Реферат: Концепция современного естествознания на тему "симметрия кристаллов"

Министерство образования Российской Федерации

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РЕФЕРАТ

ПО ПРЕДМЕТУ КОНЦЕПЦИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

НА ТЕМУ «СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ»

Выполниластудентка: ЧАЙКА В.А.

Экономического факультета

Проверила:МАМАГУЛАШВИЛИ С.Б.

ТВЕРЬ2002

I. Введение…………………………………………………………2

II. Основная часть……..……………………………………….2-20

1.Что такоекристалл……………………………………….3-4

2. Монокристаллы и кристаллические агрегаты……….....4-5

3.Симметрия вкристаллах………………………………….5-8

4.Формакристаллов……………………………………….8-10

5. Закон постоянства двугранныхуглов. Отклонения

отзакона……………………………………………11-14

9. Есть ли беспорядок вкристалле?……………………...14-17

10. О некоторых свойствахкристаллов..………………..17-18

14. Опрочности кристаллов……………………………...18-20

III.Заключение……..………………………………………………………20-21

IV.Список используемой литературы……..………………………………22

Введение.

Кристаллыодни из самых красивых и загадочных творений природы. В настоящее времяизучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Онавыявляет признаки единства в этом многообразии, исследует свойства и строениекак одиночных кристаллов, так и кристаллических агрегатов. Кристаллографияявляется наукой, всесторонне изучающей кристаллическое вещество. Данная работатакже посвящена кристаллам и их свойствам.

Вдавние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкость.Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов — явлениенечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так,например, почти все горные породы: гранит, песчаники известняк — кристалличны. По мересовершенствования методов исследования кристалличнымиоказались вещества, до этого считавшиеся аморфными. Сейчас мы знаем, что даженекоторые части организма кристалличны, например,роговица глаза.

Внастоящее время кристаллы имеют большое распространение в науке и техники, таккак обладают особыми свойствами. Такие области использования кристаллов, какполупроводники, сверхпроводники, пьезо — и сегнетоэлектрики, квантовая электроника и многие другиетребуют глубокого понимания зависимости физических свойств кристаллов от иххимического состава и строения.

Внастоящее время известны способы искусственного выращивания кристаллов.Кристалл можно вырастить в обыкновенном стакане, для этого требуется лишьопределенный раствор и аккуратность скоторой необходимо ухаживать за растущим кристаллом.

Что такое кристалл.

Вшкольных учебниках кристаллами обычно называют твердые тела, образующихся вприродных или лабораторных условиях и имеющие вид многогранников, которыенапоминают самые непогрешимо строгие геометрические построения. Поверхностьтаких фигур ограничена более или менее совершенными плоскостями- гранями,пересекающимися по прямым линиям- ребрам. Точки пересечения ребер образуютвершины. Сразу же следует оговорится, что приведенное выше определение требуетсущественных поправок. Вспомним, например, всем известную горную породу границ,состоящую из зерен полевого шпата, слюды и кварца. Все эти зерна являютсякристаллами, однако, их извилистые зерна не сохранили прежней прямолинейности иплоскогранности, а следовательно не подходят квышеуказанному описанию. Одновременный рост всех составляющих граниткристаллов, мешавших друг другу развиваться, и привел к тому, что отдельныекристаллы не смогли получить свойственную им правильную многогранную форму.Итак, для образования правильно ограненных кристаллов необходимо, чтобы ничтоне мешало им свободно развиваться, не теснило бы их и не препятствовало ихросту.

Кристаллов в природе существует великоемножество и так же много существует различных форм кристаллов. В реальности,практически невозможно привести определение, которое подходило бы ко всемкристаллам. Здесь на помощь можно привлечь результаты рентгеновского анализакристаллов. Рентгеновские лучи дают возможность как бы нащупать атомы внутрикристаллического тела и определяет их пространственное расположение. Врезультате было установлено, что решительно все кристаллы построены изэлементарных частиц, расположенных в строгом порядке внутри кристаллическоготела.

Упорядоченностьрасположения таких частиц и отличает кристаллическое состояние отнекристаллического, где степень упорядоченности частиц ничтожна.

Во всех без исключения кристаллическихпостройках из атомов можно выделитьмножество одинаковых атомов, расположенных наподобие узлов пространственнойрешетки. Чтобы представить такую решетку, мысленно заполним пространствомножеством равных параллелепипедов, параллельно ориентированных исоприкасающихся по целым граням. Простейший пример такой постройки представляетсобой кладка из одинаковых кирпичиков. Если внутри кирпичиков выделитьсоответственные точки, например, их центры или вершины, то мы и получим модельпространственной решетки. Для всех без исключения кристаллических телхарактерно решетчатое строение.

Воттеперь мы подошли к возможности дать общее определение для кристаллов. Итак,кристаллами называются «все твердые тела,в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены строгозакономерно наподобие узлов пространственных решеток»[4].Это определения является максимально приближенным кистине, оно подходит к любым однородным кристаллическим телам: и булям (форма кристалла, у которого нет ни граней, ни ребер,ни выступающих вершин), и зернам, и плоскограннымфигурам)

Монокристаллы и кристаллические агрегаты.

Вотличие от других агрегатных состояний, кристаллическое состояние многообразно.Одни и те же по составу молекулы могут быть упакованы в кристаллах разнымиспособами. От способа же упаковки зависят физические и химические свойствавещества. Таким образом одни и те же по химическому составу вещества на самомделе часто обладают различными физическим свойствами. Для жидкого состояниятакое многообразие не характерно, а для газообразного- невозможно.

Есливзять, например, обычную поваренную соль, то легко увидеть даже без микроскопаотдельные кристаллики.

Каждыйкристаллик есть вещество NaCl, но одновременно онимеет черты индивидуума. Он может быть большим или малым кубическим или прямоугольно-параллелепипедальным, по-разному ограненным ит.д.

Вжидкости нельзя увидеть отдельные индивидуумы- капельки, в кристаллическом жевеществе они видимы.

Еслимы хотим подчеркнуть, что имеем дело с одиночным, отдельным кристаллом, тоназываем его монокристаллом, чтобы подчеркнуть что речь идет о скоплениимногих кристаллов, используется термин кристаллическийагрегат. Если в кристаллическомагрегате отдельные кристаллы почти не огранены, это может объяснятся тем, чтокристаллизация началась одновременно во многих точках вещества и скорость еебыла достаточно высока. Растущие кристаллы являются препятствием друг другу имешают правильному огранению каждого из них.

В данной работе речь пойдет в основном омонокристаллах, а так как они являются составными частями кристаллическихагрегатов, то их свойства будут схожи со свойствами агрегатов.

Симметрия в кристаллах.

Рассматриваяразличные кристаллы мы видим, что все они разные по форме, но любой из нихпредставляет симметричное тело. И действительно симметричность это одно изосновных свойств кристаллов. К понятию о симметрии мы привыкли с детства.Симметричными мы называем тела, которые состоят из равных одинаковых частей. Наиболее известными элементамисимметрии для нас являются плоскость симметрии (зеркальное отображение), осьсимметрии (поворот вокруг оси, перпендикулярной к плоскости ). По углу поворота различаютпорядок оси симметрии, поворот на 180о – ось симметрии 2-огопорядка, 120о – 3-его порядка и так далее. Есть и еще одиэлемент симметрии — центр симметрии.

Представьтесебе зеркало, но не большое, а точечное: точку в которой все отображается как взеркале. Вот эта точка и есть центр симметрии. При таком отображении отражениеповорачивается не только справа налево, но и с лица на изнанку.

Всекристаллы симметричны. Это значит, что вкаждом кристаллическом многограннике можно найти плоскости симметрии, осисимметрии, центры симметрии и другие элементы симметрии так, чтобы совместилисьдруг с другом одинаковые части многогранника. Введем еще одно понятиеотносящиеся к симметрии полярность.Представим конус и цилиндр, у обоих объектов есть по одной оси симметриибесконечного порядка, но они различаютсяполярностью, у конуса ось полярна (представимцентральную ось в виде стрелочки, указывающей к вершине), а у цилиндра ось неполярна.

Поговоримо видах симметрии в кристалле. Прежде всего в кристаллах могут быть осисимметрии только 1, 2, 3, 4 и 6 порядков. Представим плоскость, которую надополностью покрыть семи-, восьсми-,девятиугольниками и т.д., так чтобы между фигурами неоставалось пространства, это не получится, пятиугольниками покрыть плоскостьтак же нельзя. Очевидно, оси симметрии 5, 7-го и выше порядков не возможны,потому что при такой структуре атомные ряды и сетки не заполнят пространствонепрерывно, возникнут пустоты, промежутки между положениями равновесия атомов.Атомы окажутся не в самых устойчивых положениях и кристаллическая структураразрушится.

Вкристаллическом многограннике можно найти разные сочетания элементов симметрии– у одних мало, у других много. По симметрии, прежде всего по осям симметрии,кристаллы делятся на три категории.

К высшей категории относятся самыесимметричные кристаллы, у них может быть несколько осей симметрии порядков 2,3и 4, нет осей 6-го порядка, могут быть плоскости и центры симметрии. К такимформам относятся куб, октаэдр, тетраэдр и др.

Имвсем присуща общая черта: они примерно одинаковы во все стороны.

Укристаллов средней категории могут быть оси 3, 4 и 6 порядков, но только поодной. Осей 2 порядка может быть несколько, возможны плоскости симметрии ицентры симметрии. Формы этих кристаллов: призмы, пирамиды и др. Общая черта:резкое различие вдоль и поперек главной оси симметрии.

У кристаллов низшей категории не может быть ниодной оси симметрии 3 4 и 6 порядков, могут быть только оси 2 порядка,плоскости или центр симметрии. Структура данных кристаллов самая сложная.

Из кристаллов к высшей категорииотносятся: алмаз, квасцы, гранатыгерманий, кремний, медь, алюминий, золото, серебро, серое олово вольфрам,железо; к средней категории – графит, рубин, кварц, цинк, магний, белое олово,турмалин, берилл; к низшей – гипс, слюда, медный купорос, сегнетоваясоль и др. Конечно в этом списке не были перечислены все существующиекристаллы, а только наиболее известные из них. Категория, к которой принадлежиткристалл характеризует его физический свойства.

Категориив свою очередь разделяются на семь сингоний. Впереводе с греческого «сингония» означает «сходноугольство».В сингонию объединяются кристаллы с одинаковыми осями симметрии, а значит, сосходными углами поворотов в структуре. Классификация кристаллов по категориям исингониям приведена в таблице 1.

Плоскостии центр симметрии могут быть в любой сингонии. Всего сингонийсемь.

Каждыйкристаллический многогранник обладает определенным набором элементовсимметрии. Полный набор всех элементовсимметрии, присущих данному кристаллу называется классом симметрии. Сколько же всего таких наборов? Их количествоограничено. Математическим путем было доказано, что в кристаллах существует 32 вида симметрии.

Таб.1

Категория Сингония

Характерная симметрия кристаллов

Высшая

Кубическая

Несколько осей симметрии порядка выше,, чем 2; обязательно четыре оси симметрии 3-ого порядка

Средняя

Тригональная

Тетрагональная

Гексагональн

ая.

Одна ось симметрии порядка выше, чем 2, а именно:

Одна ось 3-ого порядка

Одна ось 4-ого порядка

Одна ось 6-ого порядка

Низшая

Ромбическая

Моноклинная

Триклинная

Нет осей симметрии порядка выше, чем 2.(Эти сингонии различаются по углам между кристаллографическими осями координат)

Форма кристаллов.

Изучениевнешней формы кристаллов началось преждеизучения симметрии, однако только после вывода 32 видов симметрии появиласьнадежная основа для создания геометрического учения о внешней форме кристаллов.Основным его понятием является понятие простой формы.

«Простой формой называется многогранник, который может бытьполучен из одной грани с помощью элементов симметрии(оси, плоскости и центрасимметрии)»[4].

Простые формы могут быть общими и частными взависимости от того, как расположена исходная грань по отношению к элементамсимметрии. Если она расположена косо, то простая форма полученная из нее будетобщей. Если же исходная формарасположена параллельно или перпендикулярно к элементам симметрии, тополучается частная простая форма.

Простыеформы так же могут быть закрытыми и открытыми.

Закрытаяформа может одна образовать кристаллический многогранник, в то время как однаоткрытая простая форма замкнутого многогранника образовать не может.

Каждаягрань кристалла представляет собой плоскость, на которой располагаются атомы.Когда кристалл растет все грани передвигаются параллельно сами себе, так как наних откладываются все новые и новые слои атомов. По этой причине, параллельнокаждой грани в структуре кристалла располагается огромное количество атомныхплоскостей, которые когда-то в начальныхстадиях роста тоже располагались награнях кристалла, но в процессе роста оказались внутри него.

Ребракристалла представляют собой прямые, на которых атомы располагаются в ряд.Таких рядов в кристалле тоже огромное количество и они располагаютсяпараллельно действительным ребрам кристалла.

Кристаллическиймногогранник обычно представляет собой комбинацию нескольких простых форм,грани (или ребра) которых являются действительнымигранями (ребрами). Грань, которой на данном кристалле нет, но которая можетоказаться на других кристаллах того же вещества, называется возможнойгранью. Возможной гранью может быть плоскость, проходящая через двадействительных или возможных ребракристалла. Точно так же, если возьмем две реальные грани, которые на данномкристаллическом многограннике не пересекаются, то линия, параллельная линии ихпересечения, будет возможным ребром кристалла.

Совокупностьграней, пересекающихся в параллельных ребрах, называется поясом или зоной. Апараллельная этим ребрам линия называется осью зоны.

Необходимо упомянуть, что кристаллографами былсоздан строго математический вывод всех возможных на свете кристаллическихформ, и теперь можно не только предположить, какова будет форма кристалла, а сбольшой уверенностью рассчитать будущую форму.

Втечении долгих лет геометрия кристаллов казалась таинственной и неразрешимойзагадкой. В 1619 великий немецкий математик и астроном ЙоганКеплер обратил внимание на шестерную симметрию снежинок. Он попытался объяснитьее тем, что кристаллы построены из мельчайших одинаковых шариков, теснейшимобразом присоединенных друг к другу (вокруг центрального шарика можно в плотнуюразложить только шесть таких же шариков). По пути намеченному Кеплером пошли впоследствии Роберт Гук и М. В. Ломоносов. Они так же считали, что элементарныечастицы кристаллов можно уподобить плотно упакованным шарикам. В наше времяпринцип плотнейших шаровых упаковок лежит в основеструктурной кристаллографии, только сплошные шаровые частицы старинных авторовзаменены сейчас атомами и ионами.

Через50 лет после Кеплера датский геолог, кристаллограф и анатом НиколасСтенон впервые сформулировал основные понятия оформировании кристаллов: «Рост кристалла происходит не изнутри, как урастений, но путем наложения на внешние плоскости кристалламельчайшихчастиц, приносящихся извне некоторой жидкостью». Эта идея о ростекристаллов в результате отложения на гранях все новых и новых слоев веществасохранила свое значение и до сих пор.

Оченьчасто кристаллы одного и того же вещества срастаются друг с другом закономернымобразом, образуя так называемый двойник. При этом обычно возникаютдополнительные элементы симметрии, называющиеся в данном случае двойниковые элементы симметрии. Если сросток состоит измногих кристаллов, закономерно чередующихся друг с другом, то он называетсяполисинтетическим двойником. Двойниковые кристаллыявляются очень распространенным явлением в природе. Многие вещества, получаемыев лаборатории, также часто имеют двойники как простые, так и полисинтетические.

Закон постоянства двухгранных углов. Отклонения от закона.

Симметричностькристаллов всегда привлекала внимание ученых. Уже в 79 г. нашего летоисчисленияПлиний Старший упоминает о плоскогранности и прямобедренности кристаллов. Этот вывод и может считаетсяпервым обобщением геометрической кристаллографии. С тех пор на протяжениимногих столетий весьма медленно и постепенно накапливался материал, позволившийв конце XVIII в. открыть важнейший закон геометрической кристаллографии -законпостоянства двугранных углов. Этот законсвязывается обычно с именем французского ученого Роме де Лиля, который в 1783г.опубликовал монографию, содержащую обильный материал по измерению углов природныхкристаллов. Для каждого вещества (минерала), изученного им, оказалосьсправедливым положение, что углы между соответственными гранями во всехкристаллах одного и того же вещества являются постоянными.

Неследует думать, что до Роме де Лиля никто из ученых не занимался даннойпроблемой. История открытия закона постоянства углов прошла огромный, почтидвухвековой путь, прежде чем этот закон был отчетливо сформулирован и обобщендля всех кристаллических веществ. Так, например, И. Кеплер уже в 1615г. указывал на сохранение углов в60о между отдельными лучиками у снежинок. В 1669 г. Н. Стенон открыл закон постоянства углов в кристаллах кварца игематита. Внимательно разглядывая реальные кристаллы кварца, Стенон также обратил внимание на их отклонение от идеальныхгеометрических многогранников с плоскими гранями и прямыми ребрами. В своемтрактате он впервые ввел в науку реальный кристалл с его несовершенствами иотклонениями от идеализированных схем. Однако все эти отклонения не помешалиученому открыть на тех же кристаллах кварца основной закон геометрическойкристаллографии. Однако написал он об этом очень кратко в пояснениях крисункам, приложенным к его сочинению, поэтому честь называться автором законадосталась Лилю.

Годомпозже Стенона Э. Бартолин сделал тот же вывод применительно к кристаллам кальцита, а в 1695 г. Левенгук — к кристаллам гипса. Он показал, что и у микроскопически малых и у больших кристаллов гипса углымежду соответственными гранями одинаковы. В России закон постоянства углов был отурыт М. В.Ломоносовым для кристаллов селитры (1749г.) пирита, алмаза и некоторых другихминералов. Однако вернемся к определению данному Лилем.В его версии закон постоянства углов звучит следующим образом: «Граникристалла могут изменятся по своей форме и относительным размерам, но ихвзаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода кристаллов.»

Итак,все кристаллы обладают тем свойством, что углы между соответственными гранямипостоянны. Грани у отдельных кристаллов могут быть развиты по-разному: грани,наблюдающиеся на одних экземплярах, могут отсутствовать на других — но если мыбудем измерять углы между соответственными гранями, то значения этих угловбудут оставаться постоянными независимо от формы кристалла.

Однако,по мере совершенствования методики и повышения точности измерения кристалловвыяснилось, что закон постоянства углов оправдывается лишь приблизительно. Водном и том же кристалле углы между одинаковыми по типу гранями слегка отличаются друг от друга. У многихвеществ отклонения двухгранных углов между соответственными гранями достигает10 -20', а в некоторых случаях и градуса.

Граниреального кристалла никогда не представляют собой идеальных плоскихповерхностей. Нередко они бывают покрыты ямками или бугорками роста, в некоторых случаях грани представляют собойкривые поверхности, например у кристаллов алмаза. Иногда замечаются на граняхплоские участки, положение которых слегка отклонено от плоскости самой грани,на которой они развиваются. Эти участки называются в кристаллографии вицинальными гранями, или просто вициналями.Вицинали могут занимать большую часть плоскостинормальной грани, а иногда даже полностью заменить последнюю.

Иногдана гранях наблюдаются ступеньки имеющие форму пандуса.

Такимобразом можно говорить о скульптуре граней, являющейся причиной отклонения отравенства двугранных углов. Изучением различных наростов занимается разделкристаллографии — Морфология внешней формы кристаллов.

Наблюдаются, конечно, и более закономерныеизменения двугранных углов, например зависимость от температуры. В таблице 2приведены значения углов между гранями кварца при разной температуре.

Таб.2

T, oC

Угол

T, oC

Угол

-166

100

200

128o11’54’’

128o12’51”

128o13’12”

128o13’36”

128o14’54”

300

400

500

550

575

128o16’12”

128o17’54”

128o20’12”

128o22’00”

128o23’18”

В заключении раздела оглавном геометрическом законе кристаллографии необходимо сказать о случаяхрезкого изменения углов кристаллов., которое возникает при полиморфномпревращении вещества ( образование данным веществом разные по симметрии и форме кристаллы),явлении, открытом позже формулировки закона постоянства углов. Одно и то жевещество при полиморфном превращении скачком меняет свои свойства. Например,переход ромбической серы в моноклинную сопровождается увеличением удельного объема на 0.014 сантиметра на грамми термическим эффектом в 3.12 калорий на грамм. Еще резче меняет своисвойства кристаллический углерод припереходе алмаза в графит. Плотность алмаза 3.5, графита 2.2; твердость алмаза10, графита 1 и т.д.

Приполиморфном превращении наряду со скачкообразным изменением физических свойств,скачком меняется и внешняя форма кристаллов,

приэтом совокупность двугранных углов одной модификации может совсем несоответствовать совокупность двугранных углов другой.

Учитываявсе вышесказанное, можно так сформулировать закон постоянства углов: «Во всех кристаллах, принадлежащих к однойполиморфной модификации данноговещества, при одинаковых условиях углы между соответствующими гранями (иребрами) постоянны.»

Есть ли беспорядок в кристалле?

После открытия дифракции рентгеновских лучей вкристаллах и рождения рентгеноструктурного анализа нестало сомнений в том, что в кристаллах частицы расположены правильнымтрехмерным строем. Уже в первые десятилетия после 1812 г. были расшифрованыструктуры почти всех известных кристаллических веществ, измерены междуатомныерасстояния, определены силы связи между частицами.

Структурщики как бы расставили атомы по их местам врешетках и определили силы взаимодействия между атомами. Появилась возможностьвычислять величины физических свойств на основе структуры кристаллов.Теоретически расчеты хорошо совпадали с данными опытов. Анизотропия (различиесвойств в зависимости от выбранного направления) физических свойств кристалловнашла свое объяснение в законах кристаллического строения.

Стройная схема законов атомного строения моглаобъяснить многие физические свойства кристаллов. Она была логична, ясна иказалась незыблемой. Но бессильна оказалась она в двух областях: в физикепластичности и прочности и в учении о росте кристаллов.

Началось все со споров о прочности кристаллов и обих механической деформации.

Что же такое деформация твердого тела? Всякоетвердое тело деформируется следующим образом: сначала, при небольшом усилии,деформация идет упруго, затем начинается деформация пластическая.

Упруго –это значит, что после того, как внешняясила убрана, тело полностью восстановит свою изначальную форму,

все следыдеформации исчезнут. Пластически – это значит, что изменения останутся.

Так же, как правило, деформируется поликристалл,если он вообще способен деформироваться.

Но монокристалл и тут ведет себя особенно, из-засвоей анизотропии. Даже и при упругой деформации кристалл далеко не всегда деформируетсятак, как вы хотите. Вы его сжимаете, а он сдвигается в сторону; хотитесдвинуть, а он не только сдвигается, но и растягивается. Если же вы доводитедеформацию до пластической, то кристалл вообще начинает проявлять «свойхарактер». И с этим надо считаться, если вы хотите деформировать кристалл.

Пластическая деформация кристаллов чаще всегопроисходит путем скольжения: отдельные слои кристалла соскальзывают параллельнодруг другу, как карты в колоде. Это неотдельные атомные слои, а «пачки» атомных слоев параллельных друг другу.

Пластическое скольжение происходит отнюдь не в томнаправлении, в котором приложена сила, а только по определенным плоскостям и вопределенных направлениях, заданных структурой кристалла. Обычно это теплоскости, в которых атомы упакованы плотнее всего. Оно и понятно: если атомнаяплоскость скользит параллельно самой себе, то движение ее легче идет там, гдерасстояние между атомами самое маленькое, короче всего переход от одного атома,к другому такому же.

Конечно и анизотропия деформации, и выборплоскостей скольжения определяется структурой кристалла.

Вопрос о прочности кристаллов всегда вызывалинтерес у ученых. Первым из ученых расчеты на прочность кристаллов были сделаныв 1924 г. советским физиком-теоретиком Я. И. Френкелем. Расчеты прочностиразличных кристаллических структур были сделаны, однако на практике оказалось,что расчетная прочность кристалла в тысячи раз больше реальной прочности. Френкель оказал огромную услугу проблеме прочностикристаллов,

вскрыв кричащее противоречие между теориейпроцесса скольжения и результатами эксперимента

Представьте себе, что воздвигнуто стройноевысотное здание, каркас которого сложен из стальных балок. Но одна из балокпопалась бракованная, надрезанная, надломанная. Чем определить прочность всегоздания? Конечно ее «слабым местом» – надломленной балкой, из-за которой можетначаться сдвиг и разрушение всей постройки.

Вот такие слабые места, как оказалось, неизбежносуществуют в каждом кристалле. Сначала их так и называли «слабые места» или«места разрыхления», однако позже стали называть дислокациями. Сначала ученые лишь предположили их существование,затем убедились на опыте, а затем научились управлять.

Итак, дислокация – это нарушение правильностирасположения атомов в структуре вдоль определенной линии.

Представьте себе, что в серии параллельныхплоскостей решетки одна из плоскостей недостроена, некончена: это уже не плоскость, а полуплоскость. Край такой оборванной плоскостиобразует краевую дислокацию.

Достаточно разорвать одну связь между атомамирядом с дислокацией – и дислокация (край оборванной плоскости) передвинется наодно междуатомное расстояние, а связь между атомами за ней восстановится.Разорвется следующая связь – оборванная плоскость передвинется дальше на одиншаг. Так, шаг за шагом, перемещаясь путем поочередного разрыва по одной связи,дислокация перейдет через весь кристалл. А в результате атомная плоскостьпереместится на один междуатомный шаг. Итогом этого перемещения будет сдвигодной половины кристалла относительно другой его половине, т.е. пластическоескольжение.

Очевидно, кристалл, в котором есть дислокация,деформировать гораздо легче, чем идеально построенный кристалл, — ведь здесь ненадо разрывать все атомные связи,

достаточно осуществлять работу разрывапоследовательно по одному ряду связей.

Данное явление очень ярко можно прокомментировать с помощью модели «ковра».Ковер лежит на гладком полу: перемещать такой ковер по полу, если он к полуприлегает плотно, -дело нелегкое: площадь соприкосновения ковра с полом велика,ковер тяжелый, и усилия для его смещения понадобятся немалые. А вот еслипоперек ковра имеется узкая складка, вдоль которой ковер отделен от пола,переместить ковер можно существенно меньшими усилиями. Они нужны лишь для того,чтобы разгладить складку. Когда складка пройдет через весь ковер, он сместитсяна ширину складки. Складка –это легкоподвижный дефект в системе «ковер – пол»,так как в области складки ковер не соприкасается с полом.

Аналогично ковру со складкой, одна из тех атомныхплоскостей кристалла, которые ориентированы перпендикулярно плоскостискольжения, обрывающаяся на этой плоскости, должна перемещаться легче прочих.

Итак, почему же реальная прочность кристалловоказалась намного меньше теоретической? Теоретической прочностью обладал быкристалл, если бы он был построен безукоризненно, идеально правильно. На самомже деле, в реальном кристалле всегда есть отступления от порядка, нарушениярасположения атомов. Обладая такими знаниями, человек научился извлекать изданного дефекта кристаллов выгоду.

О некоторых свойствах кристаллов.

Физическиесвойства кристаллов чаще всего зависятот их структуры и химического строения.

Сначаластоит упомянуть два основных свойствакристаллов. Одним из них является анизотропия,о которой уже упоминалась выше. Под этимтермином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления. Так,например, если вырезать из кристалла поваренной соли в различных направленияхстержни в поперечным сечением 1мм2 и испытать их на разрыв,

тоокажется, что они имеют различную прочность.

Вместес тем кристаллы являются телами однородными.Однородность кристаллического вещества состоит в том, что два его участкаодинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по свойствам.

Поговоримсначала об электрических свойствах. В принципе электрические свойствакристаллов можно рассматривать на примере металлов, так как металлы, в одном изсостояний, могут представлять собой кристаллические агрегаты. Электроны,свободно передвигаясь в металле, не могут выйти наружу, для этого нужнозатратить энергию. Если при этом затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает такназываемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и вмонокристаллах. Вырванный измолекулярной орбиты электрон, оставаясь внутри кристалла, обуславливает упоследнего металлическую проводимость (внутренний фотоэлектрический эффект). Внормальных же условиях (без облучения) такие соединения не являютсяпроводниками электрического тока.

О прочностикристаллов.

Ранеебыло описано, что кристалл заполнен дефектами. Как же влияют дефекты напрочность кристаллов. О одном, о прочности, мы уже говорили: дефекты понижаютпрочность, в сотни, тысячи раз. Если к кристаллу приложить внешнюю силу, тоатомная постройка начнет разрушаться именно в месте слабины, там, где естьдефект. Дефект — дислокация — начинает двигаться по крист

еще рефераты

Еще работы по геологии

Способы эксплуатации нефтяных и газовых скважин в Украине

16 Июня 2015

Реферат по геологии

Железомарганцевые образования Тихого Океана

29 Августа 2013

Реферат по геологии

Изменение географической оболочки при добыче полезных ископаемых на примере Рускеальской мраморной ломки

29 Августа 2013