 |
Структура твёрдых кристаллов
|
|
|
|
КУРСОВАЯ РАБОТА
На тему: Описание, изложение, образование кристаллов и структура свойств в области применения кристаллов
Липецк 2009
Оглавление
Введение
. Твёрдые кристаллы
Структура твёрдых кристаллов
Рост кристаллов
Получение твёрдых кристаллов
Свойства твёрдых кристаллов
. Жидкие кристаллы
История жидких кристаллов
Типы жидких кристаллов
Свойства жидких кристаллов
. Применение кристаллов
Заключение
Библиографический список
Введение
Кристаллы являются одними из самых красивых и загадочных творений природы. В настоящее время изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она выявляет признаки единства в этом многообразии, исследует свойства и строение, как одиночных кристаллов, так и кристаллических агрегатов. Кристаллография является наукой, всесторонне изучающей кристаллическое вещество.
В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов - явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники известняк - кристалличны. По мере совершенствования методов исследования кристалличными оказались вещества, до этого считавшиеся аморфными. Сейчас мы знаем, что даже некоторые части организма кристалличны, например, роговица глаза.
В настоящее время кристаллы имеют большое распространение в науке и техники, так как обладают особыми свойствами. Такие области использования кристаллов, как полупроводники, сверхпроводники, пьезо- и сегнетоэлектрики, квантовая электроника и многие другие требуют глубокого понимания зависимости физических свойств кристаллов от их химического состава и строения.
|
|
|
Данная работа посвящена описанию структуры и свойств кристаллов, а также рассмотрению различных областей их применения.
Твёрдые кристаллы
Кристаллов в природе существует великое множество и так же много существует различных форм кристаллов. В реальности, практически невозможно привести определение, которое подходило бы ко всем кристаллам. Здесь на помощь можно привлечь результаты рентгеновского анализа кристаллов. Рентгеновские лучи дают возможность как бы нащупать атомы внутри кристаллического тела, и определяет их пространственное расположение. В результате было установлено, что решительно все кристаллы построены из элементарных частиц, расположенных в строгом порядке внутри кристаллического тела. Упорядоченность расположения таких частиц и отличает кристаллическое состояние от некристаллического, где степень упорядоченности частиц ничтожна.
Во всех без исключения кристаллических постройках из атомов можно выделить множество одинаковых атомов, расположенных наподобие узлов пространственной решетки. Чтобы представить такую решетку, надо мысленно заполнить пространство множеством равных параллелепипедов, параллельно ориентированных и соприкасающихся по целым граням. Простейший пример такой постройки представляет собой кладка из одинаковых кирпичиков. Если внутри кирпичиков выделить соответственные точки, например, их центры или вершины, то мы и получим модель пространственной решетки. Для всех без исключения кристаллических тел характерно решетчатое строение.
Таким образом, кристаллами называются все твердые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены строго закономерно наподобие узлов пространственных решеток. Это определение является максимально приближенным к истине, т.к. оно подходит к любым однородным кристаллическим телам.
|
|
|
Структура твёрдых кристаллов
Большинство природных или технических твёрдых материалов являются поликристаллическими, т.е. они состоят из множества отдельных, беспорядочно ориентированных, мелких кристаллических зёрен, иногда называемых кристаллитами. К таким кристаллам относятся многие горные породы, технические металлы и сплавы. Монокристаллами называются одиночные кристаллы.
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. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же - 120°.
Закон постоянства углов, открытый в 1669 года датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах - кристаллографии.
Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.
Существует несколько способов, позволяющих узнать, является ли твердое тело кристаллом. Самый простой из них, но очень малопригодный для использования, был открыт в результате случайного наблюдения в конце восемнадцатого века. Французский ученый Р. Гаюи нечаянно уронил один из кристаллов своей коллекции. Рассмотрев осколки кристалла, он заметил, что многие из них представляют собой уменьшенные копии исходного образца.
|
|
|
Замечательное свойство многих кристаллов давать при дроблении осколки, подобные по форме исходному кристаллу, позволило Гаюи высказать гипотезу, что все кристаллы состоят из плотно уложенных рядами маленьких, невидимых в микроскоп, частиц, имеющих присущую данному веществу правильную геометрическую форму. Многообразие геометрических форм Гаюи объяснил не только различной формой «кирпичиков», из которых они состоят, но и различными способами их укладки.
Гипотеза Гаюи правильно отразила сущность явления - упорядоченное и плотное расположение структурных элементов кристаллов, но она не ответила на целый ряд важнейших вопросов. Существует ли предел сохранению формы? Если существует, то, что представляет собой самый маленький «кирпичик»? Имеют ли атомы и молекулы вещества форму многогранников?
Еще в восемнадцатом веке английский ученый Р. Гук и голландский ученый Х. Гюйгенс обратили внимание на возможность построения правильных многогранников из плотно укладываемых шаров. Они предположили, что кристаллы построены из шарообразных частиц - атомов или молекул. Внешние формы кристаллов согласно этой гипотезе являются следствием особенностей плотной упаковки атомов или молекул. Независимо от них к такому же выводу пришел в 1748 году великий русский ученый М. В. Ломоносов.
При плотнейшей укладке шаров в один плоский слой каждый шар оказывается окруженным шестью другими шарами, центры которых образуют правильный шестиугольник. Если укладку второго слоя вести по лункам между шарами первого слоя, то второй слой окажется таким же, как и первый, только смещенным относительно него в пространстве.
Укладка третьего слоя шаров может быть осуществлена двумя способами. В первом способе шары третьего слоя укладываются в лунки, находящиеся точно над шарами первого слоя, и третий слой оказывается точной копией первого. При последующем повторении укладки слоев этим способом получается структура, называемая гексагональной плотноупакованной структурой. Во втором способе шары третьего слоя укладываются в лунки, не находящиеся точно над шарами первого слоя. При этом способе упаковки получается структура, называемая кубической плотноупакованной структурой. Обе упаковки дают степень заполнения объема 74%. Никакой другой способ расположения шаров в пространстве при отсутствии их деформации большей степени заполнения объема не дает.
|
|
|
При укладке шаров ряд за рядом способом гексагональной плотной упаковки можно получить правильную шестигранную призму, второй способ упаковки ведет к возможности построения куба из шаров.
Если при построении кристаллов из атомов или молекул действует принцип плотной упаковки, то, казалось бы, в природе должны встречаться кристаллы только в виде шестигранных призм и кубов. Кристаллы такой формы действительно очень распространены. Гексагональный плотной упаковке атомов соответствует, например, форма кристаллов цинка, магния, кадмия. Кубической плотной упаковке соответствует форма кристаллов меди, алюминия, серебра, золота и ряда других металлов.
Но этими двумя формами многообразие мира кристаллов вовсе не ограничивается.
Существование форм кристаллов, не соответствующих принципу плотнейшей упаковки равновеликих шаров, может иметь разные причины.
Во-первых, кристалл может быть построен с соблюдением принципа плотной упаковки, но из атомов разных размеров или из молекул, имеющих форму, сильно отличающуюся от шарообразной. Во-вторых, отличие упаковки атомов или молекул от плотнейшей может быть объяснено существованием более сильных связей между ними по определенным направлениям. В случае атомных кристаллов направленность связей определяется структурой внешних электронных оболочек атомов, в молекулярных кристаллах - строением молекул.
Разобраться в устройстве кристаллов, пользуясь только объемными моделями их строения, довольно трудно. В связи с этим часто применяется способ изображения строения кристаллов с помощью пространственной кристаллической решетки. Она представляет собой пространственную сетку, узлы которой совпадают с положением центров атомов (молекул) в кристалле. Такие модели просматриваются насквозь, но по ним нельзя ничего узнать о форме и размерах частиц, слагающих кристаллы.
В основе кристаллической решетки лежит элементарная ячейка - фигура наименьшего размера, последовательным переносом которой можно построить весь кристалл. Для однозначной характеристики ячейки нужно задать размеры ее ребер а, в и с и величину углов a, b и g между ними. Длину одного из ребер называют постоянной кристаллической решетки, а всю совокупность шести величин, задающих ячейку, - параметрами ячейки.
|
|
|
Важно обратить внимание на то, что большинство атомов, а для многих типов кристаллической решетки и каждый атом принадлежит не одной элементарной ячейке, а входит одновременно в состав нескольких соседних элементарных ячеек.
Классификация кристаллов и объяснение их физических свойств оказываются возможными только на основе изучения их симметрии. Учение о симметрии является основой всей кристаллографии.
Для количественной оценки степени симметричности служат элементы симметрии - оси, плоскости и центр симметрии. Осью симметрии называют воображаемую прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл (или его решетка) несколько раз совмещается сам с собой. Число этих совмещений называют порядком оси. Плоскостью симметрии называют плоскость, рассекающую кристалл на две части, каждая из которых является зеркальным отображением одна другой. Число плоскостей симметрии может быть различным. Центром симметрии называют точку внутри кристалла, в которой пересекаются все оси симметрии.
Каждый кристалл характеризуется определенным сочетанием элементов симметрии. Ввиду того, что число элементов симметрии невелико, задача отыскания всех возможных форм кристаллов не является безнадежной. Выдающийся русский кристаллограф Е.С. Федоров установил, что в природе может существовать только 230 различных кристаллических решеток, обладающих осями симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядка. Иначе говоря, кристаллы могут иметь форму различных призм и пирамид, в основании которых могут лежать только правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.
Кристаллы разделяют на ионные, ковалентные, молекулярные и металлические в зависимости от их строения. Ионные кристаллы построены из чередующихся катионов и анионов, которые удерживаются в определенном порядке силами электростатического притяжения и отталкивания. В ковалентных кристаллах, которые часто называют атомными в узлах кристаллической решетки находятся атомы, связанные ковалентными связями. Молекулярные кристаллы построены из изолированных молекул, между которыми действуют сравнительно слабые силы притяжения. Что касается металлических кристаллов, то их кристаллическая решетка образована катионами, которые связаны подвижными электронами («электронным газом»).
Рост кристаллов
Никто не видел, как образуется зародыш кристалла в растворе или расплаве. Можно высказать предположение, что беспорядочно движущиеся атомы или молекулы случайно могут расположиться в таком порядке, какой соответствует кристаллической решетке. Если раствор не насыщен или температура расплава выше температуры кристаллизации, то зародыши образуются и тут же растворяются или разрушаются тепловым движением. В перенасыщенном растворе или в расплаве, охлажденном до температуры ниже температуры кристаллизации, скорость роста зародыша превышает скорость его разрушения.
Такое, казалось бы разумное предположение не согласуется с результатами практики. Как показывают расчеты, зародыш будет устойчив и сможет расти, если число молекул на его поверхности много меньше числа внутренних молекул. Теоретическая оценка ребра такого зародыша дает величину около 1*10-8 м, т.е. равную нескольким десяткам межатомных расстояний. В объеме этого минимального устойчивого зародыша содержится несколько тысяч атомов. Ясно, что вероятность столкновения такого большого числа атомов ничтожно мала. Однако допустим, что зародыш каким-то образом все же образовался, и выясним, какие условия необходимы для того, чтобы он не растворился, а начал расти.
При образовании зародыша выделилось тепло. Атомы, образовавшие кристаллическую решетку зародыша, передали часть своей энергии соседним атомам расплава, которые начали двигаться быстрее. Атомы ближайшего окружения зародыша до тех пор не смогут «осесть» на нем, пока не передадут избыточную энергию более отдаленным атомам. Таким образом, рост зародыша будет происходить в том случае, если обеспечить постоянный отвод тепла из расплава.
Как же располагаются на поверхности зародыша оседающие атомы? Раньше считали, что рост кристаллов происходит слой за слоем. Сначала завершается построение одного слоя, потом начинается укладка следующего и т.д. В результате грани, наращиваясь слой за слоем, перемещаются параллельно самим себе в направлении, перпендикулярном плоскости грани, как при кладке кирпичной стены. О справедливости такого предположения, казалось бы, говорят факты существования плоских граней у кристаллов.
После этого рост кристалла затрудняется, так как образование нового слоя - событие менее вероятное. Где бы ни «осел» атом на завершенной плоскости, везде он будет связан с небольшим числом атомов кристалла. Вероятность того, что эта слабая связь будет нарушена тепловым движением, велика, поэтому атом не сможет закрепиться на кристалле и перейдет в раствор или в расплав. При таком механизме застройки атомных плоскостей скорость роста кристалла должна быть очень малой. В опыте же при выращивании кристаллов из паров с пересыщением всего в 1% была обнаружена скорость роста кристалла в 101000 раз больше рассчитанной теоретически. По-видимому, большего расхождения теории с опытом в физике не наблюдалось.
Объяснение этому расхождению теории и практики было найдено лишь сравнительно недавно, в 1949 году. Легкость, с какой начинается застройка новой атомной плоскости, оказалось возможным объяснить тем, что реальные кристаллы имеют множество дефектов структуры.
Описывая строение кристаллов, мы пользовались их идеальными моделями. Отличие реальных кристаллов от идеальных заключается в том, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой, а имеют целый ряд нарушений в расположении атомов, называемых дефектами. Знание условий образования дефектов и способов их устранения играет большую роль при использовании кристаллов на практике.
Самые простые дефекты в идеальной кристаллической решетке возникают в результате замещения собственного атома чужеродным, внедрения атома в междоузлие, отсутствия атома в одном из узлов кристаллической решетки.
Особую роль в процессе роста кристалла играют несовершенства его структуры, называемые дислокациями (смещениями). Простейшими видами дислокации являются краевая и винтовая. Краевая дислокация образуется в месте обрыва «лишней» атомной полуплоскости. В случае винтовой (дислокации атомные плоскости образуют систему, напоминающую винтовую лестницу. Количество дислокаций в кристаллах может быть очень большим, достигая 108 - 109 см-3. Кристаллов без дислокаций не существует. Постоянное наличие открытой ступеньки винтовой дислокации создает благоприятные условия для роста кристалла, ведь не нужно начинать строить ни новый ряд, ни новую плоскость. Атомы, пристраивающиеся к ступенькам, наращивают ее, и за счет этого она начинает перемещаться по поверхности грани. Но это движение не будет перемещением ступеньки параллельно самой себе, так как ее конец неподвижен. Нетрудно сообразить, что если атомы укладываются с постоянной скоростью вдоль всей длины ступеньки, то она по мере роста начнет изгибаться и примет форму спирали. Постоянное наращивание ступеньки новыми слоями атомов приведет к тому, что на грани кристалла образуется спиральная башенка. Центральная часть ее как бы ввинчивается в пространство, опережая в своем движении нижние ступеньки лестницы, которые со временем будут застроены полностью и исчезнут, превратившись в завершенный атомный слой.
Зарождение кристалла облегчается при наличии в растворе или расплаве мельчайших инородных тел - пылинок и других загрязнений. Очевидно, в данном случае зародыши кристаллов образуются не путем объединения при случайных столкновениях атомов или молекул, а в результате осаждения атомов на твердых инородных телах, пылинках, практически всегда присутствующих в расплаве или газе. Например, зародышами снежинок являются взвешенные в воздухе твердые пылинки, чаще всего мельчайшие кварцевые песчинки. Неправильная форма пылинки, на которой начинается зарождение кристалла, способствует возникновению в нем дислокации и резкому возрастанию скорости роста кристалла.
Способы зарождения новых слоев и скорости роста граней кристаллов различных веществ неодинаковы. Одни кристаллы вырастают в виде пластин, другие - в виде иголок. Это вызвано многими причинами. Одна из них - различие молекул вещества по форме. Различие скоростей роста граней кристаллов многих веществ объясняется зависимостью от направления величины сил связи частиц, образующих кристалл. Вероятность прилипания молекул в направлении действия больших сил, конечно, оказывается большей, чем в направлении действия меньших сил. Так обстоит дело в кристаллах с пластинчатой структурой (слюда, графит), в которых рост происходит преимущественно вдоль плоскостей, где действуют сильные связи. В направлениях, перпендикулярных этим плоскостям, скорость роста значительно ниже.
Но не только форма молекул и заметная разница сил их взаимодействия в различных направлениях определяют форму растущего кристалла. Если кристаллы растут при больших пересыщениях пара или раствора, то часто образуются необычные для данного вещества ветвистые, древовидные формы, называемые дендритами. Объясняется это тем, что вершины кристаллов соприкасаются с более пересыщенным паром или раствором, чем их грани. Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются в глубь неиспользованного раствора или пара, что способствует их дальнейшему быстрому росту и т, д.
Примером дендритных образовании являются снежинки, ледяные узоры на стекле. При медленном росте кристаллы льда принимают обычную для них форму шестигранных призм. Дендриты образуются при быстром охлаждении расплавов солей и металлов. В природе довольно часто встречаются в виде дендритов серебро, медь, золото.
|
|
|
