Свойства кристаллов и их применение

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЛУГАНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. Т.Г.ШЕВЧЕНКА

ФАКУЛЬТЕТ ПРИРОДНИЧИХ НАУК

РЕФЕРАТ

ВЛАСТИВОСТІ КРИСТАЛІВ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

Виконав: студент ІІI курсу

Спеціальності Хімія

Феськов Ілля

Перевірив:

Нікішин Олександр Олександрович

Луганськ 2011

Введение

1.         Строение кристаллов

2.         Механические свойства кристаллов

3.         Электрические свойства кристаллов

4.         Магнитные свойства кристаллов

5.         Оптические свойства кристаллов

Вывод

Введение

В последние десятилетия роль физики в развитии современной техники неизмеримо возросла. Особое значение приобрела такая область этой науки, как физика твердого тела, занимающаяся исследованием материалов, которые благодаря своим уникальным свойствам — полупроводниковым, лазерным, оптическим, пьезоэлектрическим, пироэлектрическим и т. д. — широко используются в полупроводниковой технике, квантовой электронике и т. п.

Современное приборостроение немыслимо без самого широкого использования природных и синтетических материалов, в частности кристаллов. Бурно расширяющиеся области использования и применения физических свойств кристаллов способствуют превращению современной физики кристаллов — кристаллофизики — в самостоятельную быстро развивающуюся научную дисциплину.

Строение кристаллов

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 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах — кристаллографии.

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. Различить, например, кристаллы кальцита и селитры, сход­ные по форме и имеющие углы между соответственными гранями, равные 101°55' первого и 102°41,5' у второго, с помощью прикладного гониометра очень трудно. Поэтому в лабораторных условиях измерений углов между гранями кристалла обычно выполняют с помощью более сложных и точных приборов.

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 XVIII в. Французский ученый Ренне 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.

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.

Плоскость симметрии как бы выполняет роль двустороннего зеркала. Число плоскостей симметрии может быть различным. Например, в кубе их девять, а в снежинках любой формы  — шесть.

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 Евграф Степанович 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.[1]

Механические свойства

К свойствам, зависящим от направления в кристалле, относятся такие механические свойства, как твердость, упругость, пластичность, спайность. Под механическими свойствами понимают способность тел реагировать на механические воздействия — сжатие, растяжение, сдвиг, разрушение. Все эти свойства зависят от строения кристаллов и степени их дефектности.

Твердость

Под твердостью подразумевается степень сопротивления кристала внешнему воздействию. Для приближенного определения твердости пользуются целым рядом методов, основанных на царапании одного кристала другим. В 1824 г. австрийский минералог Ф. Моос (1773-1839) предложил 10 бальную[1] достаточно обоснованную шкалу относительной твердости минералов (табл. 1).

Твердость не является физической постоянной. Ее величина зависит не только от изучаемого материала, но и от условий измерения. Доказана зависимость твердости от строения кристаллов — типа структуры, коэффициента упаковки (удельного веса), заряда образующих кристалл ионов. Например, различную твердость (по шкале Мооса) двух полиморфных модификаций CaCO3 — кальцита и арагонита — 3 и 4 соответственно можно объяснить разной плотностью их структур:

• для структуры кальцита с КЧCa = 6 - р = 2,72 г/см3,

• для структуры арагонита с КЧCa = 9 - р = 2,94 г/см3.

В ряду одинаково построенных кристаллов твердость возрастаете увеличением зарядов, а, следовательно, и уменьшением размеров катионов. Присутствие же в структурах достаточно крупных анионов типа F-, ОН-, молекул H2O понижает твердость. Например, для изоструктурных минералов гематита Fe2O3 (rFe = 0,78 Å) и корунда Al2O3 (rAl = 0,57 Å) значения твердости соответственно равны 5-6 и 9, но твердость гиббсита Аl(ОН)3 в структуре которого замена трех атомов О2- на 3(ОН)- -группы сопровождается компенсационной заменой 2Fe3+ на А13+ , существенно понижена — до 3 по сравнению с 9 корунда.

Твердость используется как классификационный признак при определении классности драгоценных камней: первый класс — кристаллы с твердостью > 7, от 7 до 6 — следующий класс, кристаллы с твердостью < 5 в ювелирном деле не используются, как, например, кристаллы флюорита с твердостью 4.

Спайность

Спайностью называется способность кристаллов раскалываться по плоскостям, параллельным действительным или возможным граням под действием механических сил. В зависимости от легкости раскалывания различают: весьма совершенную спайность (слюды, молибденит), совершенную (кальцит, галит, флюорит), несовершенную (полевые шпаты, амфиболы, минералы группы апатита). Некоторые кристаллы в соответствии со своей симметрией могут раскалываться в одном направлении (слюда, гипс), двух (ортоклаз, амфиболы, пироксены), трех (галит, галенит, кальцит) и более чем в трех направлениях (флюорит).

Спайность неразрывно связана с особенностями строения кристаллических структур — их геометрическим характером. Плоскости спайности проходят параллельно сеткам с наибольшей ретикулярной плотностью, как правило, перпендикулярно направлениям наиболее слабых связей (обычно ван-дер-ваальсовых). Например, между сетками графита, пакетами слюд, брусита, хлоритов и т. д., т. е. в гетеродесмических структурах, спайность зависит от одного (слабейшего) типа связи. В координационных структурах (галит, флюорит) плоскость спайности параллельна атомным сеткам с наибольшей ретикулярной плотностью (с учетом электростатического взаимодействия между атомными плоскостями).

В ряде случаев расщепление кристаллов на параллельные пластинки — блоки — обязано не спайности, а отдельности, связанной с ориентированными включениями в кристаллах других минералов. Например, отдельность корунда Al2O3.(объясняется микропрослойками диаспора AlO(ОН) с весьма совершенной спайностью, параллельной плотноупакованным атомным плоскостям.

Механические деформации

Прочность кристалла определяется его способностью реагировать на удар, раздавливание, растягивание, сжатие, разрезание и т. д. При воздействии на кристалл внешней растягивающей нагрузки расстояние между атомами увеличивается и их равновесное положение в кристалле нарушается. Это приводит к нарушению равенства сил притяжения и отталкивания, характерного для равновесного состояния атомов в кристаллической структуре, и возникновению внутренних сил, стремящихся вернуть атомы в первоначальное равновесное положение. Величина этих сил, рассчитанная на единицу площади поперечного сечения кристалла, называется напряжением.

Упругие деформации. При малых смещениях атомов деформация является обратимой и полностью снимается при снятии нагрузки. Такую деформацию называют упругой деформацией. А напряжение, которое выдерживает образец, не давая еще остаточной деформации после снятия нагрузки, называется пределом упругости.