Ще один тип симетрії – симетрія подібності, пов'язана з одночасним збільшенням або зменшенням подібних частин фігури та відстаней між ними. Прикладом такого роду симетрії є матрьошка. Дуже широко поширена така симетрія у живій природі. Її демонструють всі організми, що ростуть.

Питання симетрії грають вирішальну роль сучасної фізики. Динамічні закони природи характеризуються певними видами симетрії. Загалом під симетрією фізичних законів мають на увазі їх інваріантність стосовно певним перетворенням. Необхідно також відзначити, що розглянуті типи симетрії мають певні межі застосування. Наприклад, симетрія правого та лівого існує тільки в області сильних електромагнітних взаємодій, але порушується за слабких. Ізотопічна інваріантність справедлива лише за обліку електромагнітних сил. Для застосування поняття симетрії можна запровадити якусь структуру, яка враховує чотири фактори:

· Об'єкт або явище, яке досліджується;

· Перетворення, по відношенню до якого розглядається симетрія;

· Інваріантність будь-яких властивостей об'єкта або явища, що виражає симетрію, що розглядається. Зв'язок симетрії фізичних законів із законами збереження;

· Межі застосування різних видів симетрії.

Вивчення властивостей симетрії фізичних систем чи законів вимагає залучення спеціального математичного аналізу, насамперед уявлень теорії груп, найбільш розвиненої нині у фізиці твердого тіла та кристалографії.

Розділ 3. Типи дефектів у твердих тілах

Усі реальні тверді тіла, як монокристалічні, і полікристалічні, містять звані структурні дефекти, типи, концентрація, поведінка яких дуже різноманітні і залежить від природи, умов отримання матеріалів і характеру зовнішніх впливів. Більшість дефектів, створених зовнішнім впливом, термодинамічно нестійке, а стан системи у разі є збудженим (неравновесным). Таким зовнішнім впливом може бути температура, тиск, опромінення частинками і квантами високих енергій, введення домішок, фазова наклеп при поліморфних та інших перетвореннях, механічна дія тощо. Перехід у рівноважний стан може проходити різними шляхами і, як правило, реалізується за допомогою ряду метастабільних станів.

Дефекти одних типів, взаємодіючи з дефектами тієї самої чи іншого типів, можуть анігілювати чи утворювати нові асоціації дефектів. Ці процеси супроводжуються зменшенням енергії системи.

За кількістю напрямків N, в яких тягнеться порушення періодичного розташування атомів у кристалічній решітці, викликане цим дефектом, виділяють дефекти:

· Точкові (нульмерні, N = 0);

· Лінійні (одномірні, N = 1);

· Поверхневі (двовимірні, N = 2);

· Об'ємні (тривимірні, N = 3);

Тепер кожний дефект розглянемо докладно.

3.1 Точкові дефекти

До нульмерних (або точковим) дефектам кристала відносять всі дефекти, які пов'язані зі зміщенням або заміною невеликої групи атомів, а також з домішками. Вони виникають при нагріванні, легуванні, у процесі росту кристала та внаслідок радіаційного опромінення. Можуть вноситися також у результаті імплантації. Властивості таких дефектів та механізми їх утворення найбільш вивчені, включаючи рух, взаємодію, анігіляцію, випаровування.

· Вакансія - вільний, незайнятий атомом, вузол кристалічних ґрат.

· Власний міжвузельний атом - атом основного елемента, що знаходиться в міжвузеловому положенні елементарного осередку.

· Домішковий атом заміщення - заміна атома одного типу, атомом іншого типу у вузлі кристалічних ґрат. У позиціях заміщення можуть бути атоми, які за своїми розмірами та електронними властивостями відносно слабко відрізняються від атомів основи.

· Домішковий атом застосування - атом домішки розташовується в міжвузлі кристалічної решітки. У металах домішками застосування зазвичай є водень, вуглець, азот і кисень. У напівпровідниках - це домішки, що створюють глибокі енергетичні рівні у забороненій зоні, наприклад, мідь та золото у кремнії.

У кристалах часто спостерігаються також комплекси, що складаються з декількох точкових дефектів, наприклад, дефект по Френкелю (вакансія + власний міжвузеловий атом), бівакансія (вакансія + вакансія), А-центр (вакансія + атом кисню в кремнії та германії) та ін.

Термодинаміка точкових дефектів.Точкові дефекти підвищують енергію кристала, оскільки на утворення кожного дефекту було витрачено певну енергію. Пружна деформація обумовлює дуже малу частку енергії освіти вакансії, оскільки усунення іонів вбирається у 1 % і відповідна їм енергія деформації становить десяті частки эВ. При утворенні міжузельного атома зміщення сусідніх іонів можуть досягати 20% міжатомної відстані, а відповідна їм енергія пружної деформації решітки - декількох еВ. Основна частка утворення точкового дефекту пов'язана з порушенням періодичності атомної структури та сил зв'язку між атомами. Точковий дефект у металі взаємодіє з усім електронним газом. Видалення позитивного іона з вузла рівносильне внесення негативного точкового заряду; від цього заряду відштовхуються електрони провідності, що викликає підвищення їхньої енергії. Теоретичні розрахунки показують, що енергія освіти вакансії у ГЦК ґратах міді становить близько 1 еВ, а міжузельного атома - від 2.5 до 3.5 еВ.

Незважаючи на збільшення енергії кристала при утворенні власних точкових дефектів, вони можуть перебувати в термодинамічній рівновазі в ґратах, оскільки їхнє утворення призводить до зростання ентропії. При підвищених температурах зростання ентропійного члена TS вільної енергії через утворення точкових дефектів компенсує зростання повної енергії кристала U і вільна енергія виявляється мінімальною.

Рівноважна концентрація вакансій:

де E 0 - енергія освіти однієї вакансії, k- Постійна Больцмана, T- Абсолютна температура. Ця сама формула справедлива для міжузельних атомів. Формула показує, що концентрація вакансій має сильно залежати від температури. Формула для розрахунку проста, але точні кількісні значення можна отримати лише знаючи величину енергії утворення дефекту. Розрахувати ж теоретично цю величину дуже важко, тому доводиться задовольнятися лише наближеними оцінками.

Оскільки енергія освіти дефекту входить у показник ступеня, це відмінність обумовлює величезну різницю у концентрації вакансій і межузельных атомів. Так, при 1000 °C у міді концентрація міжузельних атомів становить лише 10 ×39, що на 35 порядків менше концентрації вакансій при цій температурі. У щільних упаковках, які характерні більшості металів, дуже складно утворюватися межузельным атомам, і вакансії у таких кристалах є основними точковими дефектами (крім домішкових атомів).

Міграція точкових дефектів.Атоми, які здійснюють коливальний рух, безперервно обмінюються енергією. Через хаотичність теплового руху енергія нерівномірно розподілена між різними атомами. У якийсь момент атом може отримати від сусідів такий надлишок енергії, що він займе сусіднє становище у ґратах. Так здійснюється міграція (переміщення) точкових дефектів обсягом кристалів.

Якщо один із атомів, що оточують вакансію, переміститься у вакантний вузол, то вакансія відповідно переміститься на його місце. Послідовні елементарні акти переміщення певної вакансії здійснюються різними атомами. На малюнку показано, що в шарі щільноупакованих куль (атомів) для переміщення однієї з куль у вакантне місце він повинен розсунути кулі 1 і 2. Отже, для переходу з положення у вузлі, де енергія атома мінімальна, в сусідній вакантний вузол, де енергія також мінімальна, атом має пройти через стан із підвищеною потенційною енергією, подолати енергетичний бар'єр. І тому необхідно атому отримати від сусідів надлишок енергії, що він втрачає, " протиснуючись " у нове становище. Висота енергетичного бар'єру E m називається енергією активації міграції вакансії.

Джерела та стоки точкових дефектів.Основним джерелом та стоком точкових дефектів є лінійні та поверхневі дефекти. У великих досконалих монокристалах можливий розпад пересиченого твердого розчину власних точкових дефектів з т.зв. мікродефектів.

Комплекси точкових дефектів.Найпростіший комплекс точкових дефектів – бівакансія (дивакансія): дві вакансії, розташовані у сусідніх вузлах ґрат. Велику роль металах і напівпровідниках грають комплекси, які з двох і більше домішкових атомів, і навіть з домішкових атомів і власних точкових дефектів. Зокрема, такі комплекси можуть суттєво впливати на міцнісні, електричні та оптичні властивості твердих тіл.

3.2 Лінійні дефекти

Одномірні (лінійні) дефекти являють собою дефекти кристала, розмір яких по одному напрямку набагато більше параметра решітки, а по двох інших - порівняти з ним. До лінійних дефектів відносять дислокації та дисклінації. Загальне визначення: дислокація - межа області незавершеного зсуву кристалі. Дислокації характеризуються вектором зсуву (вектором Бюргерса) та кутом ц між ним та лінією дислокації. При ц=0 дислокація називається гвинтовою; при ц = 90 ° - крайовий; при інших кутах - змішаної і тоді може бути розкладена на гвинтову та крайову компоненти. Дислокації виникають у процесі зростання кристала; при його пластичній деформації та у багатьох інших випадках. Їх розподіл та поведінка при зовнішніх впливах визначають найважливіші механічні властивості, зокрема такі як міцність, пластичність та ін. Дисклінація – межа області незавершеного повороту в кристалі. Характеризується вектором повороту.

3.3 Поверхневі дефекти

Основний дефект-представник цього класу – поверхня кристала. Інші випадки - межі зерен матеріалу, у тому числі малокутові кордони (є асоціації дислокацій), площини двійникування, поверхні розділу фаз та ін.

3.4 Об'ємні дефекти

До них відносяться скупчення вакансій, що утворюють пори та канали; частинки, що осідають на різних дефектах (декоруючі), наприклад, бульбашки газів, бульбашки маткового розчину; скупчення домішок у вигляді секторів (пісочного годинника) і зон зростання. Як правило, це пори або включення домішкових фаз. Є конгломератом з багатьох дефектів. Походження – порушення режимів зростання кристала, розпад пересиченого твердого розчину, забруднення зразків. У деяких випадках (наприклад, при дисперсійному твердінні) об'ємні дефекти спеціально вводять у матеріал для модифікації його фізичних властивостей.

Глава 4. Отриманоня кристалів

Розвиток науки і техніки призвело до того, що багато дорогоцінного каміння або просто рідко зустрічаються в природі кристали стали дуже потрібними для виготовлення деталей приладів і машин, для виконання наукових досліджень. Потреба в багатьох кристалах зросла настільки, що задовольнити її за рахунок розширення масштабів виробітку старих і пошуків нових природних родовищ виявилося неможливо.

Крім того, для багатьох галузей техніки і особливо для виконання наукових досліджень все частіше потрібні монокристали дуже високої хімічної чистоти з досконалою кристалічною структурою. Кристали, які у природі, цим вимогам не задовольняють, оскільки вони ростуть за умов, дуже далеких від ідеальних.

Таким чином, постало завдання розробки технології штучного виготовлення монокристалів багатьох елементів та хімічних сполук.

Розробка порівняно простого способу виготовлення "дорогоцінного каменю" призводить до того, що він перестає бути дорогоцінним. Пояснюється це тим, що більшість дорогоцінного каміння є кристалами широко поширених у природі хімічних елементів та сполук. Так, алмаз – це кристал вуглецю, рубін та сапфір – кристали окису алюмінію з різними домішками.

Розглянемо основні способи вирощування монокристалів. На перший погляд може здатись, що здійснити кристалізацію з розплаву дуже просто. Достатньо нагріти речовину вище за температуру плавлення, отримати розплав, а потім охолодити його. У принципі, це правильний шлях, але якщо не вжити спеціальних заходів, то в кращому випадку вийде полікристалічний зразок. А якщо досвід проводити, наприклад, з кварцем, сіркою, селеном, цукром, здатними залежно від швидкості охолодження їх розплавів тверднути в кристалічному або аморфному стані, то немає жодної гарантії, що не буде отримано аморфне тіло.

Щоб виростити один монокристал, недостатньо повільного охолодження. Потрібно спочатку охолодити одну невелику ділянку розплаву і отримати в ньому "зародок" кристала, а потім, послідовно охолоджуючи розплав, що оточує "зародок", дати можливість розрости кристалу по всьому об'єму розплаву. Цей процес можна забезпечити повільним опусканням тигля з розплавом крізь отвір вертикальної трубчастої печі. Кристал зароджується на дні тигля, так як воно раніше потрапляє в ділянку нижчих температур, а потім поступово розростається по всьому об'єму розплаву. Дно тиглю спеціально роблять вузьким, загостреним на конус, щоб у ньому міг розташуватися лише один кристалічний зародок.

Цей спосіб часто застосовується для вирощування кристалів цинку, срібла, алюмінію, міді та інших металів, а також натрію хлористого, бромистого калію, фтористого літію та інших солей, що використовуються оптичною промисловістю. За добу можна виростити кристал кам'яної солі масою близько кілограма.

Недоліком описаного методу є забруднення кристалів матеріалом тигля. кристал дефект симетрія властивість

Цього недоліку позбавлений безтигельний спосіб вирощування кристалів з розплаву, яким вирощують, наприклад, корунд (рубіни, сапфіри). Найтонший порошок окису алюмінію із зерен розміром 2-100 мкм висипається тонким струменем із бункера, проходить через киснево-водневе полум'я, плавиться і у вигляді крапель потрапляє на стрижень із тугоплавкого матеріалу. Температура стрижня підтримується трохи нижче за температуру плавлення окису алюмінію (2030°С). Краплі окису алюмінію охолоджуються на ньому і утворюють кірку маси корунду, що спеклася. Часовий механізм повільно (10-20 мм/ч) опускає стрижень, і на ньому поступово виростає не огранований кристал корунду, що за формою нагадує перевернуту грушу, так звана буля.

Як і природі, отримання кристалів з розчину зводиться до двох способів. Перший полягає в повільному випаровуванні розчинника з насиченого розчину, а другий - в повільному зниженні температури розчину. Найчастіше застосовують другий спосіб. Як розчинники використовують воду, спирти, кислоти, розплавлені солі та метали. Недоліком методів вирощування кристалів із розчину є можливість забруднення кристалів частинками розчинника.

Кристал росте з тих ділянок пересиченого розчину, які безпосередньо оточують. Внаслідок цього поблизу кристала розчин виявляється менш пересиченим, ніж далеко від нього. Так як пересичений розчин важче насиченого, то над поверхнею кристала, що росте, завжди є спрямований вгору потік "використаного" розчину. Без такого перемішування розчину зростання кристалів швидко припинилося. Тому часто додатково перемішують розчин або закріплюють кристал на тримачі, що обертається. Це дозволяє вирощувати досконаліші кристали.

Чим менша швидкість зростання, тим краще виходять кристали. Це справедливо всім методів вирощування. Кристали цукру та кухонної солі легко одержати з водного розчину в домашніх умовах. Але, на жаль, не всі кристали можна виростити так легко. Наприклад, отримання кристалів кварцу з розчину відбувається при температурі 400°З тиску 1000 ат.

Глава 5. Властивості кристалів

Розглядаючи різні кристали, бачимо, що вони різні за формою, але кожен із новачків представляє симетричне тіло. Симметричність - це одна з основних властивостей кристалів. Симетричними ми називаємо тіла, які складаються з однакових рівних частин.

Усі кристали симетричні. Це означає, що в кожному кристалічному багатограннику можна знайти площини симетрії, осі симетрії, центри симетрії та інші елементи симетрії так, щоб поєдналися один з одним однакові частини багатогранника. Введемо ще одне поняття, що стосуються симетрії - полярність.

Кожен кристалічний багатогранник має певний набір елементів симетрії. Повний набір всіх елементів симетрії, властивих цьому кристалу називається класом симетрії. Їхня кількість обмежена. Математичним шляхом було доведено, що у кристалах існує 32 види симетрії.

Розглянемо докладніше види симетрії у кристалі. Насамперед, у кристалах можуть бути осі симетрії лише 1, 2, 3, 4 та 6 порядків. Очевидно, осі симетрії 5, 7 і вище порядків не можливі, тому що при такій структурі атомні ряди і сітки не заповнять простір безперервно, виникнуть порожнечі, проміжки між положеннями рівноваги атомів. Атоми виявляться над стійких положеннях, і кристалічна структура зруйнується.

У кристалічному багатограннику можна знайти різні поєднання елементів симетрії – в одних мало, в інших багато. По симетрії, насамперед осям симетрії, кристали діляться втричі категорії.

До вищої категорії належать найсиметричніші кристали, у них може бути кілька осей симетрії порядків 2, 3 і 4, немає осей 6-го порядку, можуть бути площини та центри симетрії. До таких форм відносяться куб, октаедр, тетраедр та ін. Їм усім властива спільна риса: вони приблизно однакові на всі боки.

У кристалів середньої категорії можуть бути осі 3, 4 та 6 порядків, але тільки по одній. Осей 2 порядку може бути декілька, можливі площини симетрії та центри симетрії. Форми цих кристалів: призми, піраміди та ін. Загальна характеристика: різке різницю вздовж і впоперек головної осі симетрії.

З кристалів до вищої категорії належать: алмаз, кварци, германій, кремній, мідь, алюміній, золото, срібло, сіре олово, вольфрам, залізо. До середньої категорії: графіт, рубін, кварц, цинк, магній, біле олово, турмалін, берил. До нижчої: ​​гіпс, слюда, мідний купорос, сегнетова сіль та ін. Звичайно в цьому списку не були перераховані всі існуючі кристали, а лише найвідоміші з них.

Категорії у свою чергу поділяються на сім сингоній. У перекладі з грецької "сингонія" означає "подібновугілля". У сингонію поєднуються кристали з однаковими осями симетрії, отже, з подібними кутами поворотів у структурі.

Фізичні властивості кристалів найчастіше залежать від їх структури та хімічної будови.

Спочатку варто згадати дві основні властивості кристалів. Одним із них є анізотропія. Під цим терміном мається на увазі зміна властивостей залежно від напряму. Разом про те кристали є тілами однорідними. Однорідність кристалічної речовини полягає в тому, що дві її ділянки однакової форми та однакового орієнтування однакові за властивостями.

Поговоримо спочатку про електричні властивості. В принципі електричні властивості кристалів можна розглядати на прикладі металів, оскільки метали, в одному зі станів, можуть являти собою кристалічні агрегати. Електрони, вільно пересуваючись у металі, що неспроможні вийти назовні, при цьому потрібно витратити енергію. Якщо при цьому витрачається промениста енергія, ефект відриву електрона викликає так званий фотоелектричний ефект. Аналогічний ефект спостерігається й у монокристалах. Вирваний з молекулярної орбіти електрон, залишаючись усередині кристала, зумовлює останнього металеву провідність (внутрішній фотоелектричний ефект). У нормальних умовах (без опромінення) такі з'єднання є провідниками електричного струму.

Поведінкою світлових хвиль у кристалах займався Еге. Бертолін, який зауважив, що хвилі поводяться нестандартно під час проходження через кристал. Якось Берталін замальовував двогранні кути ісландського шпату, потім він поклав кристал на креслення, тоді вчений уперше побачив, що кожна лінія роздвоюється. Він кілька разів переконався, що це кристали шпату роздвоюють світло, лише тоді Берталін написав трактат " Досвіди з двупреломляющим ісландським кристалом, які призвели до відкриття чудового і незвичайного заломлення " (1669г.). Вчений розіслав результати своїх дослідів у декілька країн окремим вченим та академіям. Роботи було прийнято з повною недовірою. Англійська Академія наук виділила групу вчених на перевірку цього закону (Ньютон, Бойль, Гук та ін.). Ця авторитетна комісія визнала явище випадковим, а закон неіснуючим. Про результати дослідів Берталіна було забуто.

Лише через 20 років Християн Гюйгенс підтвердив правильність відкриття Берталіна і відкрив двозаломлення в кварці. Багато вчених, які згодом займалися цією властивістю підтвердили, що не тільки ісландський шпат, а й багато інших кристалів роздвоюють світло.

...

Подібні документи

Структура кристалів. Роль, предмет та завдання фізики твердого тіла. Кристалічні та аморфні тіла. Типи кристалічних ґрат. Типи зв'язків у кристалах. Кристалічні структури твердих тіл. Рідкі кристали. Дефекти кристалів.

лекція, доданий 13.03.2007


Поняття та основні риси конденсованого стану речовини, характерні процеси. Кристалічні та аморфні тіла. Сутність та особливості анізотропії кристалів. Відмінні риси полікристалів та полімерів. Теплові властивості та структура кристалів.

курс лекцій, доданий 21.02.2009


Загальні властивості твердого тіла, його стану. Локалізовані та ділокалізовані стани твердого тіла, відмінні риси. Сутність, види хімічного зв'язку у твердих тілах. Локальний та нелокальний опис у неспотворених ґратах. Точкові дефекти.

навчальний посібник, доданий 21.02.2009


Кристали – реальні тверді тіла. Термодинаміка точкових дефектів у кристалах, їх міграція, джерела та стоки. Дослідження дислокації, лінійного дефекту кристалічної структури твердих тіл. Двовимірні та тривимірні дефекти. Аморфні тверді тіла.

доповідь, доданий 07.01.2015


Фізика твердого тіла – один із стовпів, на яких лежить сучасне технологічне суспільство. Фізична будова твердих тіл. Симетрія та класифікація кристалів. Особливості деформації та напруги. Дефекти кристалів; способи підвищення міцності.

презентація , додано 12.02.2010


Додавання елементів симетрії дисконтинууму. Послідовне відображення у двох паралельних площинах симетрії. Сума площини симетрії та перпендикулярної до неї трансляції. Характеристика дії трансляційного вектора на перпендикулярні осі.

презентація , доданий 23.09.2013


Кристалічний та аморфний стан твердих тіл, причини точкових та лінійних дефектів. Зародження та зростання кристалів. Штучне отримання дорогоцінного каміння, тверді розчини і рідкі кристали. Оптичні властивості рідких холестеричних кристалів.

реферат, доданий 26.04.2010


Фотоелектричні властивості неоднорідних напівпровідникових зразків. Енергетична структура омічного контакту у присутності нерівномірно розподілених електронних пасток. Фотоелектричні властивості кристалів, оброблених у газовому розряді.

дипломна робота , доданий 18.03.2008


Дефекти реальних кристалів, принцип біполярних транзисторів. Спотворення кристалічних ґрат у твердих розчинах застосування та заміщення. Поверхневі явища у напівпровідниках. Параметри транзистора та коефіцієнт передачі струму емітера.

контрольна робота , доданий 22.10.2009


Водневий зв'язок у воді, її основні критерії. Аномальні властивості води. Поняття про електроліз та електроліти. Електрокристалізація та її закономірності. Динаміка сітки водневих зв'язків при електрокристалізації води. Кристалічні та аморфні льоди.

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

Кожен може легко поділити тіла на тверді та рідкі. Однак цей поділ буде лише за зовнішніми ознаками. Для того щоб з'ясувати, які ж властивості мають тверді тіла, будемо їх нагрівати. Одні тіла почнуть горіти (дерево, вугілля) – це органічні речовини. Інші розм'якшатимуться (смола) навіть при невисоких температурах - це аморфні. Особливу групу твердих тіл становлять такі, котрим залежність температури від часу нагрівання представлено малюнку 12. Це і є кристалічні тіла. Така поведінка кристалічних тіл при нагріванні пояснюється їхньою внутрішньою будовою. Кристалічні тіла- це такі тіла, атоми та молекули яких розташовані у певному порядку, і цей порядок зберігається на досить великій відстані. Просторове періодичне розташування атомів або іонів у кристалі називають кристалічною решіткою. Точки кристалічних ґрат, у яких розташовані атоми або іони, називають вузлами кристалічних ґрат.

Кристалічні тіла бувають монокристалами та полікристалами. Монокристалмає єдині кристалічні грати у всьому обсязі.

Анізотропіямонокристалів залежить від їх фізичних властивостей від напрямку. Полікристалявляє собою з'єднання дрібних, по-різному орієнтованих монокристалів (зерен) і не має анізотропію властивостей. Більшість твердих тіл мають полікристалічну будову (мінерали, метали, кераміка).

Основними властивостями кристалічних тіл є: визначеність температури плавлення, пружність, міцність, залежність властивостей від порядку розташування атомів, тобто від типу кристалічних ґрат.

Аморфниминазивають речовини, у яких відсутній порядок розташування атомів і молекул по всьому об'єму цієї речовини. На відміну від кристалічних речовин, аморфні речовини ізотропні. Це означає, що властивості однакові в усіх напрямках. Перехід з аморфного стану рідке відбувається поступово, відсутня певна температура плавлення. Аморфні тіла не мають пружності, вони пластичні. В аморфному стані знаходяться різні речовини: скла, смоли, пластмаси тощо.

Пружність- властивість тіл відновлювати свою форму та обсяг після припинення дії зовнішніх сил чи інших причин, що спричинили деформацію тіл. За характером усунення частинок твердого тіла, що відбуваються при зміні його форми, деформації діляться на: розтягування - стиск, зсув, кручення і вигин. Для пружних деформацій справедливий закон Гук, згідно з яким пружні деформації прямо пропорційні зовнішнім впливам, що викликають їх. Для деформації розтягування - стиснення закону Гука має вигляд: , де - механічна напруга, - відносне подовження, - абсолютне подовження, - модуль Юнга (модуль пружності). Пружність обумовлена ​​взаємодією та тепловим рухом частинок, з яких складається речовина.

Залежно від фізичних властивостей та молекулярної структури виділяють два основні класи твердих тіл – кристалічні та аморфні.

Визначення 1

Аморфні тіла мають таку рису, як ізотропність. Це означає, що вони щодо незалежні від оптичних, механічних та інших фізичних властивостей і напрями, у якому ними впливають зовнішні сили.

Основна риса афморних тіл - хаотичне розташування атомів і молекул, які збираються лише в невеликі локальні групи, не більше ніж по кілька частинок у кожній.

Ця властивість зближує аморфні тіла із рідинами. До таких твердих тіл відносяться бурштин та інші тверді смоли, різні види пластику та скло. Під впливом високих температур аморфні тіла розм'якшуються, проте для їхнього переведення в рідину необхідні сильні дії тепла.

Усі кристалічні тіла мають чітку внутрішню структуру. Групи частинок в тому самому порядку періодично повторюються у всьому обсязі такого тіла. Щоб наочно уявити таку структуру, зазвичай використовують просторові кристалічні грати. Вони складаються з певної кількості вузлів, які утворюють центри молекул чи атомів конкретної речовини. Зазвичай такі грати побудована з іонів, що входять до складу необхідних молекул. Так, у кухонній солі внутрішня структура складається з іонів натрію та хлору, попарно об'єднаних у молекули. Подібні кристалічні тіла називаються іонними.

Малюнок 3 . 6 . 1 . Кристалічні грати кухонної солі.

Визначення 2

У структурі кожної речовини можна виділити одну мінімальну складову – елементарний осередок.

Вся решітка, з якої складається кристалічне тіло, може бути складена шляхом трансляції (паралельного перенесення) такого осередку у певних напрямках.

Число видів кристалічних ґрат не нескінченне. Усього налічується 230 видів, більшість яких створено штучним шляхом або знайдено у природних матеріалах. Структурні грати можуть набувати форм об'ємно центрованих кубів (наприклад, у заліза), гранецентрованих кубів (у золота, міді), призми з шістьма гранями (магній, цинк).

У свою чергу кристалічні тіла поділяються на полікристали та монокристали. Більшість речовин відносяться до полікристалів, т.к. вони складаються з про кристаллітів. Це маленькі кристали, що зрослися між собою та орієнтовані хаотично. Монокристалічні речовини зустрічаються порівняно рідко, навіть серед штучних матеріалів.

Визначення 3

Полікристали мають властивість ізотропності, тобто однакові властивості у всіх напрямках.

Полікристалічна структура тіла добре видно під мікроскопом, а деякі матеріали, наприклад, чавуну, і неозброєним поглядом.

Визначення 4

Поліморфізм– це можливість речовини існувати у кількох фазах, тобто. кристалічних модифікаціях, що відрізняються один від одного фізичними властивостями.

Процес переходу в іншу модифікацію отримав назву поліфморного переходу.

Прикладом такого явища може бути перетворення графіту на алмаз, який у промислових умовах відбувається при високому тиску (до 100 000 атмосфер) та високих температурах
(До 2000 До).

Щоб вивчити структуру кристалічних ґрат монокристала або полікристалічного зразка, використовується дифракція рентгенівського випромінювання.

Прості кристалічні грати показані малюнку нижче. Необхідно враховувати, що відстань між частинками така мала, що можна порівняти з розмірами самих цих частинок. Для наочності на схемах показані лише положення центрів.

Малюнок 3 . 6 . 2 . Прості кристалічні решітки: 1 – прості кубічні грати; 2 – гранецентровані кубічні грати; 3 – об'ємноцентровані кубічні грати; 4 – гексагональні грати.

Найбільш простим є кубічні грати: така структура складається з кубів з частинками у вершинах. Гранецентровані грати мають частинки у вершинах, а й у гранях. Наприклад, кристалічна решітка кухонної солі являє собою дві гранецентровані грати, вкладені одна в одну. Об'ємноцентровані грати мають додаткові частинки в центрі кожного куба.

Решітки металів мають одну важливу рису. Іони речовини утримуються на місцях завдяки взаємодії з газом вільних електронів. Так званий електронний газ утворюється за рахунок одного або кількох електронів, що віддаються атомами. Такі вільні електрони можуть переміщатись по всьому об'єму кристала.

Малюнок 3 . 6 . 3 . Структура металевих кристалів.

Якщо ви помітили помилку в тексті, будь ласка, виділіть її та натисніть Ctrl+Enter

Як рідини, так і форму. Вони перебувають переважно у кристалічному стані.
Кристали- це тверді тіла, атоми чи молекули яких займають певні, упорядковані становища у просторі. Тому кристали мають пласкі грані. Наприклад, крупинка звичайної кухонної солі має плоскі грані, що становлять один з одним прямі кути ( рис.12.1).

Це можна побачити, розглядаючи сіль за допомогою лупи. А як геометрично правильна форма сніжинки! У ній також відбито геометричну правильність внутрішньої будови кристалічного твердого тіла - льоду ( рис.12.2).

Анізотропія кристалів. Проте правильна зовнішня форма не єдине і навіть найголовніше наслідок впорядкованого будови кристала. Головне це залежність фізичних властивостей кристала від обраного кристалі напрями.
Насамперед впадає у вічі різна механічна міцність кристалів у різних напрямах. Наприклад, шматок слюди легко розшаровується в одному з напрямків на тонкі платівки ( рис.12.3), але розірвати його у напрямі, перпендикулярному платівкам, набагато важче.

Так само легко розшаровується в одному напрямку кристал графіту. Коли ви пишете олівцем, таке розшарування відбувається безперервно, і тонкі шари графіту залишаються на папері. Це відбувається тому, що кристалічні грати графіту мають шарувату структуру. Шари утворені поруч паралельних сіток, що складаються з атомів вуглецю ( рис.12.4). Атоми розташовуються у вершинах правильних шестикутників. Відстань між шарами порівняно велика - приблизно 2 разу більше, ніж довжина боку шестикутника, тому зв'язки між шарами менш міцні, ніж всередині них.

Багато кристалів по-різному проводять тепло та електричний струм у різних напрямках. Від напрямку залежить і оптичні властивості кристалів. Так, кристал кварцу по-різному заломлює світло в залежності від напрямку падаючих на нього променів.
Залежність фізичних властивостей від напрямку всередині кристала називають анізотропією. Усі кристалічні тіла анізотропні.
Монокристали та полікристали.Кристалічну структуру мають метали. Саме метали переважно використовуються в даний час для виготовлення знарядь праці, різних машин та механізмів.
Якщо взяти порівняно великий шматок металу, то, на перший погляд, його кристалічна будова ніяк не проявляється ні в зовнішньому вигляді цього шматка, ні в його фізичних властивостях. Метали у звичайному стані не виявляють анізотропії.
Справа тут у тому, що зазвичай метал складається з величезної кількості маленьких кристаликів, що зрослися один з одним. Під мікроскопом або навіть за допомогою лупи їх неважко розглянути, особливо на свіжому зламі металу ( рис.12.5). Властивості кожного кристала залежать від напрямку, але кристали орієнтовані по відношенню один до одного безладно. В результаті в обсязі, що значно перевищує обсяг окремих кристаликів, всі напрямки всередині металів рівноправні та властивості металів однакові за всіма напрямками.

Тверде тіло, що складається з великої кількості маленьких кристаликів, називають полікристалічним. Поодинокі кристали називають монокристалами.
Дотримуючись великих пересторог, можна виростити металевий кристал великих розмірів - монокристал.
У звичайних умовах полікристалічне тіло утворюється в результаті того, що зростання багатьох кристалів, що почалося, триває доти, поки вони не приходять в зіткнення один з одним, утворюючи єдине тіло.
До полікристалів належать не лише метали. Шматок цукру, наприклад, також має полікристалічну структуру.
Більшість кристалічних тіл - полікристали, оскільки вони складаються з безлічі кристалів, що зрослися. Поодинокі кристали - монокристали мають правильну геометричну форму, та його властивості різні за різними напрямами (анізотропія).

???
1. Чи всі кристалічні тіла анізотропні?
2. Деревина анізотропна. Чи є вона кристалічним тілом?
3. Наведіть приклади монокристалічних та полікристалічних тіл, не згаданих у тексті.

Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотський, Фізика 10 клас

Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні урокикалендарний план на рік методичні рекомендації програми обговорення Інтегровані уроки

Якщо у вас є виправлення або пропозиції до цього уроку,