Вещества называют , если они сохраняют свою форму и объем, т. е. внешние признаки.
– это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Главная особенность – это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления. Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называют
.
(От греческих слов «анизос» — неравный, «тропос» — направление).
- Постоянная температура плавления.
-
Для кристаллических тел характерно наличие пространственной кристаллической решетки
, которая представляет собой упорядоченное расположение молекул, атомов или ионов, повторяющееся по всему объему тела (дальний порядок). Для любой кристаллической решетки характерно существование такого элемента ее структуры, многократным повторением которого в пространстве можно получить весь кристалл. Это монокристалл
. Поликристалл
состоит из множества очень мелких, сросшихся между собой монокристаллов, которые ориентированы в пространстве хаотически.
-
Физические свойства (механические, электрические, магнитные, тепловые и др.) монокристаллов различны по разным направлениям внутри кристалла. Это явление называют анизотропией
кристаллов. Оно объясняется различием в плотности расположения частиц в кристаллической решетке по разным направлениям. На рисунке условно изображено расположение атомов в одной из плоскостей монокристалла. Через узлы этой плоской решетки проведены различно ориентированные параллельные прямые. Видно, что на единицу длины прямых приходится не одинаковое количество атомов. А механические свойства кристалла зависят от плотности размещения образующих его частиц. Поликристаллы изотропны.
-
Кристаллическая структура связана с минимумом потенциальной энергии, т.е. при образовании кристаллов частицы самопроизвольно располагаются так, чтобы их взаимная потенциальная энергия была минимальной.
Анизотропия
– зависимость физических свойств от направления внутри кристалла.
Изотропия
– одинаковые физические свойства по всем направлениям.
(от греческого «морфе» — форма и частица «а», имеющий смысл отрицания ) занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями
- Не имеют постоянной температуры плавления.
-
Не имеют кристаллического строения. -
Имеют только «ближний порядок» в расположении частиц. -
Способны переходить в кристаллическое и жидкое состояние.
Главный признак аморфного
(от греческого » аморфос
» — бесформенный) состояние вещества – отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.
При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.
В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.
Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.
Аморфные тела изотропны
, то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.
Кристаллические и аморфные тела
Всего получено оценок: 408.
Всего получено оценок: 408.
В зависимости от внутреннего строения твердые тела бывают либо кристаллическими, либо аморфными. Молекулы и атомы кристаллов расположены в определенной, повторяющейся последовательности на больших расстояниях, сохраняя так называемый дальний порядок. Атомы и молекулы в аморфных телах размещены неупорядоченно, для них характерен ближний порядок со строением аналогичным жидкому состоянию вещества. Рассмотрим основные отличия кристаллических тел от аморфных, которые проявляются в их физических свойствах.
Твердые тела
Все твердые тела обладают следующими общими свойствами:
- Способностью долгое время сохранять форму и объем (геометрические размеры);
- Наличием упругих сил, которые возникают при небольших изменениях объема от внешнего воздействия (сжатия, растяжения или сдвига).
Современные ученые исследуют пространственное расположение атомов и молекул в твердых телах с помощью электронных микроскопов, которые позволяют получить изображение объекта с сильным увеличением (до 10 6
раз). Первый электронный микроскоп был изобретен в 30-х годах прошлого века. В 2018 г. с помощью последних версий этого прибора было получено разрешение 0,39 ангстрем. Напомним, что 1 ангстрем равен 10 -8
см. В большинстве кристаллов это соответствует шагу атомной решетки.
Аморфные тела
Смола, воск, графит, изделия из стекла и янтаря, пластмассы — все это примеры аморфных тел (от греч.слова Amorphous — бесформенный, некристаллический).
Отсутствие дальнего порядка в расположении частиц вещества у аморфных тел приводит к тому, что их физические свойства одинаковы во всех направлениях. Такие тела называют изотропными (слово “изотропный” составлено из двух греческих слов: isos — ровный, tropos — направление). Изотропность физических свойств аморфных тел является следствием хаотичного расположения составляющих их молекул и атомов.
Характерной особенностью аморфных тел является отсутствие определенной температуры плавления, то есть отсутствует четкий переход от твердого состояния к жидкому: при нагревании аморфное тело становится только более текучим.
Кристаллические тела
Твердые тела, в которых молекулы и атомы расположены упорядоченно и образуют периодически повторяющуюся структуру, называются кристаллами. Физические свойства кристаллов (упругие, механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические) в разных направлениях неодинаковы. Такое свойство называется анизотропностью. Анизотропия кристаллов объясняется тем, что при упорядоченном расположении частиц расстояния между ними и силы взаимодействия (притяжения и отталкивания) оказываются неодинаковыми в разных направлениях.
Различают кристаллические тела двух видов: монокристаллы и поликристаллы. Главным признаком монокристаллов является повторяющееся внутреннее строение (структура) во всем объеме тела.
Поликристалл — это совокупность (набор) сросшихся друг с другом, хаотически ориентированных, небольших кристаллов. Каждый маленький кристалл обладает свойствами анизотропии, но их совокупность — поликристалл — изотропен.
Часто встречаются кристаллические тела одинаковые по своему химическому составу, но обладающие очень разные физические свойства. Самый известный пример — это углерод, имеющий две модификации: графит и алмаз. Разное строение кристаллических решеток является причиной того, что алмаз имеет рекордные показатели твердости, а графит из-за его мягкости используется в качестве грифелей для карандашей.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что кристаллические и аморфные тела кроме общих признаков, которые относят их к твердым телам, имеют совершенно разные физические свойства. Аморфные тела обладают изотропными свойствами, а для кристаллов характерна анизотропия физических параметров. Кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы.
Тест по теме
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Оценка доклада
Всего получено оценок: 408.
А какая ваша оценка?
Основные свойства кристаллического вещества
Теория решётчатого строения кристаллов была создана в середине 19 века французским кристаллографом О. Бравэ, а затем русский кристаллограф академик Е. С. Фёдоров и немецкий учёный А. Шенфлис завершили математическую разработку этой теории. При создании и разработке теории решетчатого строения кристаллов Бравэ, Фёдоров и др. кристаллографы основывались исключительно на некоторых важных свойствах кристаллического вещества.
Основными свойствами кристаллов являются их однородность, анизотропность, способность самоограняться и симметричность.
Однородным
обычно называют тело, которое обнаруживает одинаковые свойства во всех своих частях. Кристаллическое тело однородно, т. к. различные участки его имеют одинаковое строение, т. е. одинаковую ориентировку слагающих частиц, принадлежащих одной и той же пространственной решётке. Однородность кристалла следует отличать от однородности жидкости или газа, которая имеет статистический характер.
Анизотропным
называется такое однородное тело, которое обладает неодинаковыми свойствами по непараллельным направлениям. Кристаллическое тело анизотропно, т. к. строение пространственной решётки, а значит и самого кристалла, в общем случае неодинаково по непараллельным направлениям. По параллельным же направлениям частицы слагающие кристалл, как и узлы его пространственной решётки, расположены строго одинаковым образом, поэтому и свойства кристалла по таким направлениям должны быть одними и теми же.
Приведенные примеры, конечно, исключительны по своей характерности. Однако точными исследованиями установлено, что абсолютно все кристаллы в том или ином отношении обладают анизотропностью.
Однородностью и в некоторой степени анизотропностью могут обладать также и аморфные тела. Но ни при каких условиях аморфные вещества не могут сами по себе принимать форму многогранников. Образовываться в виде плоскостных многогранников могут лишь кристаллические тела. В способности самоограняться
, т. е. принимать многогранную форму, проявляется наиболее характерный внешний признак кристаллического вещества.
Правильная геометрическая форма кристаллов с давних пор привлекала внимание человека, и её загадочность вызывала в прошлом у людей различные суеверия. Кристаллы таких веществ, как алмаз, изумруд, рубин, сапфир, аметист, топаз, бирюза, гранат и др., ещё в 18 в. считались носителями сверхъестественных сил и использовались не только как драгоценные украшения, но и как талисманы или средство от многих болезней и укусов ядовитых змей.
На самом же деле способность самоограняться, как и первые два свойства, является следствием правильного внутреннего строения кристаллического вещества. Внешние границы кристаллов как бы отражают эту правильность их внутреннего строения, ибо каждый кристалл можно рассматривать как часть его пространственной решётки, ограниченной плоскостями (гранями).
Необходимо вместе с тем отметить, что способность кристаллического вещества самоограняться проявляется не всегда, а только при особо-благоприятных условиях, когда внешняя окружающая среда не мешает образованию и свободному росту кристаллов. При отсутствии таких условий получаются или совершенно неправильные или частично деформированные кристаллы. Несмотря на это они сохраняют все свои внутренние свойства, в том числе и причины, заставляющие кристаллы принимать форму многогранника. Поэтому, если кристаллическое зерно неправильной формы поместить в определённые условия, в которых кристалл сможет свободно расти, то оно примет через некоторое время форму плоскостного многогранника, присущую данному веществу.
Симметрия кристаллов
также является отражением их закономерного внутреннего строения. Все кристаллы в той или иной степени симметричны, т. е. состоят из закономерно повторяющихся равных частей, так как их строение выражается пространственной решёткой, которая по своей природе всегда симметрична.
Открытие мюнхенским физиком М. Лауэ в 1912 г. явления дифракции рентгеновских лучей при их прохождении через кристалл явилось первым экспериментальным подтверждением правильности теории решетчатого строения кристаллического вещества. С этого момента стало возможным, с одной стороны, посредством кристаллов исследовать рентгеновские лучи, а с другой — с помощью рентгеновских лучей исследовать внутреннее строение кристаллов. Таким путём было доказано, что абсолютно все кристаллы состоят из частиц, расположенных друг относительно друга закономерно, наподобие узлов пространственной решётки.
После опытов Лауэ теория решетчатого строения кристаллов перестала быть только лишь умозрительным построением и приобрела форму закона.
1.3. Распространённость кристаллических веществ
Неосведомлённому человеку может показаться, что кристаллические тела встречаются в природе очень редко. Действительно, природные монокристаллические образования, имеющие вид плоскостных многогранников, представляют большую редкость. Это, в первую очередь, относится к кристаллам большой величины, размеры которых в отдельных случаях могут достигать человеческого роста. Таковы гигантские кристаллы кварца и гипса, хранящиеся в Московском минералогическом музее АН России и в Горном музее Санкт-Петербургского горного института. В 1958 г. в Средней Азии был найден уникальный кристалл кварца весом около 30 т., длиной 7,5 м. и шириной 1,6 м.
Разумеется, описанные случаи относятся к числу выдающихся. Обычно же приходится иметь дело с гораздо более мелкими и нередко микроскопическими кристалликами.
В наиболее общем случае кристаллизация происходит из многих центров одновременно, поэтому отдельные кристаллы в процессе своего роста приходят в соприкосновение друг с другом и не могут приобрести геометрически правильную огранку. В результате образуются поликристаллические
тела, состоящие из множества кристаллических зёрен с криволинейными очертаниями, которые часто называют “кристаллитами”
. Тем не менее, как было установленно рентгеноскопическими исследованиями, кристаллиты обладают таким же закономерным внутренним строением, что и кристаллические многогранники.
Из подобных кристаллических зёрен различной крупности, от видимых простым глазом до не различимых даже под микроскопом, состоят, например, металлы и сплавы, кирпич и бетон, твёрдые шлаки и минеральные удобрения, самые разнообразные продукты химической и пищевой промышленности. То же самое можно сказать и о подавляющем большинстве горных пород, слагающих земную кору, которые образовались из застывающей магмы (граниты, базальты, диориты, перидотиты и др.), кристаллическими являются также руды железа и цветных металлов и осадочные породы органогенного и химического происхождения — известняки, доломиты, гипс, каменная соль и т. п. Из мельчайших обломков кристаллов состоят и такие распространенные механические осадки, как песок, глина и алеврит. Кристаллические вещества принимают участие даже в строении органического мира. Например, роговица глаза, зубы, некоторые кости скелета, пчелиный воск — представляют собой агрегаты мельчайших кристалликов, не обнаруживаемых с помощью обычных микроскопов.
Благодаря применению рентгеновских лучей и электронных микроскопов круг известных нам кристаллических веществ всё более расширяется. Имеющиеся данные достаточно убедительно свидетельствуют о чрезвычайной распространённости кристаллов в природе. Образно выражаясь, мы живем в мире кристаллов, ибо кристаллы окружают нас всюду.
1.4. Пространственная решётка
Познакомимся теперь подробнее с построением и некоторыми свойствами пространственной решётки.
Примем какой-либо узел пространственной решётки, например, узел А 0
, за исходный узел решётки (рис. 1.1). Пусть ближайший к нему такой же атом (узел) А 1
находится на расстоянии а (а —> А 0
А 1
).
Продолжив прямую А 0
А 1
, найдем серию узлов А 2
,А 3
, А 4
, . . . , А n
,
расположенных вдоль этой прямой на равном расстоянии друг от друга.
Совокупность узлов, лежащих на одной прямой, называется рядом пространственной решётки.
Рис. 1.1. Ряд пространственной решётки
Расстояние между соседними узлами ряда называется промежутком ряда
. В нашем случае промежуток ряда равен а
.
Число узлов, приходящихся на единицу длины ряда, называется плотностью ряда
. Очевидно, что плотность ряда обратно пропорциональна величине промежутка: чем меньше промежуток ряда, тем больше будет его плотность.
Одно из основных свойств пространственной решётки состоит в том, что через любой узел решётки всегда можно провести ряд, параллельный данному ряду, причём все параллельные ряды имеют одинаковую плотность. Ряды же разных направлений в общем случае обладают различной плотностью. В частных случаях и у непараллельных рядов промежутки могут быть одинаковыми.
Возьмём теперь относительно исходного узла А 0
ещё один ближний к нему узел, лежащий в плоскости чертежа, но не вне ряда А 0
А n
. Пусть это будет узел В 1
, отстоящий от узла А 0
на расстояние b
(рис. 1.2). Соединив узлы А 0
и В 1
прямой линией и продолжив её дальше, получим новый ряд А 0
В n
с промежутком ряда b
.
Два пересекающихся ряда А 0
А n
и А 0
В n
, определяют положение плоскости, которая пройдёт через бесконечное множество узлов пространственной решётки.
Совокупность узлов пространственной решётки, лежащих в одной плоскости, называется плоской сеткой
.
Узлы всякой плоской сетки можно расположить в вершинах равных и параллельных друг другу параллелограммов, смежных по целым сторонам. Такую систему параллелограммов в нашем случае получим, если через узлы В 1
, В 2
, . . . , В n
проведём ряды, параллельные ряду А 0
А n
, а через узлы А 2.,
А 3,
А 4,
. . . , А n,
— ряды, параллельные ряду А 0
В n
(см. рис. 2) .
Число узлов, приходящихся на единицу площади плоской сетки, называется её ретикулярной плотностью
.
Согласно второму основному свойству пространственной решётки через любой узел решётки можно провести плоскую сетку, параллельную данной и имеющую такую же ретикулярную плотность. Таким образом в решётке параллельно каждой плоской сетке проходит бесконечное множество тождественных плоских сеток. Совокупность параллельных друг другу плоских сеток пространственной решётки будем называть серией плоских сеток
. Расстояние между двумя ближайшими параллельными плоскими сетками называется межплоскостным расстоянием
.
В пространственной решётке имеется бесчисленное множество различным образом ориентированных плоских сеток, поскольку через три любых узла решётки всегда можно провести плоскую сетку.
Непараллельные плоские сетки отличаются друг от друга не только положением в пространстве, но в общем случае и ретикулярной плотностью.
Для дальнейшего построения пространственной решётки возьмём относительно исходного узла А 0
ближайший к нему узел С 1
, не лежащий в плоскости построенной нами плоской сетки А n
-А 0
-В n
(рис. 3). Проведя прямую А 0
С 1
и продолжив её, найдём на ней серии узлов С 2,
С 3,
. . . , С n,
образующих третий ряд А 0
С n,
непараллельный первым двум и имеющий промежуток с
.
Через каждый узел этого ряда проведём плоские сетки, параллельные сетке А n
-A 0
-B n
. Все они в совокупности образуют серию плоских сеток. Вторую серию плоских сеток получим, если через все узлы ряда А 0
А n
провести плоские сетки, параллельные оси В n
-A 0
-C n
, определяемой пересекающимися рядами А 0
В n
и А 0
С n
. Наконец, можно построить третью серию плоских сеток, проведя через узлы ряда А 0
В n
плоские сетки, параллельные сетке А n
-A 0
-C n
, определяемой рядами А 0
А n
и А 0
С n
.
Три серии построенных плоских сеток, взаимно пересекаясь, образуют систему равных, параллельно ориентированных и смежных по целым граням параллелепипедов, т. е. пространственную решётку. На рис.1.3 один из параллелепипедов решётки выделен жирными линиями. Все узлы полученной решётки располагаются только в вершинах параллелепипедов. Если известно расположение узлов решётки у одного параллелепипеда, то можно построить всю решётку параллельным повторением данного, поступательно перемещая параллелепипед на величину его рёбер по их направлению.
Рис.1. 3. Пространственная решётка
Параллелепипед, поступательным перемещением которого на величину и по направлению его рёбер можно построить всю пространственную решётку, называется параллелепипедом повторяемости
.
Параллелепипеды повторяемости можно выделить у данной пространственной решётки самым различным образом (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Различные параллелепипеды повторяемости пространственной решётки (на чертеже показаны только основания параллелепипедов)
В одних случаях параллелепипеды повторяемости могут не иметь никаких других узлов, кроме узлов в вершинах (например, параллелепипеды abcd
и hikl
). В других же случаях параллелепипеды повторяемости, помимо узлов в вершинах, могут заключать узлы ещё и внутри себя или на своих гранях (например, параллелепипеды mnpq
и stuv
). Вершины подобных параллелепипедов не образуют всех узлов данной пространственной решётки. Параллелепипеды повторяемости, имеющие узлы только в своих вершинах, называются примитивными
. Вершины примитивных параллелепипедов образуют все узлы данной пространственной решётки.
Если узлы решётки располагаются только в вершинах параллелепипедов повторяемости, то каждый узел принадлежит одновременно восьми попарно смежным параллелепипедам (рис. 1.3). Следовательно, на долю одного параллелепипеда приходится 1/8 узла, находящегося в его вершине. Поэтому на один примитивный параллелепипед приходится всего 1/8 × 8 = 1 узел пространственной решётки.
Одна и та же пространственная решётка может быть разбита на примитивные параллелепипеды различными способами, но каким бы способом мы ни разбивали нашу решётку на параллелепипеды, её общий объём и количество узлов остаются неизменными. А так как каждому узлу отвечает всегда один примитивный параллелепипед, то любые примитивные параллелепипеды данной пространственной решётки имеют одинаковый объём. У всех других параллелепипедов повторяемости, не являющихся примитивными, объём будет больше, так как количество узлов, приходящихся на непримитивный параллелепипед, всегда превышает 1.
Построенная нами пространственная решётка представляет собой бесконечную фигуру, поскольку каждый из рядов решётки может быть продолжен неопределённо далеко.
Реальные кристаллы являются телами конечных размеров, поэтому, как уже отмечалось выше, их можно рассматривать как части пространственных решёток, ограниченные плоскостями — гранями. С точки зрения учения о пространственной решётке грани кристалла представляют собой плоские сетки, а рёбра — ряды его решётки.
Необходимо при этом иметь в виду, что реальные кристаллические вещества часто образуют сложные решётки, состоящие из двух или нескольких геометрически равных простых пространственных решёток, определённым образом вставленных друг в друга. Такие сложные решётки получили название кристаллических решёток
. Узлами кристаллических решёток являются всегда только атомы или ионы химических элементов.
На рис. 1.5 приведены кристаллические решётки некоторых элементов.
Рис. 1.5. Кристаллические решетки меди(а), хлористого цезия (б), хлористого натрия(в) и кальцита(г)
Кристаллическая решётка хлористого цезия (рис. 1.5 б) состоит из двух простых решёток, одна из которых имеет узлы, соответствующие ионам цезия, а другая — совпадающие с ионами хлора. Обе решётки совершенно тождественны и сдвинуты друг относительно друга на величину расстояния между ионами Cs +
и Cl —
так, что вершины параллелепипедов одной решётки находятся в центрах параллелепипедов другой решётки.
Кристаллическую решётку хлористого цезия можно всегда заменить простой пространственной решёткой, примитивным параллелепипедом которой будет являться ромбоэдр.
Решётка кристаллов хлористого натрия (каменной соли) состоит из двух одинаковых решёток, подобных кристаллической решётке меди (рис. 1.5 а). При этом решётка, отвечающая ионам натрия, так вставлена в решётку, соответствующую ионам хлора, что узлы натриевой решётки занимают середину ребра параллелепипедов повторяемости хлорной решётки и наоборот.
Кристаллическая решётка кальцита состоит из двух одинаковых решёток, одна из которых отвечает катионам кальция, а другая — анионам СО 3
2-
. Параллелепипед повторяемости этих решёток имеет форму ромбоэдра с узлами в вершинах и в центре параллелепипеда (рис. 1.5 г).
Всякий атом или ион представляет собой весьма сложную систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронных оболочек. Поэтому между атомами и ионами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания.
В грубой схеме два соседних атома (или иона) будут притягиваться друг к другу до тех пор, пока силы притяжения не будут уравновешены силами отталкивания. А так как атомы (ионы) различных химических элементов имеют различное строение, то неодинаковы и силы их взаимодействия. Следовательно, и расстояния между атомами (ионами) различных химических элементов в кристаллической решётке должны быть разными.
Вот почему вещества различного химического состава имеют различные кристаллические решётки. Это — основной закон о кристаллических решётках, на котором базируется вся кристаллохимия.
Всем специалистам в области кристаллографии или физики твердого тела совершенно ясно, что в случае кристалла мы имеем дело с упорядоченным расположением в пространстве атомов или ионов. В некоторых случаях, например в кристаллах льда или отвержденных газов, речь может идти о молекулах. Для краткости далее будем говорить только об атомах, в том числе ионизированных (ионах), если не оговаривается что-нибудь другое.
Итак, кристалл — это упорядоченная в пространстве система атомов. Они расположены правильным образом и чаще всего так, чтобы максимально плотно заполнить объем пространства. Попытавшись расположить вплотную друг к другу стальные шарики от шарикоподшипника, мы получим вполне приличную модель кристаллического строения и быстро убедимся, что число способов, которыми можно разместить шарики, ограничено. В зависимости от того, как расположены относительно друг друга атомные ряды и атомные плоскости, могут быть получены разные типы кристаллов. В свою очередь тип расположения атомов определяется их взаимодействием между собой, природой связи между частицами.
Аккуратное разламывание кристаллов приводит к появлению необычных структур с интересными свойствами. Сначала появляются крупные области с положительным или отрицательным поверхностным зарядом, создающие мощное электрическое поле, а затем они переходят в лабиринты шириной всего в несколько атомов.
Многие свойства ионных кристаллов обусловлены их структурой на атомарном масштабе: положительно и отрицательно заряженные атомы притягиваются друг к другу и образуют прочную периодическую решетку. Однако на поверхности кристалла заряды должны быть скомпенсированы. « Если расщепить кристалл с кубической решеткой вдоль определенных направлений, то можно получить заряды только одного типа, — поясняет один из авторов работы Ульрих Дибольд из Венского университета. — Такая конфигурация крайне нестабильна». Потенциально такой слой мог бы на крошечном образце создавать поле с напряжением в миллионы вольт. Такую ситуацию ученые называют «поляризационной катастрофой».
В новом исследовании физики пытались понять, как именно атомы реорганизуются, чтобы не допустить поляризационной катастрофы. « Поверхность может по-разному измениться в ответ на разлом, — говорит первый автор статьи Мартин Сетвин. — Электроны могут начать накапливаться в определенных местах, кристаллическая решетка может исказиться или молекулы из воздуха могут налипнуть на поверхность, меняя ее свойства».
Ученые раскалывали кристаллы танталата калия KTaO3 при низких температурах и получали сколы, при которых половина атомов из слоя с одинаковыми зарядами оставалось на одном обломке, а вторая — на другом. Области с ионами одинакового заряда формировали «островки», хотя в среднем поверхность оказывалась нейтральной. « Тем не менее, островки достаточно велики, поэтому поляризационной катастрофы не удается полностью избежать — создаваемое ими поле настолько велико, что оно меняет свойства нижележащих слоев», — рассказал Сетвин.
При небольшом повышении температуры островки распались на лабиринт из ломаных линий, причем его «стены» были высотой всего в один атом и шириной в 4-5 атомов.
«Лабиритнообразные структуры не только прекрасны, но и потенциально полезны, — подытожил Дибольд. — Этот как раз то, что нужно — сильные электрические поля на атомном масштабе». Одним из возможных применений авторы называют проведение химических реакций, которые не проходят в других условиях, например, расщепление воды для получения водорода.
Основные свойства кристаллов – анизотропность, однородность, способность к самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления определяются их внутренним строением.
Это свойство называется еще неравносвойственностью. Выражается она в том, что физические свойства кристаллов (твердость, прочность, теплопроводность, электропроводность, скорость распространения света) неодинаковы по разным направлениям. Частицы, образующие кристаллическую структуру по непараллельным направлениям, отстоят друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства кристаллического вещества по таким направлениям должны быть различными. Характерным примером вещества с ярко выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки этого минерала легко расщепляются лишь по плоскостям, параллельным его пластинчастости. В поперечных же направлениях расщепить пластинки слюды значительно труднее.
Анизотропность проявляется и в том, что при воздействии на кристалл какого-либо растворителя скорость химических реакций различна по различным направлениям. В результате каждый кристалл при растворении приобретает свои характерные формы, носящие название фигур вытравливания.
Аморфные вещества характеризуются изотропностью (равносвойственностью) – физические свойства по всем направлениям проявляются одинаково.
Выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость и т.д. таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело.
Однородность присуща не только кристаллическим телам. Твердые аморфные образования также могут быть однородными. Но аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.
Способность к самоогранению
Способность к самоогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в соответствующей для его роста среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями. Эта особенность связана с кристаллической структурой. Стеклянный же шарик, например, такой особенностью не обладает.
Кристаллы одного и того же вещества могут отличаться друг от друга своей величиной, числом граней, ребер и формой граней. Это зависит от условий образования кристалла. При неравномерном росте кристаллы получаются сплющенными, вытянутыми и т.д. Неизменными остаются углы между соответственными гранями растущего кристалла. Эта особенность кристаллов известна как закон постоянства гранных углов. При этом величина и форма граней у различных кристаллов одного и того же вещества, расстояние между ними и даже их число могут меняться, но углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества остаются постоянными при одинаковых условиях давления и температуры.
Закон постоянства гранных углов было установлен в конце XVII века датским ученым Стено (1699) на кристаллах железного блеска и горного хрусталя, впоследствии этот закон был подтвержден М. В. Ломоносовым (1749) и французским ученым Роме де Лиллем (1783). Закон постоянства гранных углов получил название первого закона кристаллографии.
Закон постоянства гранных углов объясняется тем, что все кристаллы одного вещества тождественны по внутреннему строению, т.е. имеют одну и ту же структуру.
Согласно этому закону кристаллы определенного вещества характеризуются своими определенными углами. Поэтому измерением углов можно доказать принадлежность исследуемого кристалла к тому или иному веществу. На этом основан один из методов диагностики кристаллов.
Для измерения у кристаллов двугранных углов были изобретены специальные приборы – гониометры.
Постоянная температура плавления
Выражается в том, что при нагревании кристаллического тела температура повышается до определенного предела; при дальнейшем же нагревании вещество начинает плавиться, а температура некоторое время остается постоянной, так как все тепло идет на разрушение кристаллической решетки. Температура, при которой начинается плавление, называется температурой плавления.
Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют четко выраженной температуры плавления. На кривых охлаждения (или нагревания) кристаллических и аморфных веществ, можно видеть, что в первом случае имеются два резких перегиба, соответствующие началу и концу кристаллизации; в случае же охлаждения аморфного вещества мы имеем плавную кривую. По этому признаку легко отличить кристаллические вещества от аморфных.
Проблема прочности кристаллов была и остается одной из самых важных в современных технике. Дело в том, что широко используемые конструкционные материалы в большей части представляют собой сплавы железа (сталь), алюминия (силумин, дюралюминий), меди (латунь, бронза) и некоторых других металлов, и все они имеют кристаллическое строение. В случае металлов мы редко имеем дело с такими правильными и красивыми кристаллами, о которых шла речь раньше. Металлические сплавы имеют так называемое поликристаллическое строение, то есть состоят из отдельных зерен — кристаллов, несколько развернутых друг относительно друга.
Шаг за шагом человек переходил от менее прочного материала к более прочному, это вело к совершенствованию всей используемой техники и расширению ее возможностей. Сейчас в борьбе за прочность счет идет уже только на проценты; из технических материалов выжато практически все, что можно, и каждый последующий шаг дается со все большим трудом.
Лет двадцать назад казалось, что если научиться выращивать бездефектные кристаллы большого размера, то проблема прочности будет полностью решена, а расход металла в сотни раз сократится. К сожалению, эти надежды не сбылись. Вырастить идеальный кристалл большого размера или очень дорого, или невозможно. Только в таких областях, как радиоэлектроника, это можно себе позволить. Например, полупроводниковые кристаллы Ge и Si выращиваются практически бездефектными. Такими же являются и рубиновые кристаллы для лазеров. Что же касается конструкционных материалов, то здесь пока приходится достигать высоких значений прочности, идя традиционным путем.
И еще одно важное заключение. Оказывается, что многие физические свойства кристаллов, в первую очередь их прочность, определяются не идеальной кристаллической решеткой, а отклонениями от идеальности — дефектной структурой. Умелое использование таких пороков кристалла позволяет управлять его свойствами и приспосабливать их к разнообразным требованиям современной техники. Для физика или инженера дефекты являются очень важной составной частью кристалла, без которой он практически не может существовать. Но тема дефектов в кристаллах заслуживает более глубокого и всестороннего обсуждения, чем то, которое возможно в этой статье.
Это копия статьи, находящейся по адресу http://masterokblog.ru/?p=2285
.
Теория
решётчатого строения кристаллов была
создана в середине 19 века французским
кристаллографом О. Бравэ, а затем русский
кристаллограф академик Е. С. Фёдоров и
немецкий учёный А. Шенфлис завершили
математическую разработку этой теории.
При создании и разработке теории
решетчатого строения кристаллов Бравэ,
Фёдоров и др. кристаллографы основывались
исключительно на некоторых важных
свойствах кристаллического вещества.
Основными
свойствами кристаллов являются их
однородность, анизотропность, способность
самоограняться и симметричность.
Однородным
обычно называют тело, которое обнаруживает
одинаковые свойства во всех своих
частях. Кристаллическое тело однородно,
т. к. различные участки его имеют
одинаковое строение, т. е. одинаковую
ориентировку слагающих частиц,
принадлежащих одной и той же пространственной
решётке. Однородность кристалла следует
отличать от однородности жидкости или
газа, которая имеет статистический
характер.
Анизотропным
называется такое однородное тело,
которое обладает неодинаковыми свойствами
по непараллельным направлениям.
Кристаллическое тело анизотропно, т.
к. строение пространственной решётки,
а значит и самого кристалла, в общем
случае неодинаково по непараллельным
направлениям. По параллельным же
направлениям частицы слагающие кристалл,
как и узлы его пространственной решётки,
расположены строго одинаковым образом,
поэтому и свойства кристалла по таким
направлениям должны быть одними и теми
же.
Приведенные
примеры, конечно, исключительны по своей
характерности. Однако точными
исследованиями установлено, что абсолютно
все кристаллы в том или ином отношении
обладают анизотропностью.
Однородностью
и в некоторой степени анизотропностью
могут обладать также и аморфные тела.
Но ни при каких условиях аморфные
вещества не могут сами по себе принимать
форму многогранников. Образовываться
в виде плоскостных многогранников могут
лишь кристаллические тела. В
способности самоограняться
,
т. е. принимать многогранную форму,
проявляется наиболее характерный
внешний признак кристаллического
вещества.
Правильная
геометрическая форма кристаллов с
давних пор привлекала внимание человека,
и её загадочность вызывала в прошлом у
людей различные суеверия. Кристаллы
таких веществ, как алмаз, изумруд, рубин,
сапфир, аметист, топаз, бирюза, гранат
и др., ещё в 18 в. считались носителями
сверхъестественных сил и использовались
не только как драгоценные украшения,
но и как талисманы или средство от многих
болезней и укусов ядовитых змей.
На
самом же деле способность самоограняться,
как и первые два свойства, является
следствием правильного внутреннего
строения кристаллического вещества.
Внешние границы кристаллов как бы
отражают эту правильность их внутреннего
строения, ибо каждый кристалл можно
рассматривать как часть его пространственной
решётки, ограниченной плоскостями
(гранями).
Необходимо
вместе с тем отметить, что способность
кристаллического вещества самоограняться
проявляется не всегда, а только при
особо-благоприятных условиях, когда
внешняя окружающая среда не мешает
образованию и свободному росту кристаллов.
При отсутствии таких условий получаются
или совершенно неправильные или частично
деформированные кристаллы. Несмотря
на это они сохраняют все свои внутренние
свойства, в том числе и причины,
заставляющие кристаллы принимать форму
многогранника. Поэтому, если кристаллическое
зерно неправильной формы поместить в
определённые условия, в которых кристалл
сможет свободно расти, то оно примет
через некоторое время форму плоскостного
многогранника, присущую данному веществу.
Симметрия
кристаллов
также является отражением их закономерного
внутреннего строения. Все кристаллы в
той или иной степени симметричны, т. е.
состоят из закономерно повторяющихся
равных частей, так как их строение
выражается пространственной решёткой,
которая по своей природе всегда
симметрична.
Открытие
мюнхенским физиком М. Лауэ в 1912 г. явления
дифракции рентгеновских лучей при их
прохождении через кристалл явилось
первым экспериментальным подтверждением
правильности теории решетчатого строения
кристаллического вещества. С этого
момента стало возможным, с одной стороны,
посредством кристаллов исследовать
рентгеновские лучи, а с другой — с помощью
рентгеновских лучей исследовать
внутреннее строение кристаллов. Таким
путём было доказано, что абсолютно все
кристаллы состоят из частиц, расположенных
друг относительно друга закономерно,
наподобие узлов пространственной
решётки.
После
опытов Лауэ теория решетчатого строения
кристаллов перестала быть только лишь
умозрительным построением и приобрела
форму закона.
На прошлых уроках мы уже
затрагивали свойства твердых тел и говорили, что твердые тела иногда называются
кристаллическими. Твердые тела сохраняют свой объем и форму в течение
длительного времени. Итак, кристаллы — это твердые тела, молекулы (или
атомы) которых занимают упорядоченные положения в пространстве.
Например, если
присмотреться, то можно убедиться, что все снежинки имеют правильную
геометрическую форму.
Существует такое понятие,
как анизотропия кристаллов, то есть зависимость физических свойств от
направления внутри кристалла.
Пожалуй, один из самых
наглядных примеров проявления анизотропии — это графитовый стержень карандаша.
Когда вы пишете, слои графита остаются на бумаге. На это не нужно затрачивать много
усилий. Однако, сломать графит поперек слоев довольно сложно. Конечно, карандаш
ломается достаточно легко, но только потому, что стержень графита в нем
довольно тонкий. Если мы рассмотрим кристаллическую решетку графита, то
убедимся, что она имеет слоистую структуру.
Атомы углерода образуют
правильные шестиугольники, и связи между этими шестиугольниками значительно
прочнее, чем связи между слоями. Дело в том, что расстояние между слоями
приблизительно вдвое больше, чем сторона шестиугольника.
Кристаллы
классифицируются на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы — это тела,
состоящие из одиночного кристалла, а поликристаллы — это тела, состоящие из
большого числа кристаллов.
Конечно же, в природе
наиболее распространены поликристаллы. Почти все металлы являются
поликристаллами. Примерами поликристаллов могут послужить медь, железо или
свинец.
В качестве примера
монокристаллов можно привести такие драгоценные камни, как рубин, алмаз или
сапфир.
Кристаллы также
классифицируются по типу связи атомов и молекул. Итак, существуют молекулярные
кристаллы, ковалентные кристаллы, ионные кристаллы и металлические кристаллы.
Молекулярные кристаллы —
это кристаллы, образованные из молекул.
Как правило, такие
кристаллы являются наименее прочными и имеют достаточно низкую температуру
плавления. Например, молекулярные кристаллы образуются из водорода или гелия.
Ковалентные кристаллы —
кристаллы, образованные посредством ковалентной связи.
Ковалентные
кристаллы, напротив, достаточно прочны и имеют высокую температуру плавления.
Примерами ковалентных кристаллов могут послужить алмаз, германий или кремний.
Ионные кристаллы — это
кристаллы, образующиеся за счет ионной связи, то есть связи посредством
электростатического притяжения.
Самым распространенным
примером ионного кристалла является поваренная соль, которая состоит из ионов
натрия и хлора.
Наконец, металлические
кристаллы — это кристаллы, образующиеся за счет металлических связей
. К
таким кристаллам относятся все металлы.
Надо сказать, что не все
твердые тела являются кристаллами. Также к твердым телам относятся аморфные
тела, хотя они и обладают некоторыми свойствами жидкости. Несмотря на то, что аморфные
тела могут сохранять свой объем в течение длительного времени, у них нет
строгой кристаллической решетки.
То есть порядок атомов не является таким
строгим, как у кристаллов. Примерами аморфных тел могут послужить пластилин,
канифоль или смола. В аморфных телах наблюдается такое явление, как изотропия
,
то есть их физические свойства одинаковы по всем направлениям. При низких
температурах аморфные тела ведут себя как твердые, но при более высоких
температурах, они начинают обладать свойствами жидкости. Например, при
температуре 15-20 о
С, вам придется приложить некоторые усилия, чтобы
изменить форму капли смолы. Однако при температуре в несколько сотен градусов,
смола начинает кипеть, и ведет себя как жидкость. Это нередко использовалось
для обороны средневековых замков.
Рассмотрим еще один тип
тел, который называется жидкими кристаллами
. Жидкие кристаллы
одновременно обладают анизотропией (что присуще кристаллам) и текучестью (что
присуще жидкостям). Такое состояние вещества называется жидкокристаллическим.
Со словом «жидкокристаллический», наверное, почти у всех ассоциируется монитор
или телевизор. Дело в том, что существует определенная связь между повышением
электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов. С помощью
достаточно сложных манипуляций, таким образом, можно создавать различные изображения.
Если рассмотреть самый
простой случай, то есть образование жидкого кристалла нитевидными молекулами,
то можно отметить следующее: молекулы расположены параллельно друг другу, но
при этом беспорядочно сдвинуты. Таким образом, строгая ориентация молекул
существует только в небольших областях кристалла, а в общем объеме она не
наблюдается.
Из-за этого, на границах
этих областей происходит многократное преломление света, поэтому жидкие
кристаллы непрозрачны. Если же поместить жидкий кристалл между двумя очень
тонкими пластинами, то молекулы все же станут параллельны, что приведет к
прозрачности кристалла. Используя различные напряжения, на различных участках
дисплея можно отображать различные изображения. Но, это объяснение, конечно,
дает очень и очень поверхностное представление о жидкокристаллических
мониторах, а в действительности работа таких мониторов крайне сложна.
Существует отдельная
ветвь физики, которая называется «физика твердого тела». В данный момент, эта
наука занимается поиском различных способов создания неких материалов с
заданными механическими и электромагнитными свойствами.
Эта наука крайне
важна, поскольку люди практически во всем используют твердые тела. Например,
понимание поведения таких тел, как полупроводники или транзисторы — это яркий
пример развития физики твердого тела.
