12+  Свидетельство СМИ ЭЛ № ФС 77 - 70917  Пользовательское соглашение      Контактная и правовая информация
 
Педагогическое сообщество
УРОК.РФ
УРОК
Материал опубликовала
Забелина Маргарита Владимировна9884
Россия, Забайкальский край, п. Карымское
Материал размещён в группе «Учителя физики»

Тема: В глубинах кристалла.

«План исследований».

Ледяная сосулька и клинок сабли, железнодорожный рельс и кристалл рубинового лазера, обломок кирпича и драгоценный бриллиант, корпус космической ракеты и раскаленная нить электролампы – все это твердые тела. Мы живем на поверхности твердого тела – земного шара, в домах, построенных из твердых тел. Наше тело, хотя оно и содержит 65% воды (мозг – 80%), тоже считают твердым.

Знать и изучать свойства твердых тел необходимо. Ведь это позволяет создавать новые вещества, улучшать уже существующие, находить новые области применения твердых тел в науке и технике. В акустике не обойтись без пьезокристаллов. В оптике твердые тела используют для изготовления линз, призм и других элементов оптических установок. Квантовая электроника широко использует в лазерах кристаллы рубина, сапфира и других веществ. Выращивание кристаллов превратилось в целую отрасль промышленности. Искусственные алмазы и другие сверхтвердые материалы позволяют во многих случаях отказаться от дорогих естественных алмазов. Новые конструкционные материалы, созданные на основе изучения и улучшения механических свойств и жаропрочности твердых тел, идут на изготовление корпусов космических ракет. Огромные возможности для науки и техники открыло создание полупроводниковых материалов и приборов, а так же использование жидких и фотонных кристаллов.

Получение материалов с заданными механическими, магнитными, электрическими и другими свойствами – одно из основных направлений современной физики твердого тела. Примерно половина физиков мира работают сейчас в этой области науки.

Учет вышеизложенных фактов определил тему моей работы: «В глубинах кристалла».

Цель работы: вырастить кристаллы и понять зависимость форм и свойств кристаллов от их внутреннего строения, благодаря которым они нашли такое широкое применение.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

3. Вырастить кристаллы поваренной соли и сахара, медного и железного купороса, салицилового спирта и сульфата магния, льда.

4. Исследовать особенности и скорость роста кристаллических тел.
5. Исследовать свойства кристаллических тел.
6. Проанализировать полученный результат эксперимента.

7. Рассмотреть применение кристаллов в науке и технике.

8. Создать фотогалерею выращенных кристаллов и презентацию.

Гипотеза:
В домашних условиях можно вырастить достаточно большие кристаллы. С помощью простейших приборов и материалов можно исследовать свойства кристаллов. Доказать, что все физические свойства, благодаря, которым кристаллы так широко применяются, зависят от их строения – их пространственной кристаллической решетки.

Объект исследования: кристаллические тела.
Предмет исследования: поваренная соль, сахар, медный и железный купорос, салициловый спирт, сульфат магния, вода, слюда.
Тема моей работы «В глубинах кристалла» заинтересовала меня, прежде всего своей красотой. Строение, свойства, особенности кристаллических тел объяснили ученые, а писатели, поэты, художники, ювелиры показали красоту кристаллов в своих творениях. Поэтому первое, что я решила сделать – это подобрать загадки, стихи, отрывки из художественной литературы, картины, фотографии, где речь идет о кристаллах. В процессе работы я поняла, что научное познание природы и её поэтическое восприятие идут рука об руку, взаимно обогащая друг друга. Знание физики природных явлений позволяет ещё сильнее ощутить их внутреннюю гармонию и красоту; в свою очередь, ощущение этой красоты есть дополнительный и притом мощный стимул к дальнейшему исследованию.

Так что же такое кристаллы? И почему они вызывают у людей чувство восхищения, удивления, любопытства? Какими свойствами обладают кристаллические тела? И где можно их применить? На все эти вопросы я попыталась найти ответы в научной литературе.

Следующим этапом моей работы стало изучение особенностей кристаллических тел. Я рассмотрела с помощью лупы коллекции минералов и горных пород, выделила отличительные признаки данных тел. Изготовив самодельный гониометр, я измерила, углы между гранями поваренной соли. Таким образом, я доказала важнейший закон кристаллографии - закон постоянства углов.

Многие технологические потребности в кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды ученых не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. Я тоже решила вырастить кристаллы и у меня получилось. В домашних условиях, используя простые химические вещества, мне удалось получить кристаллы поваренной соли, сахара, медного купороса, сульфата железа, салицилового спирта, сульфата магния, льда. Оказалось, что выращивание кристаллов – интересное и увлекательное занятие. Я вела наблюдение за процессом роста кристаллов из раствора, сравнила скорости роста кристалла в различных направлениях и определила  для некоторых из них вид сингонии. Мной была создана фотогалерея работ и собрана коллекция выращенных кристаллов. Используя выращенные кристаллы, я провела исследование зависимости физических свойств твердых тел от направления, таких как теплопроводность, спайность, прочность.

Много внимания уделял человек изучению кристаллов и их свойств. Современные знания о кристаллах не являются полными, но эти знания позволяют использовать кристаллы во многих сферах человеческой деятельности. Я изучила вопрос об использовании кристаллов и перспективах применения новейших технологий на их основе. Перечень видов применения кристаллов достаточно длинен и непрерывно растет.

Таким образом, в процессе работы я использовала следующие методы исследования:
1.Работа с научной и художественной литературой.
2. Проведение констатирующего эксперимента, с целью выяснения физических свойств и особенностей кристаллических тел.

3. Целенаправленное, длительное наблюдение за процессом роста кристаллов, с отражением результата в дневнике наблюдений.

5.Анализ полученных результатов и соотнесение его с гипотезой.

Я изучила много литературы во время работы над статьей. Так, например, в книге Китайгородского А.И. «Кристаллы» можно найти ответы на многие вопросы. Что такое кристалл? Проследить эволюция взглядов на природу кристаллов; рассмотреть особенности пространственных решеток; строение и физические свойства; изотропность, анизотропность, полиморфизм, симметрию.

Эти же вопросы рассмотрены в пособии для учителя «Физика 9-11 классы. Проектная деятельность учащихся». Автор – составитель Лымарева Н.А. Кроме этого в книге предложены методы выращивания кристаллов в лабораторных и домашних условиях. Изучены свойства жидких и фотонных кристаллов. Рассмотрены области применения кристаллов; современные разработки и перспективы применения новейших технологий в будущем.

Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях из насыщенного раствора подробно описан в статье Клия О.М. «Как вырастить кристалл» из журнала «Квант» 1970 года № 5. Автор предлагает способ приготовление маточного раствора, а так же получение кристалла-затравки.

В книге Ольгина О. «Опыты без взрывов» предложены способы выращивания кристаллов из меди и соли, однако автор не преследует целей вырастить крупный однородный монокристалл.

Интересно пособие для учителей и учеников Элизабет А. Вуд «Кристаллы». В нем рассказывается, как из простых химических веществ можно получить удивительные, необычные кристаллы. Например, из сахара, буры, серы, сульфата магния и даже нафталина. Автор предлагает провести с выращенными кристаллами различные опыты, в которых проявятся свойства и особенности кристаллических тел. Грамотные и подробные выводы можно найти после каждого опыта.

В статье я рассказала лишь малую часть того, что известно о кристаллах, однако и эта информация показала, насколько неординарны и загадочны эти тела по своей сущности. В настоящее время они имеют большое значение в науке и техники, так как обладают особыми свойствами. Такие области использования кристаллов, как полупроводники, сверхпроводники, пьезо - и сегнетоэлектрики, квантовая электроника, фотоника и многие другие требуют глубокого понимания зависимости физических свойств кристаллов от их химического состава и строения. Теперь, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, область их применение расширилась, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.

 

Тема: В глубинах кристалла.

«Научная статья (описание работы)».

Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, напоминающие чистый лед. Сначала древние натуралисты дали им название «кристаллос», которое по-гречески означает лед, а затем горный хрусталь. Они полагали, что лед, находясь, длительное время в горах, на сильном морозе окаменевает и теряет свою способность таять. Один из самых авторитетных философов Аристотель писал, что «кристаллос рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту». (1) Так что же такое кристалл? Слово кристалл для меня связано с чудом, сказкой. Снегурочка, Серебряное копытце, хозяйка Медной горы, три царевны подземного царства, олицетворяющие богатство земных недр и люди, которые добывают, обрабатывают, создают из кристаллических тел уникальные произведения искусства. Удивителен и многообразен мир кристаллов! Их красотой восхищаются не только ученые, но и писатели, поэты, художники. Кристаллические тела с давних пор оказывали заметное воздействие на основные сферы интересов человека: эмоциональную (религия, искусство), идеологическую (религия), интеллектуальную (наука, искусство).

Определение «кристалл» дано во многих энциклопедиях и справочниках. Например, по словарю С.М. Ожегова: «кристалл – это твердое тело, имеющее упорядоченное, симметричное строение». А вот в справочнике «Элементарной физики» кристаллу дается более полное определение: «кристалл – это однородное анизотропное тело, в котором частицы (ионы, атомы, молекулы) расположены в пространстве правильно построенными цепочками, плоскими сетками и трехмерными решетками; эти частицы совершают колебания относительно положения равновесия». (2) Твердым телам или кристаллам, присуще периодически повторяемое в пространстве расположение атомов, ионов, молекул. Иначе говоря, кристаллическая решетка. У кристаллических твердых тел существует четыре вида пространственных решеток:

Ионная решетка. В узлах этой решетки в определенном порядке чередуются ионы противоположных знаков, удерживающиеся в положении устойчивого равновесия электростатическими силами. Например, такая пространственная решетка у соли (NaCl). Атомная решетка. В узлах этой решетки находятся нейтральные атомы, взаимодействия между которыми происходит через общие для каждых двух соседних атомов электронные пары (ковалентная связь). Примером служит алмаз и графит.

Молекулярная решетка. В узлах данной решетки расположены нейтральные молекулы, удерживающие молекулярными силами притяжения. Например, такую кристаллическую решетку имеют: H2, N2, O2, CO2, HO2 .

Металлическая решетка. В узлах этой решетки находятся положительные ионы, взаимодействие между, которыми осуществляется через общественные, свободные электроны.

Семейство кристаллических тел состоит из двух групп: монокристаллов и поликристаллов. Монокристалл – это отдельный, однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решетку и характеризующийся анизотропией свойств. Примером может служить монокристалл каменной соли, алмаза, исландского шпата. Поликристалл – это твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов. Примерами поликристаллов являются: сахар-рафинад, а также, такие металлические изделия, как вилки, ложки, колпаки автомобильных колес. (2)

В облаках, в глубинах Земли, на вершинах гор, в песчаных пустынях, в озерах, морях и океанах, в доменных печах, в научных лабораториях, в клеточках растений, в живых и мертвых организмах - везде встречаем мы кристаллы. Как отличить кристаллы разных веществ друг от друга? По цвету? По блеску? Нет, это признаки ненадежные. К примеру, кристаллы кварца могут быть бесцветными, золотистыми, коричневыми, черными, сиреневыми, лиловыми. В музее в Санкт-Петербурге хранится коллекция кристаллов природного корунда сорока различных цветов и оттенков: кроваво-красный рубин, голубой сапфир, бесцветный лейкосапфир, черный наждак - все это один и тот же минерал корунд или окись алюминия.(3) Поэтому я внимательно рассмотрела с помощью лупы, имеющиеся наборы кристаллических тел и пришла к следующим выводам:

1. Кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами. 2. Эти твердые тела - поликристаллы. Они состоят из множества кристаллов беспорядочно ориентированных относительно друг друга. 3.Отдельные части кристалла повторяют друг друга, образуя красивую симметричную фигуру. 4. Грани ровные. Углы между отдельными гранями кристаллов одинаковы. 5. Цвет кристаллов различен, — очевидно, это зависит от примесей.

Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством. Какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба,

параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах — кристаллографии. На разных индивидах одного и того же кристаллического вещества углы между соответственными гранями или pёбpaми одинаковы.(4)

Измерение углов между гранями кристаллов имеет очень большое практическое значение, так как по результатам этих измерений во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала. Простейшим прибором для измерения углов кристаллов является прикладной гониометр. Применение прикладного гониометра возможно только для исследования крупных кристаллов, невелика и точность измерений, выполненных с его помощью. Поэтому в лабораторных условиях измерение углов между гранями кристалла обычно выполняют с помощью более сложных и точных приборов. Изучая особенности кристаллических тел, я решила доказать закон Стено. Для этого из двух линеек

изготовила гониометр и измерила, углы между гранями поваренной соли. Образцы соли были выращены мной. Результаты измерений занесла в отчетную таблицу.

 

Образец

Углы между гранями

1

2

3

4

5

6

Поваренная соль № 1

90

86

90

87

88

89

Поваренная соль № 2

87

88

90

90

89

88

 

Таким образом, вы видите, что все грани имеют одинаковые размеры углов 87 – 900, что дает им правильную геометрическую форму - куб. Закон постоянства углов - доказан.

Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как вода, ветер, колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Но такой кристалл можно вырастить в искус­ственных условиях. Выращивание кристаллов физико-химический процесс. Растворимость веществ можно отнести к физическим явлениям, так как происходит разрушение кристаллической решётки. Другой физический процесс – диффузия, когда происходит самопроизвольное перемешивание веществ. Однако зачастую мы наблюдаем и химические процессы: гидролиз и сольватацию.

Существуют два простых способа выращивания кристаллов из пересыщенного раствора: путем охлаждения насыщенного раствора или путем его выпаривания. Первым этапом при любом из двух способов является приготовление насыщенного раствора. Растворимость любых веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением температуры — уменьшается.

При охлаждении насыщенного раствора в нем будет находиться избыточное количество вещества. При отсутствии центров кристаллизации это вещество может оставаться в растворе, то есть раствор будет пересыщенным.

С появлением центров кристаллизации избыток вещества выделяется из раствора, и выпадает в виде кристаллов, число которых тем больше, чем большее число центров кристаллизации содержащихся в растворе. Центрами кристаллизации могут служить пылинки, мелкие кристаллики. Если дать выпавшим кристалликам подрасти в течение суток, то среди них найдутся чистые и совершенные по форме экземпляры. Они могут служить затравками для выращивания крупных кристаллов.

Для выращивания монокристалла в тщательно отфильтрованный насыщенный раствор вносят кристаллик — затравку, заранее прикрепленный на нить.(5) Можно вырастить кристалл и без затравки. Для этого волос или леску обрабатывают, спиртом опускают в раствор так, что бы конец висел свободно. На конце волоса или лески может начаться рост кристалла. Во время роста кристалла стакан с раствором лучше всего держать в теплом сухом мести, где температура в течение суток остается постоянной. На выращивание крупного кристалла в зависимости от условий эксперимента может потребоваться от нескольких дней до нескольких недель.

Выращивание сростков кристаллов (друз) это – один из самых быстрых способов. Если выращивание одиночных кристаллов занимает много времени и рассчитано на постепенный, правильный рост кристаллов, то выращивание друзы гораздо легче, потому что оно ориентируется на быстрое, хаотическое выпадение кристаллов. Для начала необходимо приготовить перенасыщенный раствор вещества в горячей воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку – подвешенный на ниточке кристаллик. Уже через 5-10 часов можно увидеть большое количество кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Неплохие результаты получаются, если смешать оба метода: сначала вырастить друзу, а потом погрузить её в раствор для медленной кристаллизации.(4) В домашних условиях можно вырастить кристаллы различных типов, отличающиеся друг от друга химическим составом, внутренней структурой, формой, окраской. Доказательством этому является созданная мной фотогалерея и коллекция кристаллов. Во время эксперимента я вела дневник наблюдений.

Особенно интересно было следить за ростом кристаллов льда. В небольшое глубокое чайное блюдце я налила воды. Блюдце поставила в снег. Через некоторое время температура воды стала равной 0°С. Теряя тепло, вода при 0°С в блюдце начала замерзать. На поверхности воды появились прозрачные, вытянутые в длину игольчатые кристаллы льда. Появившись по отдельности, они быстро соединились в группы. Образовалась твёрдая корочка льда на поверхности воды. Потом я на небольшое чистое стёклышко поместила большую каплю воды. Охладила стёклышко, прижав его к снегу. Замерзая, капля воды дала прекрасные кристаллы в виде разнообразных звёздочек. При рассмотрении в лупу кристаллы льда имеют форму удлиненных шестиугольных призмочек. Увеличиваясь и разрастаясь, ледяные иголочки встречаются одна с другой, ветвятся. Так образуются узоры мороза на стеклах окон. Ветвистые кристаллы ученые называют дендритами, т.е. древообразными. Для образования дендритов необходимо быстрое охлаждение. 

Кроме этого, с помощью микроскопа я провела наблюдение за процессом роста кристаллов из раствора гипосульфита натрия и сравнила скорости роста в различных направлениях.

Порядок выполнения работы был следующим: поместила на столик микроскопа линейку и нанесла на поверхность предметного стекла капельку раствора гипосульфита натрия. Нашла в капельке кристаллик гипосульфита натрия, имеющий форму прямоугольника. Повернула предметное стекло так, чтобы одна из сторон прямоугольника располагалась в поле зрения микроскопа горизонтально, а другая – вертикально. Оценила длину и ширину кристалла. Повторила измерение размеров кристалла через 1, 2, 3, 4, 5 минут.

Рассчитала и сравнила скорость роста кристалла в горизонтальном и вертикальном направлениях. За счёт высокой скорости роста кристаллы гипосульфита натрия за 5–6 минут полностью кристаллизуются, закрывая всё поле зрения микроскопа. Поэтому продолжительность наблюдений ограничивается 4–6 минутами.

По моим наблюдениям, кристаллы гипосульфита прямоугольного сечения в процессе роста превращаются в кристаллы квадратного сечения. Переход прямоугольник - квадрат уже хорошо показывает, что в одном направлении кристалл растёт быстрее, чем в другом. Скорости роста кристалла в горизонтальном и вертикальном направлениях различаются по причине анизотропии.

Форма и свойства кристаллов, прежде всего, зависят от их внутреннего строения, то есть от кристаллической структуры. Структура кристалла - это пространственное расположение его атомов (или молекул). Геометрия такого расположения подобна рисунку на обоях, в которых основной элемент рисунка повторяется многократно. Одинаковые точки можно расположить на плоскости пятью разными способами, допускающими бесконечное повторение. Для пространства же имеется 14 способов расположения одинаковых точек, удовлетворяющих требованию, чтобы у каждой из них было одно и тоже окружение. Это пространственные решетки, называемые также решетками Браве по имени французского ученого О.Браве, который в 1848 году доказал, что число возможных решеток такого рода равно 14: триклинная, моноклинная, моноклинная базоцентрированная, орторомбическая, орторомбическая базоцентрированная, орторомбическая объемно-центрированная, орторомбическая гранецентрированная, тетрагональная, тетрагональная объемно-центрированная, ромбоэдрическая, гексагональная, кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная. Требование того, чтобы каждый узел решетки имел одинаковое атомное окружение, применительно к кристаллам налагает ограничения на сам основной элемент рисунка. При повторении он должен заполнять все пространство, не оставляя пустых узлов. Было установлено, что существует лишь 32 варианта расположения объектов вокруг некоторой точки (например, атомов вокруг узла решетки), удовлетворяющих этому требованию. Это так называемые 32 пространственные группы. В сочетании с 14 пространственными решетками они дают 230 возможных вариантов расположения объектов в пространстве, называемых пространственными группами. Поскольку структура кристалла определяется не только пространственным расположением атомов, но и их типом, число структур очень велико. (6)

Говоря о кристаллах, я имела ввиду их идеальные модели. Отличие реальных кристаллов от идеальных заключается в том, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой, а имеют целый ряд нарушений в расположение атомов, называемых дефектами – нарушение идеальной кристаллической структуры.(7) Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства кристаллов. Посмотрите на лист слюды. Он легко расщепляется по плоскости и в то же время обладает высокой прочностью в направлении, перпендикулярном плоскости листа. А еще, вспомните причудливые ледяные узоры на окнах. Форма снежинок свидетельствует о том, что кристаллизация паров воды в переохлажденном воздухе идет быстрее в определенных направлениях. Опыт со слюдой, наблюдение роста снежинок показывают, что свойства моно­кристаллов в разных направлениях неодинаковы. Можно указать и другие свойства, например теплопроводность, сопротивление, которые тоже зависят от направления в кристалле. Эго свойство монокристаллов называют анизотропией. Я исследовала кристаллы медного купороса и стекла на теплопроводность. Покрыла их тонким слоем парафина. Раскаленной иглой прикоснулась к поверхности. Рассмотрела получившиеся из парафина фигуры. В одних случаях форма была круглая, а в других - вытянутая. Это значит, что в первом случае тепло распространялось по всем направлениям одинаково, а во втором – тепло распространялось в одних направлениях быстрее, а в других медленнее. Подобный эксперимент я провела с поликристаллами и обнаружила, что они проводят тепло во всех направлениях одинаково. Таким образом, я пришла к выводу, что физические свойства поликристаллов от направления не зависят: они изотропны.

Простейшим примером анизотропии кристаллов является неодинаковая их прочность по разным направлениям. Это свойство наглядно проявляется при дроблении кристаллических тел. С помощью молотка я разбила кристалл медного купороса. Тщательное изучение осколков показало, что они представляют собой одинаковой формы геометрические тела, отличающиеся только размерами. Поперек поверхности заставить кристалл разрушаться очень трудно. Способность кристалла раскалываться в определенном направлении называется спайностью. Силы сцепления между атомами в некоторых симметрично расположенных плоскостях очень малы, и кристалл раскалывается по этим плоскостям.(8) Ещё один опыт подтверждает это свойство. Используя молоток и иголку, я ударила по поверхности слюды. Получила картину прочности в виде шестиугольной звезды. Таким образом, анизотропия свойств кристаллов зависит от симметрии структуры, от расположения атомов, от сил связи между ними.(9)

Ещё одна задача стояла передо мной. Сравнить формы полученных кристаллов с формами их кристаллических решеток. Кристаллы поваренной соли относятся к кубической сингонии – куб (гексаэдр), монокристалл медного купороса – ромбоэдр (средние сингонии), форма кристалла железного купороса соответствует ромбической призме (низшей сингонии).

Проведя исследования, я пришла к главному выводу, что кристаллы получили такое широкое применение в нашей жизни благодаря своему строению и физическим свойствам. Знаменитое изречение академика А.Е. Ферсмана «Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твердые прямолинейные законы» полностью согласуется с неугасающим научным интересом ученых всего мира и всех областей знаний к данному объекту исследования. Так в конце 60-х годов прошлого века начался серьезный научный прорыв в области жидких кристаллов, породивших «индикаторную революцию» по замене стрелочных механизмов на средства визуального отображения информации. Позже в науку вошло понятие биологический кристалл (ДНК, вирусы), а в 80-х годах ХХ века – фотонный кристалл. (8)

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому я ограничусь несколькими примерами. Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 миллионов оборотов. Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов. Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность. А вот вся часовая промышленность работает на искусственных руби­нах. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, капрона, нейлона. Новая жизнь рубина - это лазер. В 1960 году был создан первый лазер на рубине.

Другим замечательным минералом, применяемым в технике, является кварц. Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон, горный хрусталь — все это разновидности кварца. Например, чистые бездефектные кристаллы горного хрусталя идут на изготовление призм, спектрографов, поляризующих пластинок. Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Это пьезоэлектрический эффект в кристал­лах. Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для вос­произведения, записи и передачи звука. Существуют и пьезоэлектрические методы измерения давления крови в кровеносных сосудах человека и давления соков в стеблях и стволах растений. Пьезоэлектропластинками измеряют, например, давление в стволе артиллерийского орудия при выстреле, давление в момент взрыва бомбы, мгновенные давления в цилиндрах двигате­лей при взрыве в них горячих газов.

В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид. Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества. Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. По­ляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно прихо­дится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от за­леденевшего снежного поля. Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из-за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния. Крупные монокристаллы этих веществ выращивают из раствора, расплава или газовой фазы. Например, выращенный из раствора маленький кристалл германия помещают в насыщенный водный раствор, который начинают выпаривать. Из-за того, что соли осаждаются на кристалле, он увеличивается. Кристаллы, выращенные в трех фазах, достигают огромных размеров: 30-40 см в длину и 5-10 см в диаметре. Из «этих монокристаллов – гигантов» германия или кремния вырезают множество пластинок шириной в доли миллиметра, которые протравливают и полируют. Кремниевые пластинки используются для создания интегральных схем. Современный уровень технологии позволяет на пластине кремния площадью несколько квадратных миллиметров разместить десятки тысяч электронных элементов. (10) Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Фотонные кристаллы – один из объектов нанотехнологии, междисциплинарной области, которая служит основой техники XXI века. Фотонные кристаллы открыли удивительную возможность для хранения, передачи и обработки информации на базе материалов нового типа (фотоника). Эффективность передачи в уже созданных кристаллах составляет 95%, для стандартных светопередающих сред 30%. Вероятно в ближайшее время будут использоваться сочетания традиционных полупроводниковых устройств и устройств на базе фотонных кристаллов. В будущем планируется переход на компьютеры, основанные исключительно на фотонике. (8)

Этими примерами можно было бы закончить мой короткий рассказ. Но перечень видов применения кристаллов в технике непрерывно растет. Дальнейшее развитие науки продолжает выявлять в них все новые и новые свойства. Рубиновые стекла в иллюминаторах и приборах космических кораблей, световоды из горного хрусталя, позволяющие практически мгновенно передавать с помощью лазерного луча громадное количество информации, алмазы в качестве детекторов ядерных излучений — даже простое перечисление показывает, что замечательные кристаллы находятся на самом переднем крае науки и техники.

 

Библиография.

1. Шаскольская М.П. Кристаллы. Книга/М.П. Шаскольская – М.: Наука, 1985. 2. Китайгородский А.И. Кристаллы. Книга/ А.И. Китайгородский – М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. – 208с. 3. Журнал «Квант» Клия О.М. «Как вырастить кристалл». 1970 № 5. - 42-44с. 4.Разумовский В.Г. Физика и научно-технический прогресс: книга для учителя/ В.Г. Разумовский, Э.М. Браверманн, Н.Е. Важеевская и другие – М.: Просвещение, 1988. – 176с.

5. Ольгин О. Опыты без взрывов: книга для учителя/ О. Ольгин 6.Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. – М.: Просвещение, 2009.- 366с.

7. Детская энциклопедия. Для старшего и среднего возраста. Том 3. – М.: Педагогика, 1973.- 544с. 8.Неорганическая химия. Энциклопедия школьника. – М.: Советская Энциклопедия,1975. – 384с.

9.Касьянов В.А Физика. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений/В.А. Касьянов – М.: Просвещение, 2009.- 366с

10. Детская энциклопедия. Для старшего и среднего возраста. Том 1. – М.: Педагогика, 1971.- 448с.

11. Элизабет А. Вуд Кристаллы. Пособие для учителей и учеников/ Элизабет А. Вуд -

По заказу Комиссии по преподаванию кристаллографии при Международном Союзе Кристаллографов, 1972.

 

Глоссарий.

Гониометр – простейший прибор для измерения углов кристаллов.

Гидролиз - (от древнегреческого «вода» и «разложение») – один из видов химических реакций сольволиза, где при взаимодействии веществ с водой происходит разложение исходной молекулы с образованием новых соединений.

Друзы - это множество кристаллов, расположенные на одном основании.

Дендриты – незавершенные в развитии кристаллы.

Диффузия – явление самопроизвольного перемешивание веществ.

Идеальный кристалл – является по сути дела, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани и так далее.

Кристалл – твердое тело, имеющее упорядоченное, симметричное строение. (Из словаря С.М. Ожегова)

Кристаллография – наука о кристаллах и кристаллическом состоянии вещества.

Кристаллизация – образование кристаллов из паров, расплавов в специальных установках или при химических реакциях.

Кристаллическая решетка – расположение атомов, ионов и молекул, характеризующееся периодической повторяемостью в пространстве и присущее твердым телам (кристаллам).

Реальный кристалл - всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

Сольвата́ция - (от латинского «растворяю») — электростатическое взаимодействие между частицами (ионами, молекулами) растворенного вещества и растворителя.

Спайность - способность кристалла раскалываться по плоскостям определенной ориентации с образованием гладких поверхностей.

Сингония - (от греческого «согласно, вместе» и «угол») — одно из подразделений кристаллов по признаку формы их элементарной ячейки. В основном применяется в кристаллографии для категоризации кристаллов, но представление о сингонии само по себе является одной из тем трехмерной евклидовой геометрии

Опубликовано в группе «Учителя физики»

Комментарии (0)

Чтобы написать комментарий необходимо авторизоваться.