Физика твёрдого тела

Большинство окружающих нас твёрдых тел – вещества в твёрдом состоянии. Специальная область физики – физика твёрдого тела – занимается изучением строения и свойств твёрдых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники.

В любой отрасли техники используются свойства твёрдого тела: механические, тепловые, электрические, оптические и т. д. Всё большее применение в технике находят кристаллы.

Кристаллы имеют огромные преимущества перед другими веществами. Часто расширение материалов при нагреве приносит большой вред и выводит приборы из строя — например, лазеры или телескопы. Но кристаллы фосфатов циркония и ванадия ведут себя, наоборот: при нагревании они сжимаются.

Сегодня удается вырастить тончайшие (тоньше волоса!) нитевидные кристаллы ("усы"), обладающие невероятной прочностью и жесткостью. Сами по себе, отдельно, они хрупки, но если их "связать" наполнителем — смолой, то полученный композит будет удивительно легким и в то же время необыкновенно прочным. А "усы"– волокна делают из угля и стекла. В виде тонких нитей они ничем не уступают стали

В последнее время по несколько миллиардов долларов в год вкладывают в развитие новейших технологий, на смену обычным телевизорам и компьютерным мониторам приходят жидкокристаллические. С жидкими кристаллами связывают большие надежды – многие учёные прогнозируют в ближайшее десятилетие самый быстрый рост этого направления в микроэлектронике.

Твердое тело - агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания вокруг положений равновесия.

Твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела характеризуются наличием дальнего порядка — пространственной периодичностью в расположении атомов. В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, в этом случае говорят о наличии ближнего порядка.

Устойчивым является кристаллическое состояние, аморфное состояние – нестабильное, с течением времени аморфные тела должны закристаллизоваться.

Аморфное состояние - это твердое некристаллическое состояние вещества, характеризующееся изотропией физических свойств и отсутствием определенной температуры плавления. При повышении температуры аморфное вещество (стекло, многие пластмассы) размягчается и переходит в жидкое состояние постепенно. При продолжительном воздействии с малой силой аморфные тела, подобно жидкостям, обнаруживают текучесть.

Структурными единицами твёрдых тел служат атомы, ионы и молекулы. Кристаллическая структура твёрдых тел зависит от сил, действующих между атомными частицами. Одни и те же частицы могут образовывать различные структуры – графит и алмаз, белое и серое олово, т. е. твёрдые тела могут обладать полиморфизмом .

Изменение структуры и свойств твёрдых тел (фазовые переходы) происходят при изменении температуры, давления, под действием магнитных полей и других внешних воздействий.

По типам связи между частицами твёрдые тела делят на пять классов:

1) ионные кристаллы (NaCl, KCl и др. ), в которых основными силами притяжения, действующими между ионами, являются электростатические силы;

2) кристаллы с ковалентной связью (алмаз, Ge, Si), в которых валентные электроны соседних кристаллов обобществлены; кристалл представляет собой как бы огромную молекулу;

3) металлы, у которых энергия связи обусловлена коллективным взаимодействием подвижных электронов с ионным островом - металлическая связь;

4) молекулярные кристаллы, в которых молекулы связаны слабыми электростатическими силами (ван-дерваальсовы силы), обусловленными динамической поляризацией молекул;

5) кристаллы с водородными связями, в которых каждый атом водорода связан силами притяжения одновременно с двумя другими атомами. Именно водородная связь вместе с электростатическим притяжением дипольных моментов молекул воды определяет свойства воды и льда

Хотя силы, действующие между атомными частицами в твердом теле, весьма разнообразны, их источником служит электростатическое притяжение и отталкивание. На расстояниях приблизительно 10см силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания, что обеспечивает устойчивость твердых тел. Твердые тела при достаточно высокой температуре плавятся или возгоняются. Подводимая к телу в процессе плавления теплота затрачивается на разрыв межатомных связей. Температура плавления у твердых тел разной природы различна: у молекулярного водорода -259,ГС, у вольфрама 3410 0С, у графита 4000 0С .

Кристаллическими (от греч. krystallos— лед) называются тела, частицы в которых (атомы, молекулы, ионы) расположены упорядочено (образуют кристаллическую решетку).

Кристаллом называется тело определенной геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями .

Кристаллофизика – наука, изучающая физические свойства кристаллов, влияние различных внешних воздействий на свойства и реальную структуру кристаллов.

Кристаллофизика изучает различного рода дефекты кристаллической решётки – вакансии, дислокации, дефекты упаковки, границы кристаллических блоков, зёрен, домены и их влияние на физические свойства кристаллов – пластичность, прочность, электропроводность, люминесценцию и др.

Кристаллофизика занимается также разработкой новых кристаллических материалов с новыми перспективными физическими свойствами.

Кристаллофизика является составной частью кристаллографии – науке об атомно-молекулярном строении, симметрии, физико-химических свойств, образовании и росте кристаллов, которая зародилась в XVIII веке.

Монокристаллами называются одиночные кристаллы, имеющие макроскопическую упорядоченную кристаллическую решетку. В природе встречаются монокристаллы различных размеров – от громадных (массой до сотен кг ) кристаллов кварца, флюорита, полевого шпата до мелких кристаллов алмаза и др.

Одним из наиболее существенных свойств монокристаллов является анизотропия — зависимость (неодинаковость) свойств кристалла от направления.

Примеры:

1. Анизотропия прочности у кристаллов поваренной соли — прочность в направлении, параллельном граням, меньше, чем в диагональном направлении; расслаивание слюды, графита.

2. Анизотропия тепловых свойств — кварцевый шар после нагревания превратится в элипсоид.

3. Анизотропия оптических свойств — явление двойного лучепреломления в кристаллах исландского шпата.

4. Анизотропия электрических свойств — зависимость проводимости, диэлектрической проницаемости и др. от направления (проявляется в пьезоэлектричестве, пироэлектричестве и других явлениях).

5. Анизотропия магнитных свойств — ферромагнетики (существование осей легкого намагничивания).

Поликристаллами называются совокупность хаотически сросшихся монокристаллов (зернистая структура поликристаллов — кристаллиты), т. е. это агрегат мелких монокристаллов различной ориентации (кристаллических зерен). Большинство твердых тел (минералы, металлы, сплавы, керамики и др. ) имеют поликристаллическое строение. В поликристаллах не проявляется анизотропия свойств, характерная для монокристаллов, т. е. поликристаллы изотропны. О кристаллическом строении таких тел судят по наличию определенной температуры плавления, при которой происходит резкий переход тела в жидкое состояние. Поликристаллы могут не иметь правильной геометрической формы.

1. 2. Кристаллическая решетка.

Кристаллами называются твердые тела, для которых характерно строго упорядоченное расположение частиц. Кристаллическая решетка – это пространственный каркас, образованный пересекающимися прямыми линиями. Узлы решетки – точки пересечения этих линий, в которых расположены центры частиц. Любую кристаллическую решетку можно рассматривать как совокупность элементарных ячеек, представляющих собой наименьшую часть кристалла, которая сохраняет особенности его структуры, т. е. наименьший фрагмент, повторением которого можно образовать всю решетку. Длина ребра элементарной ячейки называется периодом решетки (Приложение 4).

В элементарной ячейке кристаллической решётки может размещаться от одного до десятков и сотен или тысяч и даже миллионов атомов.

В зависимости от того, какие частицы находятся в узлах кристаллической решетки и какие силы взаимодействия между ними преобладают, различают атомные, молекулярные, ионные и металлические решетки. Симметрия кристаллической решетки – ее свойство совмещаться с собой при некоторых пространственных перемещениях, например параллельных переносах, поворотах, отражениях или их комбинациях и т. д. Кристаллической решетке присущи 230 комбинаций элементов симметрии, или 230 различных пространственных групп.

Частицы в кристалле колеблются около положений равновесия — узлов кристаллической решетки, расположенных на определенных расстояниях друг от друга в определенном порядке. Расстояния между самими частицами меняются вследствие теплового движения.

Существование кристаллической решётки объясняется тем, что равновесие сил притяжения и отталкивания между атомами достигается именно при условии трёхмерной периодичности.

Свойства кристаллических веществ определяются структурой кристаллических решёток. Например, между алмазом и графитом много общего, хотя на первый взгляд общее трудно увидеть. Алмаз необычайно твёрд, прозрачен, не проводит электрический ток, обработанные алмазы – драгоценности, известные в быту как бриллианты.

Графит мягок, легко расслаивается, непрозрачен, электропроводен и не похож на драгоценный камень. А между тем и алмаз, и графит – это чистый углерод. Различие свойств алмаза и графита связано только с различием кристаллических решёток. При определённых условиях возможен переход вещества из одной кристаллической модификации в другую. Если нагреть графит до температуры 2000 – 2500 К под давлением 109 Па, то произойдёт перестройка кристаллической решётки, в результате чего графит превращается в алмаз. Так получают искусственные алмазы .

Кристаллическая решётка не является статическим образованием. Атомы или молекулы, образующие кристаллическую решётку, колеблются около положений равновесия, причём характер колебаний зависит от симметрии, координации атомов, энергии связи. Известны случаи вращения молекул в кристаллической решётке. С повышением температуры колебания частиц усиливаются, что приводит к разрушению кристаллической решётки и переходу вещества в жидкое состояние.

Реальная структура кристалла всегда отличается от идеальной схемы, в реальном кристалле всегда имеются различного рода дефекты: примесные атомы, вакансии, дислокации и т. д. Даже когда для специальных лабораторных экспериментов пытаются создать совершенный образец, в нём есть дефекты. Существует следующая классификация дефектов:

• Вакансии – пустоты, образующиеся при удалении отдельных атомов;

• Межузельные атомы – свои или атомы примеси, которые полностью удалить из кристалла невозможно;

• Атомы замещения – атомы примеси, занявшие места собственных атомов.

Это – три типа точечных дефектов. Они сильно искажают кристаллическую структуру и приводят к слабым смещениям – деформациям – всего кристалла.

Кроме точечных дефектов существует дефекты линейные и объёмные. К линейным дефектам относятся смещения – дислокации. Дислокация – это незавершённый сдвиг одной части кристалла относительно другой. Вдали от дислокации кристалл идеален, он «не знает», что одна его часть сдвинута относительно другой. Примером объёмного дефекта может служить несовершенная граница между двумя соседними ячейками, а так же поверхность кристалла.

Элементарные дефекты редко встречаются изолированными друг от друга – отдельными, в чистом виде. За последние годы научились приготовлять не только бездефектные кристаллы, но и кристаллы с определёнными типами дефектов и с определённым их количеством – приготовлять, чтобы изучать их.

1. 3. Жидкие кристаллы и их применение.

В природе часто можно встретить переливчатые крылья жука или стрекозы, наблюдать за быстро меняющимися цифрами электронных часов. Трудно догадаться, что может объединять эти вроде бы совсем не связанные вещи. Оказывается, общими их участниками являются жидкие кристаллы.

Есть такие вещества, и природные, и искусственные, которые в определенном диапазоне температур текучи, как жидкости, но сохраняют внутренний порядок составляющих их частиц-молекул, присущий твердым телам. При понижении температуры они превращаются в твердые кристаллы, а нагрей их — станут обычными жидкостями.

Эти вещества объединяют в себе свойства кристаллов и жидкостей. Образуются они из органических цепочек, похожих на полимеры. Удлиненная форма этих мельчайших частиц определяет необычные качества жидких кристаллов. Известно несколько тысяч органических соединений, образующих жидкие кристаллы, молекулы которых имеют удлиненную или дискообразную форму. Силы взаимодействия между молекулами стремятся выстроить их в определенном порядке. При высоких температурах тепловое движение молекул препятствует установлению этого порядка. Однако при температурах ниже критической (которая у каждого вещества своя) в жидкости возникает выделенное направление, вдоль которого начинают ориентироваться оси молекул. В результате образуется жидкий кристалл с характерной анизотропией свойств .

Например, в мыле эти частички укладываются в двойные слои, легко скользящие друг по другу.

Частицы жидких кристаллов способны сразу, по внешнему сигналу, менять свою ориентацию. При наблюдении за сменой цифр на табло микрокалькулятора или часов, там происходит похожий процесс – на определённые участки подаётся электрический сигнал и они изменяют свою прозрачность.

Столь необычные свойства этих веществ привлекли внимание конструкторов телевизионных трубок. Электронный лучик, рисующий изображение на экране такой трубки, должен успеть разогнаться, а для этого ему нужно не столь уж малое расстояние. Потому обычные телевизоры и компьютерные мониторы порой в толщину не меньше, чем в высоту. А вот применение жидкокристаллических материалов сделало экраны и широкоформатными, и плоскими.

Большое значение имеют световолоконные линии для передачи информации. Они состоят из длинных стеклянных волокон малого диаметра и хороши тем, что при прохождении через волокна свет практически не поглощается. Жидкие кристаллы применяются для построения элементов управления световыми потоками в данных устройствах.

Ещё одно применение жидких кристаллов – фотокинотехника. Здесь жидкие кристаллы применяют для систем автоматической фокусировки объектива съемочного аппарата – фото, телекамеры. Жидкий кристалл в этом случае «работает» в паре с фотополупроводниками.

Жидкие кристаллы применяют так же и в медицине. Идея замены рентгеновского излучения ультразвуком возникла давно, ведь ультразвук для человеческого организма безвреден. Однако трудность заключалась в регистрации ультразвукового потока, прошедшего тело пациента. И вот тут жидкие кристаллы предложили свою помощь – они оказались чувствительны к ультразвуку. При этом нарушается молекулярная упаковка жидкого кристалла, и оптическая картина этих нарушений позволяет судить о состоянии внутренних органов человека.

Кроме этого, в последнее время серьёзно рассматривается вопрос о роли жидких кристаллов в возникновении некоторых заболеваний в организме человека. Распространённость жидких кристаллов в живых тканях не удивительна. Основная деятельность клетки – обмен веществ. Жидкие кристаллы являются идеальным образованием для этого. Они могут поглощать вещества из газовой или жидкой фазы, могут растворять многие вещества, даже другой молекулярной структуры. Важную роль жидкокристаллическое состояние играет в системах, обеспечивающих смазку различных поверхностей в организме.

Описание открытых эффектов в жидких кристаллах можно продолжать и дальше, но и из вышеперечисленных ясно, что возможности жидких кристаллов большие.

Глава 2. Выращивание кристаллов.

2. 1. Способы выращивания кристаллов.

Существует два простых способа выращивания кристаллов из раствора: охлаждение насыщенного раствора и его выпаривание. Первым этапом при любом из двух способов является приготовление насыщенного раствора.

Растворимость веществ зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением – уменьшается.

При отсутствии центров кристаллизации это вещество может оставаться в растворе, т. е. раствор будет пересыщенным. С появлением центров кристаллизации избыток вещества выделяется из раствора.

Избыток вещества из раствора выпадает в виде кристаллов; количество кристаллов тем больше, чем больше центров кристаллизации в растворе. Центрами кристаллизации могут служить загрязнения на стенках посуды с раствором, пылинки, мелкие кристаллики вещества. Если предоставить выпавшим кристалликам возможность подрасти в течение суток, то среди них найдутся чистые и совершенные по форме экземпляры. Они могут служить затравками для выращивания крупных кристаллов.

Чтобы вырастить крупный кристалл, в тщательно отфильтрованный чистый раствор нужно внести кристаллик-затравку, заранее прикрепленный на волосе или тонкой леске, предварительно обработанной спиртом.

Можно вырастить кристалл и без затравки. Для этого волос или леску обрабатывают спиртом и опускают в раствор так, чтобы её конец висел свободно. На конце волоса или лески может начаться рост кристалла.

На выращивание крупного кристалла в зависимости от условий эксперимента может потребоваться от нескольких дней до нескольких недель.

2. 2. Результаты эксперимента.

Выращивание кристаллов поваренной соли без затравки.

Для эксперимента мы приготовили насыщенный раствор поваренной соли и опустили в него нить с утяжелением (скрепкой) на конце.

При проведении первого эксперимента в температурных условиях 40-45оС (в близи батареи центрального отопления) вырастить кристаллы не удалось, т. к. раствор изготавливался при комнатной температуре (20-25оС) и при внесении его в более тёплую среду вода быстро испарилась.

В ходе следующего эксперимента мы поместили раствор в среду с более низкой температурой (10-15оС) и заметили, что в этих условиях начался рост кристаллов на нити. Вода из раствора испарялась постепенно.

В следующем эксперименте мы решили придать кристаллам цвет. Для этого добавили в раствор акварельные краски розового цвета. В ходе этого эксперимента на дно сосуда выпал цветной осадок, а мы получили розовые кристаллы .

Выращивание кристаллов поваренной соли с затравкой.

Приготовив и профильтровав насыщенный раствор поваренной соли, мы оставили его на 5 дней при температуре 25 0С. В результате на дне сосуда образовались маленькие кристаллики соли. Выбрав самый крупный из них, положили его для дальнейшего роста во вторично профильтрованный раствор соли. Через 4 недели мы получили большой кристалл .

Выращивание кристаллов из раствора медного купороса.

Для этого эксперимента мы растворили медный купорос в воде и получили насыщенный раствор. Опустив нить в раствор при температуре 25 0С, наблюдали за постепенным ростом кристаллов в течение нескольких недель. В результате получили «бусы» из кристаллов медного купороса

Для получения одиночного кристалла, мы использовали кристаллик – затравку, образовавшуюся на дне сосуда. При этом мы старались поддерживать постоянную температуру раствора и наблюдали за ростом кристалла. В результате мы получили кристалл неправильной, но очень красивой формы – поликристалл.

1. кристаллизация жидкости происходит вблизи каких-либо примесей – пылинок, мелких тел и т. д. ;

2. для успешного роста кристаллов необходимо поддерживать постоянную температуру раствора;

3. более крупные и прозрачные кристаллы можно получить, используя затравку;

4. при отсутствии центров кристаллизации для получения кристаллов жидкость нужно охладить, т. е. получить неустойчивое её состояние;

5. любой выращенный кристалл имеет грани, т. к. основа кристалла – кристаллическая решётка;

6. из раствора поваренной соли получается монокристалл, из раствора медного купороса – поликристалл.

Заключение.

Человек встречается с кристаллами повсюду: употребляет в пищу соль и сахар, любуется искрящимся снегом в ясную зимнюю погоду и, вообще, живёт в поражающем своим многообразием мире кристаллов. Кристаллы необычайно интересны и удивительны.

В своей работе мы попытались выяснить, что такое кристаллы, каково их строение, каковы их особенности и возможные применения, а так же вырастили несколько разных кристаллов.

По ходу выполнения работы мы решали поставленные перед собой задачи:

• изучить строение кристаллических тел,

• научиться выращивать кристаллы из растворов.

Итоги наших исследований оказались следующими:

■ Все твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные.

■ Внутреннее строение кристаллических тел представляет собой кристаллическую решётку.

■ Реальная кристаллическая решётка имеет дефекты.

■ Кристаллы могут быть не только твёрдыми, но и жидкими.

■ Существует два способа выращивания кристаллов – охлаждение насыщенного раствора и его выпаривание.

■ Кристаллы из раствора формируются вблизи центров кристаллизации – мелких тел.

■ Наиболее крупные и прозрачные кристаллы выращивают с помощью затравки.