Анализ свойств кристаллов (исследовательское направление)
Анализ свойств кристаллов: от структуры к применению
Кристаллы, окружающие нас повсюду, от обычных камней до сложных медицинских приборов, обладают уникальными свойствами, определяемыми их внутренней структурой. Данное методическое пособие, предназначенное для школьников инженерных классов, знакомит с основами кристаллографии, раскрывая связь между строением кристаллов и их физическими характеристиками.
Знакомство с миром кристаллов
Кристаллы – это твердые тела, в которых атомы упорядочены, образуя кристаллическую решетку. В отличие от аморфных тел, таких как стекло, кристаллы демонстрируют дальний порядок, что проявляется в их симметрии и правильной форме. Кристаллы растут из расплавов, растворов, паров и даже твердых веществ, приобретая форму многогранников благодаря различной скорости роста граней. Анизотропия, то есть зависимость свойств от направления, является ключевой характеристикой кристаллов, обусловленной их упорядоченной структурой.
Симметрия кристаллов: ключ к пониманию свойств
Симметрия играет важную роль в понимании свойств кристаллов. Элементы симметрии, такие как центр симметрии, плоскости и оси симметрии, описывают преобразования, при которых кристалл совмещается сам с собой. Знание этих элементов позволяет предсказывать и объяснять поведение кристаллов в различных условиях.
Методы выращивания кристаллов
Кристаллы можно получить различными способами, каждый из которых подходит для определенных материалов и целей. Рост кристаллов из расплава происходит при застывании магмы, когда образуются кристаллические зародыши, которые затем растут, образуя зерна. Кристаллизация из растворов основана на изменении растворимости вещества в зависимости от температуры или испарения растворителя. Кристаллы также могут расти из паров, например, при образовании инея, или путем перекристаллизации твердых веществ. Искусственное выращивание кристаллов позволяет получать материалы с заданными свойствами, что имеет важное значение для науки и техники.
Свойства кристаллов и их применение
Закон Стено гласит, что углы между соответствующими гранями кристаллов одного и того же вещества постоянны, независимо от размера и формы граней. Окраска кристаллов связана с наличием дефектов в кристаллической решетке, называемых центрами окраски, которые поглощают свет определенной длины волны. Фотолюминесценция – это свечение кристаллов под воздействием света или других видов излучения, обусловленное переходами электронов между энергетическими уровнями атомов. Пьезоэлектрический эффект – это возникновение электрического заряда в кристаллах при механическом воздействии, или, наоборот, деформация кристалла под действием электрического поля. Пироэлектрический эффект – это возникновение электрического поля в кристаллах при изменении температуры. Эти свойства находят широкое применение в различных областях, от ювелирного дела до современной электроники.
Кристаллы в современном мире
Кристаллы незаменимы в современной жизни. Они используются в компьютерах, мобильных телефонах, лазерах, полупроводниках, часах, ювелирных изделиях и медицинских приборах. Полупроводники, такие как кремний, являются основой микроэлектроники. Кристаллы кварца используются в часах, а алмазы – в режущих инструментах. Лазеры, использующие кристаллические стержни, применяются в промышленности, медицине и научных исследованиях.
Москва 2020 Минис терс тво науки и высш его о б ра з о ва н и я рФ ФеДераЛЬное госуДарственное автоноМное образоватеЛЬное уЧреЖДение высшего образования «наЦионаЛЬныЙ иссЛеДоватеЛЬскиЙ теХноЛогиЧескиЙ университет «Мисис» институт новыХ МатериаЛов и нанотеХноЛогиЙ Центр профессиональной навигации и приема Проект «Инженерный класс в московской школе» № 4301 А.П. Козлова АнАлиз свойств кристАллов (исследовательское направление) Методические указания рекомендовано редакционно-издательским советом университета
УДК 548.0 К59 Р е ц е н з е н т канд техн. наук, доцент М.В. Горшенков Козлова А.П. К59 Анализ свойств кристаллов (исследовательское направление) : метод. указания / А.П. Козлова. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2020. – 34 с. В методических указаниях представлены основы строения кристаллических материалов с точки зрения симметрии, показана связь внутреннего строения веществ с их свойствами. Данные методические указания знакомят с принципами получения кристаллов и некоторыми аспектами использования таких материалов в современном мире. Книга предназначена в качестве методических указаний для школьников, которые проходят обучение на элективных курсах в рамках городского образовательного проекта «Инженерный класс в московской школе», интересующихся естественными науками, выпускникам инженерных классов для подготовки к предпрофессиональному экзамену по направлению «Исследовательское». УДК 548.0 А.П. Козлова, 2020 НИТУ «МИСиС», 2020
Содержание Предисловие ................................................................. 4 1 Знакомство с кристаллом .............................................. 5 2 Симметрия кристаллов ................................................. 9 3 Как растут кристаллы ................................................ 14 3.1 Рост кристалла из расплава ......................................14 3.2 Рост кристаллов из раствора ....................................15 3.3 Рост кристаллов из паров .........................................16 3.4 Образование кристаллов из твердых веществ ..............16 3.5 Искусственные кристаллы .......................................17 4 Свойства кристаллов .................................................. 18 4.1 Закон Стено ...........................................................18 4.2 Окраска кристаллов ...............................................19 4.3 Фотолюминесценция ..............................................21 4.4 Пьезоэлектрический эффект ....................................25 4.5 Пироэлектрический эффект .....................................28 5 Применение кристаллов ............................................. 30 Заключение ................................................................ 32 Библиографический список .......................................... 33
Предисловие Новые материалы позволяют более просто и надежно решать сложные технические задачи, создавать современные машины, приборы, ткани. Среди материалов кристаллы занимают особое место. Разнообразные геометрически строгие атомные структуры кристаллов, как чудесные пространственные сита, преобразуют один вид энергии в другой. Звуковые колебания можно превратить в электрический ток, а переменный ток – в звук, свет – в ток, выпрямлять и усиливать переменный ток в тысячи раз. Можно точно стабилизировать радиоволны, делить свет на лучи, поляризованные в разных направлениях, заставлять кристаллы «помнить» и «забывать» сообщенные им сигналы. Эти и другие преобразования кристаллы выполняют с минимальными потерями, быстро и точно, что делает их незаменимыми во многих приборах. Как в доисторическую эпоху первые стальные копья и мечи делали из природного железа случайно найденных метеоритов, а потом научились выплавлять сталь, так и в наши дни сначала использовали кристаллы, выросшие в недрах земли и, лишь оценив их огромные возможности, стали искать пути искусственного их получения. Целенаправленное получение кристаллов с требуемыми свойствами, подготовка специалистов – исследователей в области выращивания и применения кристаллических материалов – актуальные приоритетные научные и индустриальные задачи. Данные методические указания знакомят школьников в простой и доступной форме с тем, как возникают кристаллы, с их строением и некоторыми свойствами и являются дополнением к школьному курсу физики и химии. В результате освоения данных методических указаний обучающиеся будут знать основные принципы строения кристаллических веществ, основные методы получения искусственных и синтетических кристаллов с заданным свойствами, основные свойства кристаллических материалов, основные области применения кристаллических материалов и уметь определять основные элементы симметрии по внешней форме кристаллов, оценивать свойства кристаллических материалов по измерению оптических и пьезоэлектрических параметров.
Похожие