Практическая работа «Выращивание кристаллов медного купороса и хлорида никеля (II). Наблюдение роста кристаллов. Фотографирование полученных кристаллов. Систематизация полученной информации по теме «Физические свойства и применение кристаллов»
Скачать 372.54 Kb.
|
Монокристаллы и поликристаллы. Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл, имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую решетку. Монокристаллы обычно обладают геометрически правильной внешней формой, но этот признак не является обязательным. Большинство встречающихся в природе и получаемых в технике твердых тел представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов – кристаллитов. Такие тела называют поликристаллами. В отличие от монокристаллов поликристаллы изотропны. Полиморфизм. Очень многие вещества в кристаллическом состоянии могут существовать в двух или более фазовых разновидностях (модификациях), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Каждая модификация устойчива в определенном интервале температур и давлений. Из 9 кристаллических фаз воды только одна устойчива при атмосферном давлении. Остальные 8 фазовых состояний льда существуют при высоких давлениях и имеют плотность большую, чем у воды. Алмаз – кристаллическое вещество с атомной кристаллической решеткой. Каждый атом в кристалле алмаза связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами. Это обусловливает исключительную твердость алмаза. Алмаз широко применяют для обработки особо твердых материалов: для резки стекла, при буровых работах, для вытягивания проволоки и др. Производительность труда при использовании алмазного обрабатывающего инструмента в промышленности возрастает в 2-5 раз. Графит непрозрачен, серого цвета, обладает металлическим блеском. В кристаллической решетке графита атомы углерода расположены слоями состоящими из шестичленных колец. Между слоями в графите действуют межмолекулярные силы. Поэтому графит легко расслаивается на чешуйки. Даже при слабом трении графита о бумагу на ней остается серый след («графит» от латинского «пишущий»). Графит применяют для изготовления грифелей карандашей, в технике – в качестве смазочного материала. В ядерных реакторах его используют в качестве замедлителя нейтронов. Карбин стал известен сравнительно недавно. Он был получен советскими учеными, а уже позднее обнаружен в природе. Это черный порошок. Кристаллическая решетка построена из линейных углеродных цепочек. По электрической проводимости карбин занимает промежуточное положение между алмазом (диэлектрик) и графитом (проводник): карбин – полупроводник. Анизотропия Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не одинакова по различным направлениям. Это приводит к зависимости свойств монокристаллов от направления – анизотропии. Анизотропия – зависимость физических свойств вещества от направления. Физические свойства поликристаллов не зависят от направления: они изотропны. Изотропия – независимость физических свойств вещества от направления. Простейший пример изотропии кристаллов – неодинаковая их прочность по разным направлениям. Это свойство наглядно проявляется при дроблении кристаллических тел. История показала, что тепловые, электрические и оптические свойства также не одинаковы по различным направлениям. Анизотропия физических свойств кристаллов и правильная внешняя форма получили объяснение на основе атомно-молекулярной теории строения вещества. Различна в разных направлениях и теплопроводность монокристаллов. У графита теплопроводность вдоль слоев в четыре раза больше, чем по нормали к слоям: тепло легче передается в тех плоскостях и направлениях, где атомы плотнее упакованы. Особенно наглядна анизотропия механических свойств кристаллов. Кристаллы со слоистой структурой – слюда, гипс, графит, тальк – в направлении слоев совсем легко расщепляются на тонкие листочки, но невозможно разрезать или расколоть их в других плоскостях. Бесцветные кристаллы каменной соли прозрачны, как стекло. А вот разбиваются они совсем не как стекло. Если ударить ножом или молоточком по кристаллу, они разбиваются на кубики с ровными, гладкими, плоскими гранями. Это явление спайности, т.е. способности раскалываться по ровным, гладким плоскостям, так называемым плоскостям спайности. Кристаллы кальцита тоже обладают весьма совершенной спайностью: при ударе они всегда разбиваются на так называемые ромбоэдры с гладкими, плоскими гранями. Ромбоэдр – это косоугольный параллелепипед, или, можно сказать, куб, вытянутый вдоль одной из его диагоналей. С п а й н о с т ь – это проявление анизотропии прочности кристаллов: силы сцепления между атомами в некоторых симметрично расположенных плоскостях очень малы, и кристаллы раскалываются по этим плоскостям. Выводы
Искусственные кристаллы С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До XX в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 г. удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в 1940-х годов, были синтезированы изумруды, а в 1955 г. фирма «Дженерал электрик» и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов. Многие технологические потребности в кристаллах являлись стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе – из раствора, расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы сегнетовой соли выращиваются из водного раствора при атмосферном давлении. Большие кристаллы оптического кварца выращиваются тоже из раствора, но при температурах 350-450 о С и давлении 140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050 о С. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи. Применение жидких кристаллов в устройствах отображения информации В то время существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через сто лет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через некоторое время практически забыли. В конце девятнадцатого – начале двадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетам весьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических веществ оказывались существенно различными. Одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представлениях о жидких кристаллах. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кристаллов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В 20-е годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу назвал нематическими, другую – смектическими. Он же предложил общий термин для жидких кристаллов (мезоморфная фаза). Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминающиеся выше холестерические жидкие кристаллы как класс. Самые «кристаллические» среди жидких кристаллов – смекатические. Для смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они «понимают» команду «равняйся» и размещаются в стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах – на нематических. Применение Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. На этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. Например, зависимость цвета от температуры используется в медицинской диагностике. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявить затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Температурная зависимость цвета позволяет также контролировать качество изделий без их разрушения. Если металлическое изделие нагревать, то его внутренний дефект изменит распределение температуры на поверхности. Эти дефекты выявляются по изменению цвета, нанесенного на поверхность жидкокристаллического материала. Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном. Сравнительно недавно было получено углеродное и полимерное волокно на основе жидкокристаллических матриц. Применение жидких кристаллов в будущем Управляемые оптические транспаранты. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями непринципиального, а технологического характера. Хотя принципиально возможность создания таких экранов продемонстрирована, однако в связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. Поэтому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экране малого размера, могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, в которые со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света. Принцип записи изображения очень прост. В отсутствии подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которую еще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствует напряжению на нем. При подсветке фотополупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происходит перераспределение электрических напряжений в ячейке – теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частности, его оптические характеристики, изменяются соответственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристаллического слоя в результате действия слоя. Очки для космонавтов Знакомясь с маской для электросварщика и очками для стереотелевидения, заметили, что в этих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Существует ситуация, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть отдельные участки поля зрения. Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрезвычайно ярком солнечном освещении. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотелевидения позволяют решить управляемые жидкокристаллические фильтры. В этих очках поле зрения каждого глаза теперь должен перекрыть не один фильтр, а несколько независимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть зрения глаза. Такие очки могут быть полезны не только космонавтам, но и людям других профессий, например, для пилотов современных самолетов, где огромное количество приборов. Подобные очки будут очень полезны также в биомедицинских исследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количества зрительной информации. Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах, несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожное количество энергии, а в ряде случаев позволяют исключить из аппаратуры детали; совершающие механические движения. Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются в виду? Это диафрагмы, фильтры – ослабители светового потока, наконец, прерыватели светового потока в киносъемочной камере, синхронизированные с перемещением фотопленки и обеспечивающие покадровое ее экспонирование. Фотонные кристаллы – один из объектов нанотехнологии, междисциплинарной области, которая служит основой техники XXI в. во всех областях человеческой деятельности (информатики, медицины, технологии металлов и пр.). Термин «фотонный кристалл» появился в 80-х годах XX века. Последние 10 лет наблюдается повышенный интерес к фотонным кристаллам и устройствам на их основе как со стороны физиков, так и со стороны ведущих предприятий высоких технологий и предприятий военно-промышленного комплекса. Ситуацию сравнивают с периодом бурного развития в 1960-х годах интегральной микроэлектроники, и определяется она возможностью создания оптических микросхем по аналогии со схемами классической микроэлектроники. Открылась возможность принципиально новых способов хранения, передачи и обработки информации на базе материалов нового типа (фотоника). Предполагается создание лазеров нового типа, с низким порогом генерации, оптических переключателей. Однако создание трехмерных фотонных кристаллов (а именно они должны привести к принципиальным изменениям в технике) является достаточно сложной задачей. Фотонные кристаллы открыли удивительную возможность для хранения и обработки информации – создание ловушек для фотонов. Это область в кристалле из которой выход фотонам запрещен из-за отсутствия в окружающем материале фотонной зоны проводимости. Ситуацию сравнивают с заряженным проводником, окруженным диэлектриком. Парадоксальная ситуация «остановки фотона», масса которого равна нулю, не противоречит законам физики, так как речь идет не о свободном фотоне, взаимодействующем с периодической структурой. Его уже окрестили тяжелым фотоном. Тяжелые фотоны планируют использовать в элементах памяти, оптических транзисторах и пр. Вторая, уже реальная в ближайшее время, область применения фотонных кристаллов – повышение на порядок эффективности ламп накаливания. В будущем планируется переход на компьютеры, основанные исключительно на фотонике, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с компьютерами, основанными на электронике. В 2004 г. появилось сообщение о создании лазера на основе искусственного инвертированного опала. В полые сферы, расположенные на расстоянии 240-650 мм, вводили коллоидные частицы селенида кадмия с диаметром 4,5 нм. С помощью лазерного импульса эти «искусственные атомы» переводились в возбужденное состояние, причем время эмиссии можно было контролировать. Заметим, что лазеры с задержкой эмиссии выгодно применять, например, для солнечных батарей, а с ускоренной эмиссией – для мини-лазеров и светодиодов. |
Похожие:
 | Адаптивная системА управления процессАмИ роста кристаллов для методов Степанова и Чохральского Работа выполнена в лаборатории управляемого роста кристаллов Учреждения Российской академии наук Института физики твердого тела ран... |  | Реферат: «Выращивание кристаллов в домашних условиях» Мир кристаллов это сказочно красивый мир. Они завораживают своим блеском, многообразием цвета и форм |
| Алмазодобывающая промышленность россии Мы живем среди кристаллов, ходим по ним и широко используем их в нашей повседневной жизни. Земная кора на 95 состоит из кристаллов.... | | Фгбоу впо «удмуртский государственный университет» физико-энергетический... Научиться оценить влияние различных дефектов структуры на качественные характеристики кристаллов, используемых в различных областях... |
| Практический семинар «Оборудование и технологии роста кристаллов 2009» Рабочая программа утверждена на заседании кафедры «Связи с общественностью» протокол № от 20 г | | Темы рефератов. Жидкие кристаллы как разновидность частично упорядоченных... |
| Примерная программа дисциплины Научить анализировать свойства и взаимодействия дефектов кристаллов и количественно оценивать их участие в превращениях и деформации... | | Реферат Тема: Жидкие кристаллы Более 100 лет назад (1888 г.) ученые обнаружили, что вещества в жидкокристаллическом состоянии обладают текучестью, как обычные жидкости,... |
| Владимир Киврин Расшифрованная магия кристаллов воды Участие в конференциях, фестивалях, семинарах, форумах и т д. ( название мероприятия, место, год) | | Исследование электрических свойств диэлектрических кристаллов Математика. Пособие к изучению дисциплины и варианты заданий для контрольных работ. – М.: Мгту га, 2008. 48 с |
| Реферат Математика Актуальность реферата заключается в том, что замощение плоскости активно изучается в физике кристаллов, геометрии, а также встречается... | | Исследование параметров сцинтилляционных кристаллов саМоО 4 для поиска... Федеральное Государственное унитарное предприятие "Государственный Научный Центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной... |
| Исследование параметров сцинтилляционных кристаллов саМоО 4 для поиска... Федеральное Государственное унитарное предприятие "Государственный Научный Центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной... | | Российская академия наук Учреждение Российской академии наук Институт... В соответствии с приказом Минздравсоцразвития России от 7 июля 2007 года №402 19-21 октября в г. Москве состоялся III всероссийский... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Роводимости контакта двух полупроводниковых кристаллов различного типа проводимости; закреплению знаний о природе электрического... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Роводимости контакта двух полупроводниковых кристаллов различного типа проводимости; закреплению знаний о природе электрического... |
