Реферат: Кристаллы в природе
Выше описанное явление лежит в основе широкого применения холестериков в качестве простых и эффективных термоиндикаторов для медицинской диагностики, отыскания повреждений в сложных электронных схемах, контроля температурного поля в лопатках турбин и т. п. Сейчас синтезированы холестерические вещества, в которых весь спектр цветов, от красного до синего, наблюдается при изменении температуры всего на 0,01 градуса, что говорит о большой чувствительности устройств на их основе. Шаг холестерической спирали также очень чувствителен к содержанию примесей в холестерике, и поэтому эти вещества могут служить надёжными индикаторами загрязнений в атмосфере.
Нематические жидкости нашли широкое применение и в совсем другом плане. Оказывается, полимерные нити, получаемые из хорошо ориентированного нематического раствора полимерных молекул, приобретают огромную прочность. Это объясняется тем, что в таких нитях практически все молекулы хорошо «подогнаны» друг к другу, то есть их главные оси параллельны между собой, а это многократно усиливает межмолекулярные сцепления. Такие полимерные нити служат прекрасным средством упрочнения самых ответственных узлов в механизмах, машинах и аэрокосмических конструкциях, работающие при очень высоких температурах и нагрузках.
7.7 Оптические свойства.
В 1669 году ученый Э.Бартолин сообщил о своих опытах с необычными прозрачными кристаллами, привозимыми моряками из Исландии. Он обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча. Так было обнаружено явление двойного лучепреломления. Через 20 лет Х. Гюйгенс исследовал свойства исландского шпата и дал объяснение этого явления на основе волновой теории света. Он вёл понятие оптической оси кристалла, превращение вокруг которой отсутствует анизотропия. Дальнейшие исследования Гюйгенса подвели к открытию явления поляризации света. Французские физики Э.Маллюса-Брюсса в 1808 году, опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона ввели понятия – поляризованный свет. Для исследования электромагнитной волны с определённой волной используют поляризатор. В их роли выступает тот же кристалл исландского шпата или турмалина.
Для исследования строения кристаллов используют явления дифракции рентгеновских лучей и нейтронов. Длина волны рентгеновского излучения соизмерима с межатомными. Если на кристалл направить рентгеновские лучи, то возникнет дифракционная картина, которую в 1912 году наблюдал Лауэ.
VIII. ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Проведём эксперимент по выращиванию кристаллов из пересыщенного раствора путём охлаждения зимой.
Приготовим насыщенный раствор, и в домашних условиях будем выращивать кристалл из каменной соли:
1. Нагреем воду до кипения и выльем 1 литр воды в ёмкость и растворим 2 кг соли.
2. Отфильтруем раствор.
3. Остудим раствор до комнатной температуры(15°С), где после остывания будет находиться 100 г избыточного количества соли.
4. Из соли выберем самый большой и прозрачный кристалл, прикрепим к искусственной ёлке.
5. Опустим эту ёлочку в наш раствор. И исследуем.
Рассмотрим такую таблицу:
| дни | Температура °С | Кол-во воды в л. | наблюдения |
| 1 день | 15 | 0,9 | Появились кристаллики на верхушке елки. |
| 2 день | 15 | 0,8 | Кристаллики появляются ещё в некоторых местах. |
| 3 день | 10 | 0,8 | Кристаллизация прекратилась. |
| 4 день | 10 | 0,75 | кристаллизация не наблюдалась |
| 5 день | 10 | 0,7 | Кристаллизация началась с верхушки. |
| 6 день | 15 | 0,6 | Интенсивно началась кристаллизация. |
| 7 день | 15 | 0,65 | Кристаллизация началась сверху вниз. |
| 8 день | 20 | 0,55 | Начался кристаллизоваться низ елки. |
| 9 день | 20 | 0,45 | Отчетливо видны кристаллики. |
| 10 день | 20 | 0,3 | Вся елка была в кристаллах. |
| 11 день | 20 | 0,2 | Кристаллики стали увеличиваться. |
| 12 день | 15 | 0,2 | Кристаллизация прекратилась. |
| 13 день | 15 | 0,15 | Кристаллики начали увеличиваться, но незначительно. |
| 14 день | 15 | 0,1 | Кристаллизация почти прекратилась. |
| 15 день | 15 | - | Кристаллизация прекратилась. |
Теперь проведём такой же опыт летом с медным купоросом. 200мл воды добавим 350г медного купороса. При температуре 25°С кристалл вырос за сутки.
Можем сделать вывод, что растворимость любах веществ зависит от температуры. Растворимость с повышением температуры увеличивается, а с понижением – уменьшается.
Но так как эти опыты проводились в лабораторных условиях, то кристаллики были с дефектами. Для создания более совершенных кристаллов, необходимо обеспечить другие условия, такие как: повышенную температуру, определённую влажность и давление.
КРИСТАЛЛЫ В ЖИЗНИ
Оптика. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.
Диэлектрики. Один из способов контроля ответственных деталей механизмов и машин – ультразвуковая дефектоскопия. Главный элемент УЗД дефектоскопа – кварцевая пластинка. Отраженная дефектом звуковая волна создает переменное электрическое поле (Эффект Холла). Пьезоэлектрический эффект в сильной степени проявляется в кристаллах титана, свинца, его производных. Такие кристаллы – основа пьезоэлектрических микрофонов и телефонов. Они преобразуют давление в электродвижущую силу в манометрах, служат для стабилизации частоты радиопередатчиков, измерения механических напряжений и вибраций.
Сегнетоэлектрики. Кристаллические вещества, обладающие уникальными свойствами, например, способностью к самопроизвольной электрической поляризации, которая может возникать даже в отсутствии внешнего поля. Впервые это свойство было обнаружено И.В. Курчатовым и П.П.Кобяко при исследовании кристаллов сегнетовой соли (NaKC4H4O6*4H2О). Сегнетоэлектрики характеризуются анизотропией. Температура, ограничивающая область сегнетоэлектрических свойств – точка Кюри. Причина таких свойств сегнетоэлектриков – взаимодействие входящих в них кристаллы молекул приводит к самопроизвольной поляризации диэлектриков. Важное практическое значение - емкость конденсатора пропорциональна ε диэлектрика, помещенного между обкладками. Поэтому используя диэлектрик с большой ε можно получить малогабаритные конденсаторы. В технике применяют сегнетоэлектрические конденсаторы на основе титаната бария, у которого точка Кюри примерно 133°С, диэлектрическая проницаемость ε примерно равна 6000 – 7000.
Полупроводниковые кристаллы позволяют создавать сложные электронные полупроводниковые приборы, интегральные схемы. Новая область техники называют твердотельной электроникой.
Лазерная технология. В 1955 году Басов, Прохоров, Таунсон (США) создают генератор квантов электромагнитного излучения (мазер) сантиметрового диапазона. А в 1960г. Мейманом запущен первый генератор оптического диапазона. Важнейшую роль в получении лазерного луча играл кристалл рубина (Al2O3) с добавкой хрома. Лазеры нашли широкое применение в промышленности для различных видов обработки материалов, сверление отверстий, сварки тонких изделий. Основная область применения маломощных импульсных лазеров с микроэлектроникой, в электровакуумной промышленности, машиностроении, медицине.
В настоящее время электронная промышленность предъявляет к (германию, кремнию, антимонид индию, антимонид галлию, арсенид галлию, гранатам, лейкосапфирам) материалам очень высокие требования: необходимо монокристаллы с малой радиальной и осевой неоднородностью распределение легирующей примеси с плотностью дислокаций. Производство подобных материалов в наземных условиях затрудняется из-за неконтролируемого характера гравитационной конвекции, температурных напряжений, влияния стенок тигля. Именно поэтому мы можем ждать существенного улучшения свойств кристаллов при их выращивании в невесомости.
Для проведения технологических экспериментов с материалами в космосе созданы специальные электронагревательные установки.
Список литературы
1.Банн Ч.Кристалл. Их роль в природе и науке.-М.,1970г.
2.Вейль Г.Симметрия.-М.,1968г.
3.Шубников А.В. и Парвов В.Ф. Зарождение и рост кристаллов.-М.,1999г.
4.Китайгородский А.И. и Федин Э.И. Атомное строение и свойства твёрдых тел.-М.,1963г.
5.Даниленко В.М. Что такое твёрдое тело?-Киев,1983г.
6.Холден А. Что такое ФТТ. Основы современной физики твёрдого тела.-М.,1971г.
7.Ходаков Ю.В.Архитектура кристаллов.-М.,1980г.
8.Детлаф А.А.Курс физики.-М.,1973г.
9.Бушманов Б.Н., Хромов Ю.А. Физики твёрдого тела.-М.,1971г.
10.Вайнберг Д.В., Писаренко Г.С.Механические колебания и их роль в технике-М.,1977г.
11.Уэрт Ч., Томсон Р.Физика твёрдого тела.-М.,1989г.
12.Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М.Фейнмановские лекции по физике.-М.,1966г.
13.Киренский Л.В.Магнетизм.-М.,1992г.
14.Карцев В.П. Магнит за три тысячилетия.-М.,1968г.
15.Вонсовский С.В. Мегнетизм.Современные представления.-М.,1993г.
16.Кабардин О.Ф. Факультативный курс физики.-М.,1974г.
17.Пикин С. Жидкие кристаллы.-М.,1981г.
18.Галиулин Р.В. Как устроены кристаллы.-М.,1983г.
19.Брук Ю.М.,ГеллерБ.И. Белые карлики-кристаллические звезды.-М.,1987г.
20.Осипьян Ю.Я., Никитенко В.И. Дислокационная физика твердого тела.-М.,1985г.
