Концепція сучасного природознавства на тему симетрія кристалів

Геологія

Міністерство освіти Російської Федерації

ТВЕРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РЕФЕРАТ

ПО ПРЕДМЕТУ КОНЦЕПЦІЯ сучасного природознавства
НА ТЕМУ «Симетрія Кристал»

Виконала студентка: ЧАЙКА В.А.

Економічного факультету

Проверила: МАМАГУЛАШВІЛІ С.Б.

ТВЕРЬ2002

I. Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 2

II. Основна частина ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .2-20

1.Що таке кристал ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .3-4

2. Монокристали і кристалічні агрегати ... ... ... ..... 4-5

3.Сімметрія в кристалах ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5-8

4.Форма кристалів ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .8-10

5. Закон сталості двогранні кутів. Відхилення від закону ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 11-14

9. Чи є безлад в кристалі? ... ... ... ... ... ... ... ... ... 14-17

10. Про деякі властивості кристалів .. ... ... ... ... ... ... .. 17-18

14. Про міцність кристалів ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 18-20

III. Висновок ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 20-21

IV.Спісок використовуваної літератури ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 22

Введення.

Кристали одні з найкрасивіших і загадкових творінь природи. Уданий час вивченням різноманіття кристалів займається наукакристалографія. Вона виявляє ознаки єдності в цьому різноманітті,досліджує властивості і будова як поодиноких кристалів, так ікристалічних агрегатів. Кристалографія є наукою, всебічновивчає кристалічна речовина. Дана робота також присвяченакристалів і їх властивостями.

У давні часи вважалося, що кристали являють собоюрідкість. Дійсно, знаходження в природі великих однорідних кристалів
- Явище рідкісне. Однак дрібнокристалічних речовини зустрічаються доситьчасто. Так, наприклад, майже всі гірські породи: граніт, пісковики вапняк
- Кристалічності. У міру вдосконалення методів дослідженнякристалічності виявилися речовини, до цього вважалися аморфними. Заразми знаємо, що навіть деякі частини організму кристалічності, наприклад,рогівка очі.

В даний час кристали мають велике поширення в науці ітехніки, оскільки володіють особливими властивостями. Такі галузі використаннякристалів, як напівпровідники, надпровідники, пьезо-і сегнетоелектрики,квантова електроніка та багато інших вимагають глибокого розуміннязалежності фізичних властивостей кристалів від їх хімічного складу табудови.

В даний час відомі способи штучного вирощуваннякристалів. Кристал можна виростити в звичайному склянці, для цьогопотрібно лише певний розчин і акуратність з якою необхіднодоглядати за зростаючим кристалом.

Що таке кристал.

У шкільних підручниках кристалами зазвичай називають тверді тіла,що утворюються в природних або лабораторних умовах і мають виглядбагатогранників, які нагадують самі непогрішною строгі геометричніпобудови. Поверхня таких фігур обмежена більш-менш досконалимиплощинами-гранями, що перетинаються по прямих лініях-ребрах. Точкиперетину ребер утворюють вершини. Відразу ж слід застерегти, щонаведене вище визначення вимагає суттєвих поправок. Згадаймо,наприклад, всім відому гірську породу кордонів, що складається із зерен польовогошпату, слюди та кварцу. Всі ці зерна є кристалами, проте, їхзвивисті зерна не зберегли колишньої прямолінійності і плоскогранності, аотже не підходять до вищезазначеного опису. Одночасне зростаннявсіх складових граніт кристалів, що заважали один одному розвиватися, іпризвів до того, що окремі кристали не змогли отримати властиву їмправильну багатогранну форму. Отже, для утворення правильно ограненихкристалів необхідно, щоб ніщо не заважало їм вільно розвиватися, нетіснили б їх і не перешкоджало їх росту.

Кристалів в природі існує велика кількість і так само багатоіснує різних форм кристалів. У реальності, практично неможливонавести визначення, яке підходило б до всіх кристалів. Тут надопомогу можна залучити результати рентгенівського аналізу кристалів.
Рентгенівські промені дають можливість як би намацати атоми всерединікристалічного тіла і визначає їх просторове розташування. Урезультаті було встановлено, що рішуче всі кристали побудовані зелементарних частинок, розташованих в строгому порядку всерединікристалічного тіла.

Упорядкованість розташування таких частинок і відрізняє кристалічнастан від некристалічних, де ступінь впорядкованості частинокнезначна.

У всіх без винятку кристалічних будівлях з атомів можнавиділити багато однакових атомів, розташованих на зразок вузлівпросторової решітки. Щоб уявити такі грати, в думкахзаповнимо простір безліччю рівних паралелепіпедів, паралельноорієнтованих і стикаються з цілим гранях. Найпростіший приклад такоїспоруди є кладка з однакових цеглинок. Якщо всерединіцеглинок виділити відповідні точки, наприклад, їх центри чи вершини,то ми і отримаємо модель просторової решітки. Для всіх без виняткукристалічних тел характерно гратчасте будову.

Ось тепер ми підійшли до можливості дати загальне визначення длякристалів. Отже, кристалами називаються «всі тверді тіла, в якихщо складають їх частинки (атоми, іони, молекули) розташовані строго закономірнозразок вузлів просторових решіток »[4]. Це визначення ємаксимально наближеним до істини, воно підходить до будь-яких одноріднимкристалічним тіл: і булям (форма кристалу, в якого немає ні граней,ні ребер, ні виступаючих вершин), і зерно, і плоскогранним фігур)

Монокристали і кристалічні агрегати.

На відміну від інших агрегатних станів, кристалічний станрізноманітне. Одні й ті ж за складом молекули можуть бути упаковані вкристалах різними способами. Від способу ж упаковки залежать фізичні тахімічні властивості речовини. Таким чином одні й ті ж за хімічнимскладу речовини насправді часто володіють різними фізичнимвластивостями. Для рідкого стану таке різноманіття не характерно, а длягазоподібного-неможливо.

Якщо взяти, наприклад, звичайну кухонну сіль, то легко побачити навітьбез мікроскопа окремі кристали.

Кожен кристалик є речовина NaCl, але водночас він має рисиіндивідуума. Він може бути великим чи малим кубічним або прямокутно -параллелепіпедальним, по-різному огранованим і т.д.

У рідини не можна побачити окремі індивідууми-крапельки, вкристалічному ж речовині вони видимі.

Якщо ми хочемо підкреслити, що маємо справу з поодиноким, окремимкристалом, то називаємо його монокристалів, щоб підкреслити що мова йдепро скупчення багатьох кристалів, використовується термін кристалічний агрегат.
Якщо у кристалічному агрегаті окремі кристали майже не ограновані, цеможе пояснюється тим, що кристалізація почалася одночасно в багатьохточках речовини і швидкість її була досить висока. Зростаючі кристалиє перешкодою один одному і заважають правильному огранених кожного зних.

У даній роботі мова піде в основному про монокристалах, а так яквони є складовими частинами кристалічних агрегатів, то їх властивостібудуть схожі з властивостями агрегатів.

Симетрія в кристалах.

Розглядаючи різні кристали ми бачимо, що всі вони різні за формою, алебудь-який з них представляє симетричне тіло. І дійсно симетричністьце одне з основних властивостей кристалів. До поняття про симетрії ми звиклиз дитинства. Симетричними ми називаємо тіла, які складаються з рівниходнакових частин. Найбільш відомими елементами симетрії для насє площину симетрії (дзеркальне відображення), вісь симетрії
(поворот навколо осі, перпендикулярної до площині). За куті поворотурозрізняють порядок осі симетрії, поворот на 180о - вісь симетрії 2-огопорядку, 120о - 3-го порядку і так далі. Є і ще оди елементсиметрії - центр симетрії.

Уявіть собі дзеркало, але не велике, а точкове: крапку в якій всівідображається як в дзеркалі. Ось ця точка і є центр симетрії. При такомувідображенні відображення повертається не тільки справа наліво, а й з особина зворотний бік.

Всі кристали симетричні. Це означає, що в кожному кристалічномубагатогранники можна знайти площині симетрії, осі симетрії, центрисиметрії та інші елементи симетрії так, щоб поєдналися один з однимоднакові частини багатогранника. Введемо ще одне поняття пов'язані зсиметрії полярності. Уявімо конус і циліндр, в обох об'єктів є поодній осі симетрії нескінченного порядку, але вони розрізняються полярністю,у конуса ось полярна (уявімо центральну вісь у вигляді стрілочки,вказує до вершини), а у циліндра ось неполярні.

Поговоримо про види симетрії в кристалі. Перш за все в кристалахможуть бути осі симетрії тільки 1, 2, 3, 4 і 6 порядків. Уявімоплощину, яку треба повністю покрити семи-, восьсмі-,девятіугольнікамі і т.д., так щоб між фігурами не залишалосяпростору, це не вийде, п'ятикутника покрити площину так самоне можна. Очевидно, осі симетрії 5, 7-го і вище порядків не можливі, томущо за такої структури атомні ряди і сітки не заповнять простірбезперервно, виникнуть порожнечі, проміжки між положеннями рівновагиатомів. Атоми виявляться не в самих стійких положеннях і кристалічнаструктура зруйнується.

У кристалічному багатогранники можна знайти різні поєднанняелементів симетрії - в одних мало, в інших багато. За симетрії, першвсього по осях симетрії, кристали діляться на три категорії.

До вищої категорії належать найбільш симетричні кристали, у нихможе бути кілька осей симетрії порядків 2,3 і 4, немає осей 6-гопорядку, можуть бути площині та центри симетрії. До таких форм належатькуб, октаедр, тетраедр та ін

Їм усім притаманна спільна риса: вони приблизно однакові на всі боки.

У кристалів середньої категорії можуть бути осі 3, 4 і 6 порядків, алетільки по одній. Осей 2 порядку може бути кілька, можливі площинісиметрії та центри симетрії. Форми цих кристалів: призми, піраміди і ін
Загальна риса: велика відмінність вздовж і поперек головної осі симетрії.

У кристалів нижчої категорії не може бути жодної осі симетрії 3
4 і 6 порядків, можуть бути тільки осі 2 порядку, площини або центрсиметрії. Структура даних кристалів найскладніша.

З кристалів до вищої категорії належать: алмаз, галун, гранатигерманій, кремній, мідь, алюміній, золото, срібло, сіре олово вольфрам,залізо; до середньої категорії - графіт, рубін, кварц, цинк, магній, білеолово, турмалін, берил; до нижчої - гіпс, слюда, мідний купорос, сегнетоваясіль та ін Звичайно в цьому списку не були перераховані всі існуючікристали, а лише найвідоміші з них. Категорія, до якоїналежить кристал характеризує його фізичний властивості.

Категорії в свою чергу поділяються на сім сингонія. У перекладі згрецького «сингонія» означає «сходноугольство». У сингонія об'єднуютьсякристали з однаковими осями симетрії, а значить, зі схожими кутамиповоротів у структурі. Класифікація кристалів за категоріями і сингоніянаведена в таблиці 1.

Площини і центр симетрії можуть бути в будь-якій сингонії. Всьогосингонія сім.

Кожен кристалічний багатогранник володіє певним наборомелементів симетрії. Повний набір всіх елементів симетрії, притаманнихданого кристалу називається класом симетрії. Скільки ж всього такихнаборів? Їх кількість обмежена. Математичним шляхом було доведено, щов кристалах існує 32 види симетрії.

Таб.1

Форма кристалів.

Вивчення зовнішньої форми кристалів почалося перш вивченнясиметрії, однак тільки після виведення 32 видів симетрії з'явилася надійнаоснова для створення геометричного вчення про зовнішній формі кристалів.
Основним його поняттям є поняття простої форми.

«Простий формою називається багатогранник, який може бути отриманий зоднієї грані за допомогою елементів симетрії (осі, площини і центрусиметрії) »[4].

Прості форми можуть бути загальними і приватними залежно від того,як розташована початкова межа по відношенню до елементів симетрії. Якщо вонарозташована косо, то проста форма отримана з неї буде спільною. Якщо жвихідна форма розташована паралельно або перпендикулярно до елементівсиметрії, то виходить приватна проста форма.

Прості форми так само можуть бути закритими і відкритими.

Закрита форма може одна утворити кристалічний багатогранник, втой час як одна відкрита проста форма замкнутого багатогранникаутворити не може.

Кожна грань кристалу представляє собою площину, на якійрозташовуються атоми. Коли кристал росте всі грані пересуваютьсяпаралельно самі собі, тому що на них відкладаються все нові і нові шариатомів. З цієї причини, паралельно кожної грані в структурі кристалурозташовується величезна кількість атомних площин, які коли-то впочаткових стадіях росту теж розташовувалися на гранях кристала, але впроцесі зростання опинилися всередині нього.

Ребра кристала є прямі, на яких атомирозташовуються в ряд. Таких рядів в кристалі теж величезна кількість, і вонирозташовуються паралельно дійсним ребрах кристала.

Кристалічний багатогранник зазвичай є комбінацієюдекількох простих форм, грані (або ребра) яких є дійснимигранями (ребрами). Грань, якої на даному кристалі немає, але яка можеопинитися на інших кристалах того ж речовини, називається можливоїгранню. Можливою гранню може бути площина, що проходить через двідійсних або можливих ребра кристала. Точно так само, якщо візьмемодва реальні межі, які на даному кристалічному багатогранники НЕперетинаються, то лінія, паралельна лінії їх перетину, буде можливимребром кристала.

Сукупність граней, що перетинаються в паралельних ребрах, називаєтьсяпоясом або зоною. А паралельна цим ребрах лінія називається віссю зони.

Необхідно згадати, що кристалографії був створений строгоматематичний виведення всіх можливих на світі кристалічних форм, і теперможна не тільки припустити, якою буде форма кристалу, а з великоюупевненістю розрахувати майбутню форму.

Протягом довгих років геометрія кристалів здавалася таємничою інерозв'язною загадкою. У 1619 великий німецький математик і астроном Йоган
Кеплер звернув увагу на шестерні симетрію сніжинок. Він спробувавпояснити її тим, що кристали побудовані з найдрібніших однакових кульок,найтіснішим чином приєднаних один до одного (навколо центрального кулькиможна в щільну розкласти тільки шість таких же кульок). По дорозінаміченим Кеплером пішли надалі Роберт Гук та М. В. Ломоносов. Вонитак само вважали, що елементарні частинки кристалів можна уподібнити щільноупакованим кульок. У наш час принцип дуже ретельним шарових упаковок лежитьв основі структурної кристалографії, тільки суцільні кульові частинкистаровинних авторів замінені зараз атомами та іонами.

Через 50 років після Кеплера датський геолог, кристалограф і анатом
Ніколас Стенон вперше сформулював основні поняття про формуваннякристалів: "Зростання кристала відбувається не зсередини, як у рослин, але шляхомнакладення на зовнішні площини крісталламельчайшіх частинок, що приносятьззовні деякої рідиною ". Ця ідея про зростання кристалів в результатівідкладення на гранях все нових і нових шарів речовини зберегла своєзначення і до цих пір.

Дуже часто кристали одного і того ж речовини зростаються один зіншому закономірним чином, утворюючи так званий двійник. При цьомузвичайно виникають додаткові елементи симетрії, що називаються в даномувипадку двойніковие елементи симетрії. ?? кщо сросток складається з багатьохкристалів, закономірно чергуються один з одним, то він називаєтьсяполісінтетіческім двійником. Двойніковие кристали є дужепоширеним явищем в природі. Багато речовин, що отримуються влабораторії, також часто мають двійники як прості, так іполісінтетіческіе.

Закон сталості двухгранних кутів. Відхилення від закону.

Симетричність кристалів завжди привертала увагу вчених. Вже в 79р. нашого літочислення Пліній Старший згадує про плоскогранності іпрямобедренності кристалів. Цей висновок і може вважається першим узагальненнямгеометричній кристалографії. З тих пір протягом багатьох столітьдосить повільно і поступово накопичувався матеріал, що дозволив наприкінці
XVIII ст. відкрити найважливіший закон геометричної кристалографії-законсталості двогранні кутів. Цей закон зв'язується зазвичай з ім'ямфранцузького вченого Роме де Ліля, який у 1783р. опублікував монографію,що містить багатий матеріал з вимірювання кутів природних кристалів. Длякожного речовини (мінералу), вивченого ним, виявилося справедливимположення, що кути між відповідними гранями у всіх кристалаходного і того ж речовини є постійними.

Не слід думати, що до Роме де Ліля ніхто з учених не займавсяданою проблемою. Історія відкриття закону сталості кутів пройшлавеличезний, майже двовікової шлях, перш ніж цей закон був виразносформульовано й узагальнено для всіх кристалічних речовин. Так, наприклад, І.
Кеплер вже в 1615г. вказував на збереження кутів у 60о між окремимипромінчиками у сніжинок. У 1669 р. М. Стенон відкрив закон сталості кутів укристалах кварцу і гематиту. Уважно розглядаючи реальні кристаликварцу, Стенон також звернув увагу на їх відхилення від ідеальнихгеометричних багатогранників з плоскими гранями і прямими ребрами. У своємутрактаті він вперше ввів у науку реальний кристал з його недосконалостями івідхиленнями від ідеалізованих схем. Однак всі ці відхилення незавадили вченому відкрити на тих же кристалах кварцу основний законгеометричній кристалографії. Однак написав він про це дуже коротко впоясненнях до малюнків, доданим до його твору, тому честьназиватися автором закону дісталася Лілю.

Роком пізніше Стенона Е. Бартоліні зробив той самий висновок стосовнокристалам кальциту, а в 1695 р. Левенгук - до кристалів гіпсу. Він показав,що і у мікроскопічно малих і у великих кристалів гіпсу кути міжвідповідними гранями однакові. У Росії закон сталості кутів бувотурит М. В. Ломоносовим для кристалів селітри (1749г.) піриту, алмаза ідеяких інших мінералів. Однак повернемося до визначення даного Лілем. Уйого версії закон сталості кутів звучить наступним чином: "Гранікристала можуть змінюватись за своєю формою та відносним розмірами, але їхвзаємні нахили постійні і незмінні для кожного роду кристалів. "

Отже, всі кристали володіють тією властивістю, що кути міжвідповідними гранями постійні. Грані в окремих кристалів можуть бутирозвинені по-різному: грані, що спостерігаються на одних примірниках, можутьвідсутнім на інших - але якщо ми будемо вимірювати кути міжвідповідними гранями, то значення цих кутів залишатимутьсяпостійними незалежно від форми кристала.

Однак, у міру вдосконалення методики і підвищення точностівимірювання кристалів з'ясувалося, що закон сталості кутів виправдовуєтьсялише приблизно. В одному і тому ж кристалі кути між однаковими затипу гранями трохи відрізняються один від одного. У багатьох речовин відхиленнядвухгранних кутів між відповідними гранями досягає 10 -20 ', а вдеяких випадках і градуси.

Грані реального кристала ніколи не представляють собою ідеальнихплоских поверхонь. Нерідко вони бувають вкриті ямками або горбикамизростання, в деяких випадках межі представляють собою криві поверхні,наприклад у кристалів алмазу. Іноді помічаються на гранях плоскі ділянки,положення яких злегка відхилено від площини самої межі, на якій вонирозвиваються. Ці ділянки називаються в кристалографії віцінальнимі гранями
, Або просто віціналямі. Віціналі можуть займати велику частину площининормальної межі, а іноді навіть повністю замінити останню.

Іноді на гранях спостерігаються сходинки мають форму пандуса.

Таким чином можна говорити про скульптуру граней, що є причиноювідхилення від рівності двогранні кутів. Вивченням різних болячокзаймається розділ кристалографії - Морфологія зовнішньої форми кристалів.

Спостерігаються, звичайно, і більш закономірні зміни двограннікутів, наприклад залежність від температури. У таблиці 2 наведені значеннякутів між гранями кварцу при різній температурі.

Таб.2

| T, oC | Кут | T, oC | Кут |
| -166 | 128o11'54''| 300 | 128o16'12 "|
| 0 | 128o12'51 "| 400 | 128o17'54" |
| 21 | 128o13'12 "| 500 | 128o20'12" |
| 100 | 128o13'36 "| 550 | 128o22'00" |
| 200 | 128o14'54 "| 575 | 128o23'18" |

У висновку розділу про головне геометричному законі кристалографіїнеобхідно сказати про випадки різкої зміни кутів кристалів., якевиникає при поліморфних перетворення речовини (освіта данимиречовиною різні за симетрії і формі кристали), явище, відкритому пізнішеформулювання закону сталості кутів. Одна і та ж речовина приполіморфно перетворенні стрибком змінює свої властивості. Наприклад, перехідромбічної сірки в Моноклінна супроводжується збільшенням питомої обсягуна 0.014 сантиметра на грам і термічним ефектом в 3.12 калорій награм. Ще різкіше змінює свої властивості кристалічний вуглець при переходіалмазу в графіт. Щільність алмазу 3.5, графіту 2.2; твердість алмазу 10,графіту 1 і т.д.

при поліморфних перетворенні поряд із стрибкоподібним зміноюфізичних властивостей, стрибком змінюється і зовнішня форма кристалів,

13 при цьому сукупність двогранні кутів однієї модифікації може зовсімне відповідати сукупність двогранні кутів інший.

З огляду на все вищесказане, можна так сформулювати законсталості кутів: «У всіх кристалах, що належать до однієї поліморфноїмодифікації даної речовини, при однакових умовах кути міжвідповідними гранями (і ребрами) постійні. »

Чи є безлад в кристалі?

Після відкриття дифракції рентгенівських променів у кристалах і народженнярентгеноструктурного аналізу не стало сумнівів у тому, що в кристалахчастинки розташовані правильним тривимірним ладом. Уже в перші десятиліттяпісля 1812 р. були розшифровані структури майже всіх відомихкристалічних речовин, виміряні междуатомние відстані, визначені силизв'язку між частинками.

Структурщікі як би розставили атоми з їх слів у гратах івизначили сили взаємодії між атомами. З'явилася можливістьобчислювати величини фізичних властивостей на основі структури кристалів.
Теоретично розрахунки добре збігалися з даними дослідів. Анізотропія
(різниця властивостей в залежності від обраного напрямку) фізичнихвластивостей кристалів знайшла своє пояснення в законах кристалічногобудови.

Струнка схема законів атомної будови могла пояснити багатофізичні властивості кристалів. Вона була логічна, зрозуміла і здаваласянепорушною. Але безсила виявилася вона в двох областях: у фізиціпластичності і міцності і в науці про зростання кристалів.

Почалося все зі спорів про міцність кристалів і про їх механічноїдеформації.

Що ж таке деформація твердого тіла? Будь-яке тверде тілодеформується таким чином: спочатку, при невеликому зусиллі, деформаціяйде твердою, потім починається деформація пластична.

Пружно-це означає, що після того, як зовнішня сила прибрана, тілоповністю відновить свою початкову форму, усі сліди деформації зникнуть. Пластично - це означає, щозміни залишаться.

Так само, як правило, деформується поликристалл, якщо він взагаліздатний деформуватися.

Але монокристалл і тут веде себе особливо, через свою анізотропії.
Навіть і при пружної деформації кристал далеко не завжди деформується так,як ви хочете. Ви його стискаєте, а він зсувається в бік; хочете зрушити,а він не тільки зсувається, але і розтягується. Якщо ж ви доводитедеформацію до пластичної, то кристал взагалі починає проявляти «свійхарактер ». І з цим треба рахуватися, якщо ви хочете деформувати кристал.

Пластична деформація кристалів найчастіше відбувається шляхомковзання: окремі шари кристала зісковзують паралельно один одному,як карти в колоді. Це не окремі атомні шари, а «пачки» атомних шарівпаралельних один одному.

Пластичне ковзання відбувається аж ніяк не в тому напрямі, вякому прикладена сила, а тільки по певних площинах і впевних напрямках, заданих структурою кристала. Зазвичай це тіплощині, в яких атоми упаковані щільніше всього. Воно й зрозуміло: якщоатомна площину ковзає паралельно самій собі, то рух її легшейде там, де відстань між атомами саме маленьке, коротше всьогоперехід від одного атома, до іншого такого ж.

Звичайно і анізотропія деформації, і вибір площин ковзаннявизначається структурою кристала.

Питання про міцність кристалів завжди викликав інтерес у вчених. Першимз учених розрахунки на міцність кристалів були зроблені в 1924 р. радянськимфізиком-теоретиком Я. І. Френкелем. Розрахунки міцності різнихкристалічних структур були зроблені, однак на практиці виявилося, щорозрахункова міцність кристала в тисячі разів більше реальної міцності.
Френкель зробив величезну послугу проблеми міцності кристалів,

розкривши кричуще протиріччя між теорією процесу ковзання ірезультатами експерименту

Уявіть собі, що споруджено струнке висотну будівлю, каркасякого складний із сталевих балок. Але одна з балок попалась бракована,надрізати, надломанная. Чим визначити міцність всього будинку? Звичайно її
«Слабким місцем» - надломленої балкою, з-за якої може початися зрушення іруйнування всієї споруди.

Ось такі слабкі місця, як виявилося, неминуче існують у кожномукристалі. Спочатку їх так і називали «слабкі місця» або «місцярозпушення », однак пізніше стали називати дислокаціями. Спочатку вчені лишеприпустили їх існування, потім переконалися на досвіді, а потім навчилисяуправляти.

Отже, дислокація - це порушення правильності розташування атомів вструктурі вздовж певної лінії.

Уявіть собі, що в серії паралельних площин грати один зплощин недобудована, не закінчена: це вже не площину, а півплощини.
Край такий обірваної площині утворює крайову дислокацію.

Достатньо розірвати одну зв'язок між атомами поруч з дислокацією - ідислокація (край обірваної площині) пересунеться на одне междуатомноевідстань, а зв'язок між атомами за нею відновиться. Розірветьсянаступна зв'язок - обірвана площину пересунеться далі на один крок.
Так, крок за кроком, переміщаючись шляхом почергового розриву по одній зв'язку,дислокація перейде через весь кристал. А в результаті атомна площинупереміститься на один междуатомний крок. Підсумком цього переміщення буде зсуводнієї половини кристала щодо іншої його половині, тобтопластичне ковзання.

Очевидно, кристал, в якому є дислокація, деформувати набагатолегше, ніж ідеально побудований кристал, - адже тут не треба розривативсі атомні зв'язку,

досить здійснювати роботу розриву послідовно по одному рядузв'язків.

Дане явище дуже яскраво можна прокоментувати за допомогою моделі
«Килима». Килим лежить на гладкому підлозі: переміщати такий килим за статтю, якщовін щільно прилягає до підлоги,-справа не з легких: площа дотику килима зпідлогою велика, килим важкий, і зусилля для його зміщення знадобляться чималі.
А от якщо поперек килима є вузька складка, уздовж якої килим відокремленийвід статі, перемістити килим можна істотно меншими зусиллями. Вони потрібнілише для того, щоб розгладити складку. Коли складка пройде через веськилим, він зміститься на ширину складки. Складка-це легкорухливий дефект усистемі «килим - підлога», так як в області складки килим не стикається зпідлогою.

Аналогічно килиму з складкою, один з тих атомних площинкристала, які орієнтовані перпендикулярно площині ковзання,обриваються на цій площині, повинна переміщатися легше інших.

Отже, чому ж реальна міцність кристалів виявилася набагатоменше теоретичної? Теоретичної міцністю володів би кристал, якбивін був побудований бездоганно, ідеально правильно. Насправді ж, вреальному кристалі завжди є відступи від порядку, порушеннярозташування атомів. Володіючи такими знаннями, людина навчилася видобувати зданого дефекту кристалів вигоду.

Про деякі властивості кристалів.

Фізичні властивості кристалів найчастіше залежать від їхньої структури йхімічної будови.

Спочатку варто згадати два основні властивості кристалів. Одним зних є анізотропія, про яку вже згадувалося вище. Під цимтерміном мається на увазі зміна властивостей в залежності від напрямку.
Так, наприклад, якщо вирізати з кристала кухонної солі в різнихнапрямках стрижні в поперечним перерізом 1мм2 і випробувати їх на розрив,

то виявиться, що вони мають різну міцність.

Разом з тим кристали є тілами однорідними . Однорідністькристалічного речовини полягає в тому, що два його ділянки однаковоїформи та однаковою орієнтування однакові за властивостями.

Поговоримо спочатку про електричні властивості. В принципіелектричні властивості кристалів можна розглядати на прикладі металів,тому що метали, в одному з станів, можуть являти собоюкристалічні агрегати. Електрони, вільно пересуваючись в металі, неможуть вийти назовні, для цього потрібно затратити енергію. Якщо при цьомувитрачається промениста енергія, то ефект відриву електрона викликає такфотоелектричний званий ефект. Аналогічний ефект спостерігається і вмонокристалах. Вирваний з молекулярної орбіти електрон, залишаючисьусередині кристала, обумовлює в останнього металеву провідність
(внутрішній фотоелектричний ефект). У нормальних же умовах (безопромінення) такі з'єднання не є провідниками електричного струму.

Про міцність кристалів.

Раніше було описано, що кристал заповнений дефектами. Як же впливаютьдефекти на міцність кристалів. Про одному, про міцність, ми вже говорили:дефекти знижують міцність, у сотні, тисячі разів. Якщо до кристалу прикластизовнішню силу, то атомна споруда почне руйнуватися саме в місціслабкого місця, там, де є дефект. Дефект - дислокація - починає рухатися покристалу.

Але не так все просто, у міру того, як росте деформація кристала,зростає і число дефектів у ньому. А так як дефекти взаємодіють один зодним, то, чим їх більше, тим важче їм рухатися в кристалі. Виходитьпарадокс: якщо є дефект кристал - кристал деформується і руйнуєтьсялегше, ніж якщо дефекту немає.

А якщо дефектів занадто багато, то кристал знову стає міцним,і чим більше дефектів, тим він упорядковується. Значить, якщо минавчимося керувати числом і розташуванням дефектів, ми зможемо керуватиміцністю матеріалів.

Ще сильніше вдалося б змінити властивості кристалів, якщо б вдалосявиростити кристал зовсім без дефектів. Як у сталевому каркасі будівлі, якщоб не було жодної дефектної балки, міцність будівлі була б розрахункової.
Без дефектів кристал "не хоче" рости. І все-таки вченим вдалося перехитритиприроду. Навчилися вирощувати кристали, в яких немає, зовсім немає,дефектів, а чи є один єдиний дефект, дуже вдало розташований.

Такі ідеальні кристали дивно міцні. «Звичайне технічнезалізо витримує, не руйнуючись, зусилля в 20-30 кг/мм2, найкращаконструкційна сталь - 200-300 кг/мм2, а бездефектної кристалик заліза -
1400 кг/мм2. Інакше кажучи, бездефектні кристали заліза міцніше звичайного в
40-50 разів »[2].

Такі кристали навчилися ростити, вимірювати їх властивості і міцність,але ці кристали дуже і дуже малі. Це "ниткоподібні кристали", або "вуса"
- Волоски діаметром не більше 1-2 мікрон. Ростити такий кристал дужескладно, а виросте він трохи товстіший - в ньому обов'язково виявляються дефектиі міцність відразу знижується.

Такий вусик витримує навантаження значно більшу, ніж звичайнадріт. Він деформується пружно, в?? сстанавлівает свою форму післядеформації, не змінюється при високих температурах. Вже широко застосовуютьсяниткоподібні кристали для створення високоміцних композитних матеріалів.
Композит, або композитний матеріал - це суцільна основа, метал абополімер пронизаний нитковидними кристалами.

Створено кристалізаційні установки в яких витягаютьмонокристалічні нитки сапфіра довжиною до 30 метрів. Кристал виходитьтакий пружний і гнучкий, що його намотують як нитку на котушку.

А потім цими гнучкими нитками зміцнює основу.

З композитних матеріалів роблять листи для обшивки літаків і ракет.
Людина навчилася отримувати матеріали, набагато міцніше природних.

Кристали через їх міцності використовують і в різних ріжучихапаратах, так як кристал один з найміцніших матеріалів на Землі.

Людина застосовує кристали майже в усіх областях матеріальної сфериїхня ціна і значення надзвичайно великі.

Висновок.

Отже, в даній роботі була розказана лише мала частина того, щовідомо про кристалах в даний час, проте і ця інформація показала,наскільки неординарні й загадкові кристали за своєю сутністю.

В хмарах, в глибинах Землі, на вершинах гір, в піщаних пустелях, уморях і океанах, в наукових лабораторіях, в клітинках рослин, в живих імертвих організмах - скрізь ми зустрінемо кристали. Але може кристалізаціяречовини відбувається тільки на нашій планеті? Ні, ми знаємо тепер, що йна інших планетах і далеких зірок весь час безперервно виникають,ростуть і руйнуються кристали. Метеорити, космічні посланці, тежскладаються з кристалів, причому іноді до їх складу входять кристалічніречовини, на Землі не зустрічаються. Кристали скрізь.

Люди звикли використовувати кристали, робити з них прикраси,милуватися ними.

Тепер, коли вивчені методи штучного вирощування кристалів,область їх застосування розширилася, і, можливо, майбутнє новітніх технологійналежить кристалів і кристалічним агрегатів.

Список використаної літератури.

1. «Кристали», М.П. Шаскольская, Москва «наука», 1978р.

2. «Нариси про властивості кристалів», М. П. Шаскольская, Москва

«наука», 1978р.

3. «Симетрія в природі», І.І. Шафрановскій, Ленінград «надра»,

1985р.

4. «Кристалохімія», Г. Б. Бокий, Москва «наука», 1971р.

5. «Живий кристал», Я. Е. Гегузін, Москва «наука», 1981р.

6. «Нариси про дифузії в кристалах», Я. Е. Гегузін, Москва «наука»,

1974р.