Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Мир кристаллов. Методические указания
.pdf
2 Как растут кристаллы
Все кристаллы не образовались когда-то раз и навсегда готовыми, а выросли постепенно. В природе, лаборатории, на заводе кристаллы растут из расплавов, растворов, паров, твердых
веществ.
2.1 Рост из расплава
Земная кора, то есть та твердая каменная оболочка Земли,
на которой мы живем, – это сравнительно тонкая корочка на поверхности нашей планеты. Твердая земная кора охватывает область магмы, то есть расплавленной каменной массы, насыщенной различными горячими газами и перегретыми парами воды.
В области магмы очень высокие температуры и колоссальные
давления: земная кора – это застывшая твердая магма. Все минералы и горные породы Земли в конечном счете образовались
из магмы.
Химические элементы находятся в магме в состоянии соединений, как бы растворенных друг в друге. Температура и давление внутри магмы, а значит, и содержание в ней газов и паров
и ее химический состав не остаются неизменными. Если магма
поднимается из глубин к поверхности Земли, то условия меняются, температура падает, давление понижается, и магма начинает застывать, образуя твердые минералы и горные породы,
почти всегда кристаллические.
При застывании в магме происходят сложные физико-механические процессы, в результате которых она распадается на
ряд химических соединений. Одни соединения застывают раньше, другие позже, поэтому магма разделяется на участки, образуя различные горные породы. Застывание магмы – это процесс
роста кристаллов из расплавов.
Как же растут кристаллы в расплаве?
В массе застывающего расплава образуется сразу много
кристаллических зародышей, все они одновременно вырастают
в маленькие кристаллики. Пока эти кристаллики совсем малы,
они растут свободно, каждый правильным многогранником. Но,
увеличиваясь, кристаллы встречаются и начинают мешать друг
другу. Как только два растущих кристалла встретятся друг с
другом, рост обоих кристаллов в этом месте прекращается, так
как ни один из них не может отодвинуться. С других же сторон
11
– там, где кристаллы еще не столкнулись с соседями, – они продолжают расти. Так получается, что кристалл вырастает в одну
сторону больше, чем в другие: образуются не правильные многогранники, а кристаллические зерна, из которых сложены горные породы.
2.2 Рост из раствора
Чтобы понять, почему кристаллы выделяются из раство-
ра, следует познакомиться с некоторыми свойствами растворов.
Если растворять в воде, например, соль, то в граненом стакане воды растворится 70 г (около семи чайных ложек) соли, а
если сыпать соль дальше, то она перестанет растворяться и будет просто оседать на дно. В холодной воде растворится примерно двадцать чайных ложек сахарного песка, затем сахар будет
оседать на дно, не растворяясь. То же можно проделать со всяким другим кристаллическим веществом, растворимым в воде.
В 100 г холодной воды может раствориться только совершенно
определенное количество кристаллического вещества. Количество вещества, которое может раствориться в 100 г воды, называется растворимостью этого вещества в воде.
Растворимость зависит от температуры. У разных веществ
растворимость по-разному зависит от температуры. При каждой данной температуре в воде может раствориться лишь строго
ограниченное количество вещества, определяемое его растворимостью.
Если в стакан горячей воды всыпать столько кристаллического порошка, сколько сможет раствориться, то, когда порошок совсем перестанет растворяться, он начнет оседать на дно.
Затем образовавшийся раствор сливают в другой стакан так,
чтобы на дно не попало ни одной крупинки порошка, например,
используя фильтровальную бумагу или через чистую тряпочку.
В получившемся растворе количество вещества как раз соответствует его растворимости при данной температуре; раствор «насытился» и больше не может поглотить ни крупинки вещества.
Такой раствор называется насыщенным.
Теперь раствору в стакане дают остыть. При остывании
растворимость почти всех веществ уменьшается. Пока раствор
был горячим, в стакане воды было растворено, предположим,
12 ложек вещества, тогда как при комнатной температуре в нем
могло бы раствориться лишь 10 ложек этого вещества. Таким об-
12
разом, теперь в растворе окажется лишнее вещество. Иначе говоря, при высокой температуре раствор был насыщенным, а остыв,
он стал пересыщенным. Такой пересыщенный раствор не может
долго существовать, поэтому лишнее вещество выделяется из
раствора и оседает на дно стакана. При рассмотрении в лупу или
в микроскоп можно увидеть, что этот осадок состоит из кристаллов.
Растворенное вещество кристаллизуется из пересыщенных растворов, потому что его оказывается в растворе слишком
много – больше, чем раствор может удержать в себе.
Пересыщенные растворы могут образовываться и иначе.
Если оставить насыщенный раствор в открытом сосуде, он будет
испаряться, при этом испаряться будет только вода, а растворенные вещества остаются. Получается, что растворяли вещество, например, в 100 г воды, и тогда раствор был насыщенным.
А через несколько часов испарения останется уже не 100, а,
скажем, 98 г воды. Опять в растворе оказывается лишнее вещество – раствор снова пересыщен, и из него будут выделяться кристаллы.
2.3 Рост из паров
Кристаллизация из газовой фазы – это конденсация молекул газа с образованием кристаллического вещества, минуя
жидкую фазу. Физической кристаллизацией называют образование кристаллов из молекул, находящихся в одно- или многокомпонентной газовой фазе. Химическая кристаллизация – это
возникновение кристаллов вследствие пересыщения газовой
фазы новым веществом, образующимся в результате химической реакции между газообразными компонентами. Кристаллизация из газовой фазы в неизменном объеме вследствие конденсации вещества сопровождается понижением давления. При
физической кристаллизации процесс конденсации (обратный
сублимации) достигается при понижении температуры или при
сжатии (уменьшении объема) газа.
Примером образования кристаллов из газовой фазы является иней на ресницах, усах, бороде людей во время мороза. Это кристаллизуются пары, выдыхаемые человеком. Облака на небе – это скопления ледяных кристалликов или же
капель воды, образовавшихся из паров воды, поднимающихся
с земли.
13
2.4 Образование из твердых веществ
Рассмотрим образование кристаллов при перекристаллизации твердых веществ. При переходе из твердого состояния в
твердое выделяют два случая.
1 Кристаллическое вещество образуется из аморфного. Например, с течением времени закристаллизовываются содержащие стекла кристаллические породы.
2 Перекристаллизация – это процесс, при котором структура одних веществ разрушается и образуются новые кристаллы
с другой структурой. Например, известняк под действием высоких температур и давления становится мрамором. Перекристаллизация связана с таким явлением, как метосамотоз – преобразование горной породы или минерала в другую горную породу
или минерал под воздействием привноса или выноса вещества.
2.5 Искусственные кристаллы
Природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они достаточно неоднородны, в них имеются нежелательные
примеси, либо их просто не так много, как необходимо. В связи
с этим человек научился выращивать кристаллы. При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и
чище, чем в природе.
Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике очень нужны. Поэтому разработаны
лабораторные и заводские методы выращивания различных
кристаллов, например алмаза, кварца, корунда. В лабораториях
выращивают большие кристаллы, необходимые для техники и
науки, искусственные драгоценные камни, кристаллические материалы для точных приборов; там создают и те кристаллы, которые изучают кристаллографы, физики, химики, металловеды,
минералоги, открывая в них новые явления и свойства. Важно,
что, искусственно выращивая кристаллы, создают вещества, которых нет в природе, множество новых веществ.
14
3 Свойства кристаллов
3.1 Оптика
Оптика – это раздел физики, в котором изучаются закономерности световых явлений, природа света и его взаимодействие
с веществом (в данном случае кристаллическим веществом).
Двулучепреломление и дихроизм. Двойное лучепреломление, или двулучепреломление, – эффект расщепления в анизо-
тропных средах луча света на две составляющие. Если луч света
попадает в такой кристалл, он расщепляется на два луча.
На рисунке 10 показано взаимодействие света с кристаллом, обладающим двулучепреломлением. Видно, что в одном направлении свет проходит через кристалл таким образом, что написанное на листе бумаги слово «кристалл» как бы удвоилось, в
другом же направлении мы видим только одно слово «кристалл».
Рисунок 10 – Прохождение света вдоль разных
направлений кристалла ниобата лития
Оптическая ось кристалла – особое направление в кристалле, в котором отсутствует двулучепреломление. Из-за особенностей внутренней структуры кристалла (специфической
структуры кристаллической решетки, формы атомов или молекул, его составляющих) свет распространяется вдоль оптической
оси иначе, чем в других направлениях. Так, если свет будет распространяться вдоль оптической оси кристалла, то ничего необычного не произойдет – будет проходить один луч. Однако если
луч света направлен не вдоль оптической оси, то при прохождении через кристалл он расщепится на два.
15
Как же обнаружить оптическую ось кристалла? Суще-
ствует несколько способов.
Первый способ приведен на рисунке 10 – посмотреть, как
вдоль данного направления проходит свет. Если мы видим две
надписи, то есть присутствует двулучепреломление, это точно не
оптическая ось.
Второй способ – наблюдение коноскопических картин.
Если поляризованный свет распространяется вдоль оптической
оси кристалла, то будет наблюдаться коноскопическая картина
определенного вида. Пример такой картины приведен на рисунке 11. Для наблюдения коноскопической картины необходим
поляризованный свет.
Рисунок 11 – Коноскопическая картина
в монокристаллах ниобата лития
Образец кристалла с плоскопараллельными поверхностями помещается на источник поляризованного света (например,
на телефон со светящимся в этот момент экраном, на монитор
работающего компьютера и т.д.), при этом на него необходимо
смотреть через поляризатор и вращать поляризатор с небольшой
скоростью в плоскости, параллельной поверхности, на которой
располагается образец (рисунок 12).
Коноскопические картины некоторых кристаллов можно
увидеть с помощью микроскопа. Рассматривая кристалл в микроскоп со специальной настройкой поляризованного света (то
есть для настройки микроскопа используются два поляризатора
и линза), можно найти направление с подобной картиной, это и
будет оптическая ось кристалла. Для подобного исследования
также требуется образец кристалла с плоскопараллельными поверхностями.
16
Рисунок 12 – Вращение поляризатора над образцом
Для понимания третьего способа необходимо познакомиться с таким явлением в кристаллах, как дихроизм. Это явление проявляется как изменение цвета кристалла при вращении
кристалла в поляризованном свете.
На рисунке 13 приведена фотография кристаллического
образца молибдата кальция голубого цвета, который положили
на монитор компьютера (свет экрана монитора имеет определенную поляризацию) и вращали параллельно поверхности экрана.
При повороте на 90° наблюдалось сильное различие в окраске
кристалла. Такое изменение может наблюдаться благодаря явлению дихроизма в направлениях, отличных от оптической оси.
Следовательно, ось, перпендикулярная плоскости экрана, не является оптической осью. В таком кристалле направление, вдоль
которого при повороте кристалла цвет не меняется, будет оптической осью.
Рисунок 13 – Наблюдение явления дихроизма
в молибдате кальция
17
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
350
400
450
500
550
600
650
700
Дли на в олн ы, нм
Пропускание,%
направление Z направление Z поворот на 90 направление X
направление X поворот на 90 направление Y направление Y поворот на 90
правлениях до и после поворота образца на 90° относительно направления света
Рисунок 14 – Спектры пропускания света кристалла молибдата кальция в разных на-
18
Явление дихроизма не всегда видно вооруженным взглядом. В таком случае необходимо измерять, какое количество света в каждом направлении прошло через кристаллический образец. Измерения такого количества света, то есть коэффициента
пропускания света, осуществляются на спектрофотометре. На
рисунке 14 показаны спектры пропускания света, измеренные
вдоль разных направлений образца в виде кубика, вырезанного
из кристалла с учетом расположения осей кристалла по граням
кубика. Если спектры пропускания измеренные до и после поворота образца на 90° совпадают, значит, в этом направлении не
наблюдается явление дихроизма и ось, вдоль которой проходит
свет, является оптической.
3.2 Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический эффект (от греч. piezō (πιεζω) – дав-
лю, сжимаю) – эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой
пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект – возникновение механических дефор-
маций под действием электрического поля. При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к
возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела, при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его деформацию.
Свойство пьезоэлектричества анизотропно, то есть проявляется
не во всех направлениях кристалла.
Пьезоэлектрики – кристаллы (пьезокристаллы), которые
обладают свойством при сжатии продуцировать электрический
заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством – под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься / расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).
Исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется
свойством элементарной ячейки структуры материала. Необхо-
димым условием для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейке кристалла, то
есть и в самом кристалле.
Таким образом, по внешнему виду кристаллического многогранника можно судить о наличии в нем пьезоэффекта после
19
того, того как установлено, есть или нет в данном кристалле такой элемент симметрии, как центр симметрии.
В реальном кристалле определить наличие пьезоэффекта
(то есть возникновение заряда на поверхности кристалла при механическом воздействии) можно с помощью пьезотестера.
Пьезотестер – прибор, при приложении щупа которого к
поверхности кристалла на индикаторной панели светится красная лампа, если считываемый заряд от поверхности кристалла
положителен, и зеленая, если отрицателен. Если на панели прибора при приложении щупа пьезотестера не загорается лампа,
значит, это направление в кристалле не является пьезоэлектрическим.
Где используются пьезоэлектрики?
Прямой пьезоэффект используется:
- в пьезогенераторах электроэнергии разнообразного на-
значения: в пьезозажигалках, для получения высокого напряжения на разряднике от движения пальца, в контактном пьезоэлектрическом взрывателе (например, к выстрелам РПГ-7);
- в датчиках: в качестве чувствительного к силе элемента
(чем больше сила, тем выше напряжение на контактах), например, в силоизмерительных датчиках, датчиках давления жидкостей и газов; в качестве чувствительного элемента в микрофонах, гидрофонах, головках звукоснимателя электрофонов,
приемных элементов сонаров.
Обратный пьезоэлектрический эффект используется:
- в акустических излучателях: в пьезокерамических из-
лучателях звука (эффективны на высоких частотах и имеют
небольшие габариты, такие, например, встраиваются в музыкальные открытки, различные оповещатели, применяемые во
всевозможных бытовых устройствах от наручных часов до кухонной техники); в ультразвуковых излучателях для увлажнителей воздуха, ультразвуковой гидроочистки (в частности,
ультразвуковых стиральных машин и промышленных ультразвуковых ванн); в излучателях гидролокаторов (сонарах);
- в системах механических перемещений (активаторах): в
системах сверхточного позиционирования (например, в системе
позиционирования иглы в сканирующем туннельном микроскопе или в позиционере перемещения головки жесткого диска); в
адаптивной оптике для изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала;
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]