Тема 1 Закономерности внешней формы кристаллов

1. Макроскопический и микроскопический подход к изучению состояния вещества.

2. Понятие о кристаллах. Основные свойства кристалла.

3. Закономерности внешней формы кристаллов.

1. Микроскопический подход к изучению состояния вещества.

Известно, что в зависимости от условий (давления, температуры) вещество как форма материи может находиться в разных состояниях и формах.

При относительно низких температурах и давлениях вещество конденсируется, т.е. существует в виде твердых тел или жидкостей.

В конденсированном состоянии в 1 см³ содержится ~ 10²¹…10²³ ядер и 10²²…10²⁴ электронов, которые взаимодействуют между собой и с внешними физическими полями.

Простейшая модель конденсированного состояния – в которой конденсат рассматривается как сплошная среда. Такой подход называется макроскопическим. В этом случае не учитываются детали внутреннего строения вещества.

Более точным является микроскопический подход, в котором принимают во внимание внутреннее строение элементов, из которых состоит система.

Простейшей системой, куда входит множество частичек, является газы.

Частички в газах одновременно выполняют две функции:

1. Они являются структурными элементами системы, т.е. «кирпичиками», из которых построена система.

2. Вместе с тем эти частички являются элементарными носителями динамических свойств системы, т.е. они определяют свойства системы в целом. (Это только для газов, т.е. для неконденсированных состояний).

Пояснение: в заданных внешних условиях (полях)каждая частичка газа обладает определённой кинетической энергией Е, которая намного превышает потенциальную энергию взаимодействия частичек И. т.е.

Е >> И

Вследствие этого частички газа движутся независимо одна от другой, при этом возбуждение одной частички в газе не влияет существенно на движение других частичек системы. В конденсированном состоянии соотношение между энергиями частички является противоположными, т.е. Е << И.

Это означает, что частички в конденсированном состоянии сильно связаны между собой. Отсюда вытекает, что возбуждение одной частички моментально приведёт к аналогичному возбуждению соседних частичек (появляется волновой процесс).

Поэтому частички как «строительный материал» конденсата не могут быть носителями динамических свойств системы.

Соответственно подходы, которые описывают газы и конденсированные среды, существенно отличаются.

2. Понятие о кристаллах. Основное свойство кристалла.

Наиболее простой системой конденсированной среды является идеальный кристалл (ИК). Под идеальными кристаллами понимают твердые тела, в которых реализуется симметрия в размещении атомов.

Большинство твёрдых тел в природе имеют кристаллическое строение.

Таковы металлы, кремнезем, глинозём, граниты, базальты, пески, известняки, доломиты, гипс, каменная соль, полевые шпаты и др.

Кристаллическое строение имеют также вещества, находящиеся в растениях. Это белки, каротин, щавелекислый кальций и д.р.

В современной технике кристаллы широко используются в радиотехнике, электронике, автоматике, телемеханике, технике ультразвука, спектроскопии, оптике…

Поэтому изучение строения и свойств образования и роста кристаллов – одна из важнейших задач современной физики.

При этом специалисты не могут удовлетвориться природными свойствами кристаллических тел, т.к. технике необходимы кристаллические тела с наперёд заданными свойствами.

Сегодня в промышленных условиях выращиваются искусственные кристаллы алмаза, кварца, корунда, германия, химических соединений. Более того, ученые создали кристаллы, аналогов которых нет в природе со свойствами, необходимыми для разработки новейших приборов.

Чтобы искусственно изготавливать новые кристаллические тела, чтобы управлять свойствами кристаллов, надо знать законы, которым эти тела подчиняются.

Кристаллография – одна из дисциплин, рассматривающая эти законы.

Кристаллы состоят из частиц (атомов, ионов, молекул), но они имеют такие свойства, каких нет у отдельной частицы.

Высказывание о кристалле академика Вавилова С.И. (1941 г.)

Кристалл нельзя рассматривать как простую сумму молекул, из которых он построен, он ведет себя как особого рода гигантская молекула, как целый спаянный коллектив.

Существенной особенностью расположения частиц в кристаллах является периодическая повторяемость одинаковых частиц, из которых построен кристалл.

Вследствие упорядочного размещения частиц кристаллы приобретают такие свойства, каких нет у некристаллических тел.

Одним из таких свойств является плоскогранность монокристаллов.

Монокристаллами называют одиночные кристаллы, для которых характерен порядок в размещении атомов.

Само слово «кристалл» употреблялось древними греками как название горного хрусталя, который часто встречается в природе в виде тел правильной формы.

Когда мы говорим о кристалле, у нас возникает образ тела, которое имеет правильную форму – куба, октаэдра, призмы…

На самом деле, как мы увидим дальше, правильная форма кристаллов является следствием упорядоченного размещения в нём частиц.

Это основное свойство кристалла.

В природе чаще всего встречаются кристаллические вещества в виде совокупности связанных друг с другом беспорядочно ориентированных монокристаллов. Такие вещества называют поликристаллическими.

Итак, в монокристалле присутствует порядок в размещении частиц, в поликристалле он нарушается на границах одиночных монокристаллов.

Одиночные монокристаллы

Повторить. Итак основное свойство кристалла – это упорядочное размещение в нём частиц.