Съдържание:

Свойства на кристалите - Алтернативен изглед
Свойства на кристалите - Алтернативен изглед
Видео: Свойства на кристалите - Алтернативен изглед
Видео: Свойства на подобните триъгълници 2023, Февруари
Anonim

За всички специалисти в областта на кристалографията или физиката на твърдото състояние е напълно ясно, че в случай на кристал имаме работа с подредена подредба на атоми или йони в пространството. В някои случаи, например в ледени кристали или втвърдени газове, можем да говорим за молекули. За краткост ще говорим само за атоми, включително йонизирани (йони), освен ако не е посочено нещо друго.

И така, кристалът е система от атоми, подредени в пространството. Те са разположени по правилния начин и най-често така, че да запълнят пространството възможно най-плътно. Опитвайки се да разположим стоманените топки от сачмения лагер близо една до друга, получаваме доста приличен модел на кристалната структура и бързо виждаме, че броят на начините, по които могат да се поставят топките, е ограничен. В зависимост от това как са разположени атомните редове и атомните равнини един спрямо друг, могат да се получат различни видове кристали. От своя страна, типът на подреждането на атомите се определя от тяхното взаимодействие помежду си, естеството на връзката между частиците.

Внимателното разбиване на кристалите води до необичайни структури с интересни свойства. Първо се появяват големи площи с положителен или отрицателен повърхностен заряд, създавайки мощно електрическо поле, а след това те се превръщат в лабиринти с широчина само няколко атома.

Image
Image

Многие свойства ионных кристаллов обусловлены их структурой на атомарном масштабе: положительно и отрицательно заряженные атомы притягиваются друг к другу и образуют прочную периодическую решетку. Однако на поверхности кристалла заряды должны быть скомпенсированы. «Если расщепить кристалл с кубической решеткой вдоль определенных направлений, то можно получить заряды только одного типа, - поясняет один из авторов работы Ульрих Дибольд из Венского университета. - Такая конфигурация крайне нестабильна». Потенциально такой слой мог бы на крошечном образце создавать поле с напряжением в миллионы вольт. Такую ситуацию ученые называют «поляризационной катастрофой».

В ново проучване физиците се опитват да разберат как точно се реорганизират атомите, за да се предотврати поляризационна катастрофа. „Повърхността може да се променя по различни начини в отговор на повреда“, казва първият автор Мартин Сетвин. „Електроните могат да започнат да се натрупват на определени места, кристалната решетка може да бъде изкривена или молекули от въздуха да се придържат към повърхността, променяйки нейните свойства.“

Учените разделят кристали на калиев танталат KTaO3 при ниски температури и получават разцепвания, при които половината от атомите от слоя със същите заряди остава на един фрагмент, а другият на друг. Региони с йони с еднакъв заряд образуват „острови“, въпреки че средно повърхността е била неутрална. "Въпреки това островите са достатъчно големи, така че поляризационната катастрофа не може да бъде напълно избегната - полето, което създават, е толкова голямо, че променя свойствата на подлежащите слоеве", каза Сетвин.

Image
Image

Промоционално видео:

С леко повишаване на температурата островите се разпаднаха в лабиринт от начупени линии, а "стените" му бяха само един атом и широк 4-5 атома.

„Структурите, подобни на лабиринта, са не само красиви, но и потенциално полезни“, заключава Диеболд. "Точно от това се нуждаете - силни електрически полета в атомна скала." Едно от възможните приложения авторите наричат ​​провеждането на химични реакции, които не протичат при други условия, например разделянето на водата за получаване на водород.

Основните свойства на кристалите - анизотропия, хомогенност, способността за самозапалване и наличието на постоянна точка на топене се определят от вътрешната им структура.

анизотропия

Това свойство се нарича също неприлика. Тя се изразява във факта, че физичните свойства на кристалите (твърдост, здравина, топлопроводимост, електрическа проводимост, скорост на разпространение на светлината) не са еднакви в различни посоки. Частиците, които образуват кристалната структура в непаралелни посоки, са отдалечени една от друга на различни разстояния, в резултат на което свойствата на кристалното вещество в такива посоки трябва да бъдат различни. Слюдата е типичен пример за вещество с изразена анизотропия. Кристалните пластини на този минерал лесно се разделят само по равнини, успоредни на неговата честота на плочите. Много по-трудно е да се разделят плочите слюда в напречни посоки.

Image
Image

Анизотропията се проявява и във факта, че когато един кристал е изложен на всеки разтворител, скоростта на химичните реакции е различна в различни посоки. В резултат на това всеки кристал при разтваряне придобива характерните си форми, които се наричат ​​офортни фигури.

Аморфните вещества се характеризират с изотропия (еквивалентност) - физическите свойства във всички посоки се проявяват по един и същи начин.

еднаквост

Изразява се във факта, че всички елементарни обеми на кристално вещество, еднакво ориентирани в пространството, са абсолютно идентични във всичките си свойства: имат същия цвят, маса, твърдост и др. по този начин, всеки кристал е хомогенно, но в същото време анизотропно тяло.

Еднообразието не е характерно само за кристалните тела. Твърдите аморфни образувания също могат да бъдат хомогенни. Но аморфните тела сами по себе си не могат да приемат многостранна форма.

Image
Image

Самоограничаваща се способност

Способността за самоличност се изразява във факта, че всеки фрагмент или топка, превърната от кристал в среда, подходяща за растежа му, се покрива с лица, характерни за даден кристал във времето. Тази характеристика е свързана с кристалната структура. Стъклената топка например няма такава характеристика.

Кристалите от едно и също вещество могат да се различават един от друг по големина, брой лица, ръбове и форма на лицата. Зависи от условията за образуване на кристала. При неравномерен растеж кристалите се изравняват, продълговат и т.н. Ъглите между съответните страни на нарастващия кристал остават непроменени. Тази характеристика на кристалите е известна като закон за постоянство на ъглите на фасетите. В този случай размерът и формата на повърхностите на различни кристали от едно и също вещество, разстоянието между тях и дори техният брой могат да варират, но ъглите между съответните страни във всички кристали на едно и също вещество остават постоянни при същите условия на налягане и температура.

Законът за постоянство на фасетовите ъгли е установен в края на 17 век от датския учен Стено (1699 г.) за кристали от желязо и лъскав кристал; по-късно този закон е потвърден от М.В. Ломоносов (1749) и френският учен Рим де Лил (1783). Законът на постоянството на фасетовите ъгли се нарича първият закон на кристалографията.

Законът на постоянството на фасетовите ъгли се обяснява с факта, че всички кристали на едно вещество са идентични по своята вътрешна структура, т.е. имат еднаква структура.

Image
Image

Според този закон кристалите на определено вещество се характеризират с техните специфични ъгли. Следователно чрез измерване на ъглите е възможно да се докаже принадлежността на изследвания кристал към едно или друго вещество. Един от методите за кристална диагностика се основава на това.

За измерване на двугранните ъгли на кристалите са измислени специални устройства - гониометри.

Постоянна точка на топене

Изразява се във факта, че когато кристално тяло се нагрява, температурата се повишава до определена граница; с по-нататъшно нагряване веществото започва да се топи и температурата остава постоянна за известно време, тъй като цялата топлина отива за разрушаване на кристалната решетка. Температурата, при която започва топенето, се нарича точка на топене.

Image
Image

Аморфните вещества, за разлика от кристалните, нямат ясно дефинирана точка на топене. По кривите на охлаждане (или нагряване) на кристални и аморфни вещества се вижда, че в първия случай има две остри флекси, съответстващи на началото и края на кристализацията; в случай на охлаждане на аморфното вещество имаме гладка крива. На тази основа е лесно да се разграничат кристалните вещества от аморфните.

Сила на кристала

Проблемът с якостта на кристала е бил и остава един от най-важните в съвременната технология. Факт е, че широко използваните структурни материали са предимно сплави от желязо (стомана), алуминий (силимин, дуралумин), мед (месинг, бронз) и някои други метали, и всички те имат кристална структура. В случая с металите рядко имаме работа с такива правилни и красиви кристали, които бяха обсъдени по-рано. Металните сплави имат така наречената поликристална структура, тоест те се състоят от отделни зърна - кристали, няколко разгънати една спрямо друга.

Image
Image

Стъпка по стъпка човек премина от по-малко траен материал към по-траен, това доведе до усъвършенстване на всички използвани технологии и разширяване на неговите възможности. Сега в борбата за сила се отчита само интересът; практически всичко, което е възможно, е изтръгнато от технически материали и всяка следваща стъпка се дава с нарастваща трудност.

Преди 20 години изглеждаше, че ако човек се научи да отглежда кристали без дефекти с големи размери, тогава проблемът със здравината ще бъде напълно решен и консумацията на метал ще бъде намалена с фактор на стотици. За съжаление тези надежди не се сбъднаха. Или е много скъпо или невъзможно да се отглежда перфектен голям кристал. Само в области като електрониката можете да си го позволите. Например, полупроводникови кристали Ge и Si се отглеждат практически без дефекти. Същите са рубиновите кристали за лазери. Що се отнася до структурните материали, тук все още е необходимо да се постигнат високи стойности на якост, следвайки традиционния път.

Image
Image

И още един важен извод. Оказва се, че много от физичните свойства на кристалите, преди всичко тяхната сила, се определят не от идеална кристална решетка, а от отклонения от идеалността - дефектна структура. Умелото използване на такива дефекти на кристал позволява човек да контролира неговите свойства и да ги адаптира към различните изисквания на съвременната технология. За физик или инженер дефектите са много важен компонент на кристала, без който той практически не може да съществува. Но темата за дефектите в кристалите заслужава по-задълбочена и всеобхватна дискусия, отколкото е възможно в тази статия.

Популярни по теми