 |
Тепловые свойства кристаллов
|
|
|
|
Теплоемкостью называется количество теплоты, необходимое для нагревания 1 моля (мольная теплоемкость) или 1 грамма (удельная теплоемкость) вещества на 1 градус.
Теплоемкость – это скалярное свойство, не зависящее от направления.
Теплопроводность – это явление переноса тепла, зависящее от симметрии кристалла.
Теплопроводность – тензорное свойство, описывается по закону эллипсоида. Если мысленно поместить точечный источник тепла внутрь кристалла и по разным направлениям отложить в виде векторов значения теплопроводности, то концы векторов образуют замкнутые изотермические поверхности в форме сферы для кубических кристаллов, эллипсоида вращения для кристаллов средней категории и трехосного эллипсоида – для кристаллов низшей категории. Таким образом, теплопроводность кубических кристаллов изотропна, а кристаллов средней и низшей категории – анизотропна.
Анизотропия теплопроводности связана со структурой кристаллических веществ. Наиболее плотным сеткам и рядам соответствуют большие значения теплопроводности, поэтому величина теплопроводности в слоистых и цепочечных кристаллах в разных направлениях различна. Например, в структуре графита теплопроводность в плоскости атомной сетки в несколько раз превышает теплопроводность в перпендикулярном слоям направлении.
Теплопроводность зависит от степени совершенства кристаллов, у более дефектных кристаллов она ниже. Аморфные вещества обладают, как правило, более низкой теплопроводностью, чем кристаллические.
Расширение кристаллических тел при нагревании связано с особенностями теплопроводности. Изотропные кристаллы кубической сингонии расширяются во всех направлениях равномерно, а анизотропные кристаллы средней и низшей категории – неравномерно, что приводит к изменению углов между соответствующими гранями.
|
|
|
Оптические свойства кристаллов
Световая волна
Световая волна представляет собой совокупность поперечных гармонических колебаний электромагнитной природы.
Каждое вещество с определенной кристаллической структурой обладает своеобразными оптическими свойствами. В отношении оптических свойств все вещества можно разделить на оптически изотропные и анизотропные. Изотропными свойствами обладают аморфные тела и кристаллы высшей категории, анизотропными – кристаллы средней и низшей категории. В оптически изотропных средах световая волна распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях. В оптически анизотропных средах скорости распространения световой волны в разных направлениях могут быть различны.
Показатель преломления
Электромагнитные колебания естественного света происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча. Скорость распространения света обратно пропорциональна плотности среды, поэтому при переходе света из одной среды в другую происходит преломление лучей, т. е. их отклонение от первоначального направления. Это явления характеризуется показателем преломления.
Показатель преломления – величина, показывающая во сколько раз скорость света в одной среде, отличается от скорости света в другой среде.
Если одна из сред вакуум, то такая величина называется абсолютным показателем преломления:
.
Абсолютный показатель преломления всегда больше 1. Показатели преломления твердых тел лежат в пределах от 1,4 до 2.
Луч света, идущий перпендикулярно поверхности двух сред, не испытывает преломления. В том случае, если свет из среды с большим показателем преломления попадает в среду с меньшим показателем преломления под углом, превышающим предельный, то наблюдается полное внутренне отражение.
|
|
|
Цвет кристаллов
Окраска кристаллов связана с типом оптического поглощения света. Цвет определяется поглощением некоторой части естественного спектра, при этом он соответствует непоглощенной части спектра. Практические бесцветные кристаллы не поглощают ни одной из частот видимого спектра в интервале зрительного восприятия.
Цвет вещества зависит от его природы, состава и строения, а также от условий освещения.
При прохождении через оптически анизотропный кристалл свет распадается на два плоско поляризованных луча, плоскости колебаний которых связаны с определенными атомными плоскостями структуры. Поскольку поглощение света зависит от характера расположения атомов в этих плоскостях, что приводит к разному цвету двух поляризованных лучей, то окраска кристалла – это комбинация их цветов.
Ионные кристаллы, за исключением солей редкоземельных и переходных металлов, обычно прозрачны и бесцветны.
Кроме собственной окраски существует окраска, связанная с примесными ионами – хромофорами (центрами окраски). Например, красный цвет рубина определяется примесью ионов хрома (III).
Двулучепреломление
Анизотропные кристаллы характеризуется явлением, названным двулучепреломлением. Свет луча, входящего в кристалл, раскалывается на два луча, идущие через кристалл под некоторым углом один к другому. Вследствие этого изображения предметов, рассматриваемых через кристалл, удваиваются. При этом одно изображение остается неподвижным при вращении кристалла, а другое – при вращении кристалла перемещается вокруг первого. Неподвижное изображение создается лучами, подчиняющимися обычным законам преломления, эти лучи называются обыкновенными. Лучи другого сорта не подчиняются этим законам, и называются необыкновенными.
Явление двулучепреломления получило объяснение как следствие закона эллипсоида. Колебания падающего неполяризованного луча света внутри анизотропного кристалла разбиваются на две группы колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях, то есть на два плоско поляризованных луча, один из которых – обыкновенный – распространяется с одинаковой скоростью во всех направления, скорость второго – необыкновенного – изменяется с направлением. Если мысленно отложить от какой-либо точки внутри кристалла пути, пройденные светом за одно и то же время по всем направлениям, в виде векторов, концы которых соединить, то форма полученной таким образом волновой поверхности будет сферической для обыкновенного луча, и эллипсоидной для необыкновенного.
|
|
|
Волновая поверхность оптически анизотропных кристаллов средней категории представляет собой комбинацию сферы и эллипсоида, причем ось вращения эллипсоида совпадает с диаметром сферы. Это значит, что в данном направлении скорости обыкновенного и необыкновенного лучей равны, и свет вдоль этого направления не испытывает двулучепреломления. Такие направления в кристалле называются оптическими осями и в кристаллах средней категории совпадают с главной осью симметрии. Сами кристаллы являются оптически одноосными.
В кристаллах низшей категории оба луча необыкновенные, поэтому в них нет луча с волновой поверхностью в форме сферы. В таких кристаллах волновая поверхность имеет более сложный вид: она является комбинацией двух волновых поверхностей с четырьмя точками касания, то есть двумя оптическими осями, вдоль которых не происходит двулучепреломления. Такие кристаллы называются оптически двуосными.
|
|
|
