/>Лицей современных технологийуправления
Реферат по физике
Кристаллы иих свойства
Выполнил:
Проверил:
Пенза 2001
Введение
Кристаллические телаявляются одой из разновидностей минералов.
Кристаллическими называюттвердые тела, физические свойства которых не одинаковы в различныхнаправлениях, но совпадают в параллельных направлениях.
Семейство кристаллическихтел состоит из двух групп — монокристаллов и поликристаллов. Первые иногдаобладают геометрически правильной внешней формой, а вторые, подобно аморфнымтелам, не имеют присущей данному веществу определенной формы. Но в отличие отаморфных тел структура поликристаллов неоднородна, зерниста. Они представляютсобой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленькихкристаллов — кристаллитов. Поликристаллическую структуру чугуна, например,можно обнаружить, если рассмотреть с помощью лупы образец на изломе.
По размерам кристаллы бываютразличными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаютсягигантские кристаллы массой в несколько тонн.Строение кристаллов
Разнообразие кристалловпо форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотенграней. Но при этом они обладают замечательным свойством — какими бы ни былиразмеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские гранипересекаются друг с другом под определенными углами. Углы междусоответственными гранями всегда одинаковы. Кристаллы каменной соли, например,могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы,но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Грани кварца имеют формунеправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же — 120°.
Закон постоянства углов,открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом наукио кристаллах — кристаллографии.
Измерение углов между гранямикристаллов имеет очень большое практическое значение, так как по результатамэтих измерений во многих случаях может быть достоверно определена природаминерала. Простейшим прибором для измерения углов кристаллов являетсяприкладной гониометр. Применение прикладного гониометра возможно только дляисследования крупных кристаллов, невелика и точность измерений, выполненных сего помощью. Различить, например, кристаллы кальцита и селитры, сходные поформе и имеющие углы между соответственными гранями, равные 101°55'первого и 102°41,5' у второго, с помощью прикладного гониометра очень трудно.Поэтому в лабораторных условиях измерений углов между гранями кристалла обычновыполняют с помощью более сложных и точных приборов.
Кристаллы правильной геометрическойформы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятныхфакторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твердымителами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму.Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошломсовершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения одругие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найтив прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней врезультате длительного трения друг о друга.
Существует несколько способов,позволяющих узнать, является ли твердое тело кристаллом. Самый простой из них,но очень малопригодный для использования, был открыт в результате случайногонаблюдения в конце XVIII в. Французский ученый Ренне Гаюи нечаянно уронил одиниз кристаллов своей коллекции. Рассмотрев осколки кристалла, он заметил, чтомногие из них представляют собой уменьшенные копии исходного образца.
Замечательное свойство многихкристаллов давать при дроблении осколки, подобные по форме исходному кристаллу,позволило Гаюи высказать гипотезу, что все кристаллы состоят из плотноуложенных рядами маленьких, невидимых в микроскоп, частиц, имеющих присущуюданному веществу правильную геометрическую форму. Многообразие геометрическихформ Гаюи объяснил не только различной формой «кирпичиков», из которых онисостоят, но и различными способами их укладки.
Гипотеза Гаюи правильно отразиласущность явления — упорядоченное и плотное расположение структурных элементовкристаллов, но она не ответила на целый ряд важнейших вопросов. Существует липредел сохранению формы? Если существует, то что представляет собой самыймаленький «кирпичик»? Имеют ли атомы и молекулы вещества форму многогранников?
Еще в XVIII в. английский ученыйРоберт Гук и голландский ученый Христиан Гюйгенс обратили внимание навозможность построения правильных многогранников из плотно укладываемых шаров.Они предположили, что кристаллы построены из шарообразных частиц — атомов илимолекул. Внешние формы кристаллов согласно этой гипотезе являются следствиемособенностей плотной упаковки атомов или молекул. Независимо от них к такому жевыводу пришел в 1748 г. великий русский ученый М. В. Ломоносов.
При плотнейшей укладке шаров в одинплоский слой каждый шар оказывается окруженным шестью другими шарами, центрыкоторых образуют правильный шестиугольник. Если укладку второго слоя вести полункам между шарами первого слоя, то второй слой окажется таким же, как ипервый, только смещенным относительно него в пространстве.
Укладка третьего слоя шаров может бытьосуществлена двумя способами (рис.1). В первом способе шары третьего слояукладываются в лунки, находящиеся точно над шарами первого слоя, и третий слойоказывается точной копией первого. При последующем повторении укладки слоевэтим способом получается структура, называемая гексагональной плотноупакованнойструктурой. Во втором способе шары третьего слоя укладываются в лунки, ненаходящиеся точно над шарами первого слоя. При этом способе упаковки получаетсяструктура, называемая кубической плотноупакованной структурой. Обе упаковкидают степень заполнения объема 74%. Никакой другой способ расположения шаров впространстве при отсутствии их деформации большей степени заполнения объема недает.
При укладке шаров ряд за рядомспособом гексагональной плотной упаковки можно получить правильную шестиграннуюпризму, второй способ упаковки ведет к возможности построения куба из шаров.
Если при построении кристаллов изатомов или молекул действует принцип плотной упаковки, то, казалось бы, вприроде должны встречаться кристаллы только в виде шестигранных призм и кубов.Кристаллы такой формы действительно очень распространены. Гексагональныйплотной упаковке атомов соответствует, например, форма кристаллов цинка,магния, кадмия. Кубической плотной упаковке соответствует форма кристалловмеди, алюминия, серебра, золота и ряда других металлов.
Но этими двумя формами многообразиемира кристаллов вовсе не ограничивается.
Существованиеформ кристаллов, не соответствующих принципу плотнейшей упаковки равновеликихшаров, может иметь разные причины.
Во-первых, кристалл может бытьпостроен с соблюдением принципа плотной упаковки, но из атомов разных размеровили из молекул, имеющих форму, сильно отличающуюся от шарообразной (рис.2).Атомы кислорода и водорода имеют шарообразную форму. При соединении одногоатома кислорода и двух атомов водорода происходит взаимное проникновение ихэлектронных оболочек. Поэтому молекула воды имеет форму, значительноотличающуюся от шарообразной. При затвердевании воды плотная упаковка ее молекулне может осуществляться тем же способом, что и упаковка равновеликих шаров.
Во — вторых, отличие упаковки атомовили молекул от плотнейшей может быть объяснено существованием более сильныхсвязей между ними по определенным направлениям. В случае атомных кристалловнаправленность связей определяется структурой внешних электронных оболочекатомов, в молекулярных кристаллах — строением молекул.
Разобраться в устройстве кристаллов,пользуясь только объемными моделями их строения, довольно трудно. В связи с этимчасто применяется способ изображения строения кристаллов с помощьюпространственной кристаллической решетки.Она представляет собойпространственную сетку, узлы которой совпадают с положением центров атомов(молекул) в кристалле. Такие модели просматриваются насквозь, но по ним нельзяничего узнать о форме и размерах частиц, слагающих кристаллы.
В основе кристаллической решеткилежит элементарная ячейка — фигура наименьшего размера, последовательнымпереносом которой можно построить весь кристалл. Для однозначной характеристикиячейки нужно задать размеры ее ребер а, в и с и величину углов a, b и g между ними.Длину одного из ребер называют постоянной кристаллической решетки, а всюсовокупность шести величин, задающих ячейку, — параметрами ячейки.
На рисунке 3 показано, как можнозастроить все пространство путем сложения элементарных ячеек.
Важно обратить внимание на то, чтобольшинство атомов, а для многих типов кристаллической решетки и каждый атомпринадлежит не одной элементарной ячейке, а входит одновременно в составнескольких соседних элементарных ячеек. Рассмотрим, к примеру, элементарнуюячейку кристалла каменной соли.
За элементарную ячейку кристаллакаменной соли, из которой, переносом в пространстве можно построить веськристалл, должна быть принята часть кристалла, представленная на рисунке.При этом нужно учесть, что от ионов,находящихся в вершинах ячейки, ей принадлежит лишь одна восьмая каждого из них;от ионов, лежащих на ребрах ячейки, ей принадлежит по одной четвертой каждого;от ионов, лежащих на гранях, на долю каждой из двух соседних элементарных ячеекприходится по половине иона.
Подсчитаем число ионов натрия и числоионов хлора, входящих в состав одной элементарной ячейки каменной соли. Ячейкецеликом принадлежит один ион хлора, расположенный в центре ячейки, и по однойчетверти каждого из 12 ионов, расположенных на ребрах ячейки. Всего ионов хлорав одной ячейке 1+12*1/4=4. Ионов натрия в элементарной ячейке—шестьполовинок на гранях и восемь восьмушек в вершинах, всего 6*1/2+8*1/8=4.
Сравнение элементарных ячееккристаллических решеток различного типа может проводиться по разным параметрам,среди которыхчасто употребляются атомный радиус, плотность упаковки иколичество атомов в элементарной ячейке. Атомный радиус определяют как половинурасстояния между центрами ближайших соседних атомов в кристалле.
Доля объема, занятая атомами вэлементарной ячейке, называется плотностью упаковки.
Классификация кристаллов иобъяснение их физических свойств оказываются возможными только на основеизучения их симметрии. Учение о симметрии является основой всейкристаллографии.
Для количественной оценки степенисимметричности служат элементы симметрии — оси, плоскости и центр симметрии.Осью симметрии называют воображаемую прямую, при повороте вокруг которой на360° кристалл (или его решетка) несколько раз совмещается сам с собой. Числоэтих совмещений называют порядком оси.
Плоскостью симметрии называютплоскость, рассекающую кристалл на две части, каждая из которых являетсязеркальным отображением одна другой.
Плоскость симметрии как бы выполняетроль двустороннего зеркала (рис.4). Число плоскостей симметрии может бытьразличным. Например, в кубе их девять, а в снежинках любой формы — шесть.
Центром симметрии называют точкувнутри кристалла, в которой пересекаются все оси симметрии.
Каждый кристалл характеризуетсяопределенным сочетанием элементов симметрии. Ввиду того, что число элементовсимметрии невелико, задача отыскания всех возможных форм кристаллов не являетсябезнадежной. Выдающийся русский кристаллограф Евграф Степанович Федоровустановил, что в природе может существовать только 230 различныхкристаллических решеток, обладающих осями симметрии второго, третьего,четвертого и шестого порядка. Иначе говоря, кристаллы могут иметь формуразличных призм и пирамид, в основании которых могут лежать только правильныйтреугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.
Е. С. Федоров являетсяосновоположником кристаллохимии — науки, занимающейся определением химическогосостава кристаллов путем исследования формы граней и измерения углов междуними. Кристаллохимический анализ по сравнению с химическим обычно занимаетменьше времени и не приводит к разрушению образца.
Многие современники Федорова нетолько не верили в существование кристаллических решеток, но даже сомневались всуществовании атомов. Первые экспериментальные доказательства справедливостивыводов Федорова были получены в 1912 г. немецким физиком Э. Лауэ.Разработанный им метод определения атомной или молекулярной структуры тел спомощью рентгеновских лучей носит название рентгеноструктурного анализа.Результаты исследования структуры кристаллов с помощью рентгеноструктурногоанализа доказали реальность существования всех рассчитанных Е. С. Федоровымкристаллических решеток. Теория этого метода слишком сложна, чтобы ее можнобыло рассмотреть в школьном курсе физики.
Наглядное представление о внутреннейструктуре кристаллов дает новый замечательный прибор для исследованиястроения кристаллов — ионный микропроектор, изобретенный в 1951 г. Устройствомикропроектора сходно с устройством кинескопа телевизора (puc.5). В стеклянном баллоне располагаетсяисследуемый кристалл металла в виде тончайшей иглы 1 диаметром около 10-5—10-6см. Против острия иглы расположен люминесцентный экран 2,способный светиться при бомбардировке быстрыми частицами. После тщательнойоткачки воздуха из баллона в него вводят небольшое количество гелия. Междуиглой и экраном прикладывают напряжение около 30 000 в.
Когда атомы гелия соударяются сострием положительно заряженной иглы, от них отрывается по одному электрону, иони становятся положительными ионами. Чаще всего соударение атомов гелияпроисходит с выступающими участками поверхности острия — «с торчащими» изрешетки металла отдельными, атомами или группами атомов. Поэтому ионизациягелия в основном происходит около таких выступов. От каждого выступа-атома ионза ионом летит по прямым в направлении отрицательно заряженного катода 3.При ударах об экран они вызывают его свечение, создавая увеличенное до 107раз изображение поверхности острия. Пунктир из светлых точек на фотографии — этоизображение края ступенек слоев атомов, а сами светлые точки — отдельные атомыв вершинах ступенек. Вся картина хорошо передает периодичность и симметриюрасположения атомов в кристалле.
Процесс роста кристаллов.
Никто не видел, как образуетсязародыш кристалла в растворе или расплаве. Можно высказать предположение, чтобеспорядочно движущиеся атомы или молекулы случайно могут расположиться в такомпорядке, какой соответствует кристаллической решетке. Если раствор не насыщенили температура расплава выше температуры кристаллизации, то зародышиобразуются и тут же растворяются или разрушаются тепловым движением. Вперенасыщенном растворе или в расплаве, охлажденном до температуры нижетемпературы кристаллизации, скорость роста зародыша превышает скорость егоразрушения.
Такое, казалось бы разумноепредположение не согласуется с результатами практики. Как показывают расчеты,зародыш будет устойчив и сможет расти, если число молекул на его поверхностимного меньше числа внутренних молекул. Теоретическая оценка ребра такогозародыша дает величину около 1*10-8м, т. е. равнуюнескольким десяткам межатомных расстояний. В объеме этого минимальногоустойчивого зародыша содержится несколько тысяч атомов. Ясно, что вероятностьстолкновения такого большого числа атомов ничтожно мала. Однако допустим, чтозародыш каким-то образом все же образовался, и выясним, какие условиянеобходимы для того, чтобы он не растворился, а начал расти.
При образовании зародыша выделилосьтепло. Атомы, образовавшие кристаллическую решетку зародыша, передали частьсвоей энергии соседним атомам расплава, которые начали двигаться быстрее. Атомыближайшего окружения зародыша до тех пор не смогут «осесть» на нем, пока непередадут избыточную энергию более отдаленным атомам. Таким образом, ростзародыша будет происходить в том случае, если обеспечить постоянный отвод теплаиз расплава.
Как же располагаются на поверхностизародыша оседающие атомы? Раньше считали, что рост кристаллов происходит слойза слоем. Сначала завершается построение одного слоя, потом начинается укладкаследующего и т. д. В результате грани, наращиваясь слой за слоем, перемещаютсяпараллельно самим себе в направлении, перпендикулярном плоскости грани, как прикладке кирпичной стены. О справедливости такого предположения, казалось бы,говорят факты существования плоских граней у кристаллов. На рисунке 6 показанамодель недостроенной грани кристалла. Ясно, что осаждение нового атома наиболеевероятно в точке А поверхности, где он будет удерживаться тремясоседями, тогда как в любой другой точке поверхности грани он будетудерживаться меньшим числом соседей. Когда закончится застройка четвертогоряда, начнется застройка пятого и т. д., пока не завершится вся плоскость.
После этого рост кристаллазатрудняется, так как образование нового слоя — событие менее вероятное. Где быни «осел» атом на завершенной плоскости, везде он будет связан с небольшимчислом атомов кристалла. Вероятность того, что эта слабая связь будет нарушенатепловым движением, велика, поэтому атом не сможет закрепиться на кристалле иперейдет в раствор или в расплав. При таком механизме застройки атомныхплоскостей скорость роста кристалла должна быть очень малой. В опыте же при выращиваниикристаллов из паров с пересыщением всего в 1% была обнаружена скорость ростакристалла в 101000 раз больше рассчитанной теоретически!По-видимому, большего расхождения теории с опытом в физике не наблюдалось.
Объяснение этому расхождению теории ипрактики было найдено лишь сравнительно недавно, в 1949 г. Легкость, с какойначинается застройка новой атомной плоскости, оказалось возможным объяснитьтем, что реальные кристаллы имеют множество дефектов структуры.
Описывая строение кристаллов, мы пользовалисьих идеальными моделями. Отличие реальных кристаллов от идеальных заключается втом, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой, аимеют целый ряд нарушений в расположении атомов, называемых дефектами. Знаниеусловий образования дефектов и способов их устранения играет большую роль прииспользовании кристаллов на практике.
Схемы возникновения дефектов вкристаллах показаны на рисунке 7. Самые простые дефекты в идеальнойкристаллической решетке возникают в результате замещения собственного атомачужеродным (рис.7, а), внедрения атома в междоузлие (рис.7, б), отсутствия атомав одном из узлов кристаллической решетки (рис.7.в).
Особую роль в процессе ростакристалла играют несовершенства его структуры, называемые дислокациями (смещениями).Простейшими видами дислокации являются краевая и винтовая. Краевая дислокацияобразуется в месте обрыва «лишней» атомной полуплоскости (pис. 8). В случае винтовой (дислокацииатомные плоскости образуют систему, напоминающую винтовую лестницу. Количестводислокаций в кристаллах может быть очень большим, достигая 108 — 109см-3. Кристаллов без дислокаций не существует. Постоянноеналичие открытой ступеньки винтовой дислокации создает благоприятные условиядля роста кристалла, Ведь не нужно начинать строить ни новый ряд, ни новуюплоскость. Атомы, пристраивающиеся к ступенькам, наращивают ее, и за счет этогоона начинает перемещаться по поверхности грани. Но это движение не будетперемещением ступеньки параллельно самой себе, так как ее конец неподвижен.Нетрудно сообразить, что если атомы укладываются с постоянной скоростью вдольвсей длины ступеньки, то она по мере роста начнет изгибаться и примет формуспирали. Постоянное наращивание ступеньки новыми слоями атомов приведет к тому,что на грани кристалла образуется спиральная башенка (рис. 9). Центральнаячасть ее как бы ввинчивается в пространство, опережая в своем движении нижниеступеньки лестницы, которые со временем будут застроены полностью и исчезнут,превратившись в завершенный атомный слой.
Фотографии, полученные с помощьюэлектронного микроскопа, подтвердили реальность спирального механизма ростакристаллов. Если имеется много близко расположенных дислокаций, то ступенькироста кристаллов имеют высоту во много атомных слоев и их можно видеть даже вобычный микроскоп.
Зарождение кристалла облегчается приналичии в растворе или расплаве мельчайших инородных тел — пылинок и другихзагрязнений. Очевидно, в данном случае зародыши кристаллов образуются не путемобъединения при случайных столкновениях атомов или молекул, а в результатеосаждения атомов на твердых инородных телах, пылинках, практически всегдаприсутствующих в расплаве или газе. Например, зародышами снежинок являютсявзвешенные в воздухе твердые пылинки, чаще всего мельчайшие кварцевые песчинки.Неправильная форма пылинки, на которой начинается зарождение кристалла,способствует возникновению в нем дислокации и резкому возрастанию скоростироста кристалла.
Способы зарождения новых слоев искорости роста граней кристаллов различных веществ неодинаковы. Одни кристаллывырастают в виде пластин, другие — в виде иголок. Это вызвано многимипричинами. Одна из них — различие молекул вещества по форме. Различие скоростейроста граней кристаллов многих веществ объясняется зависимостью от направлениявеличины сил связи частиц, образующих кристалл. Вероятность прилипания молекулв направлении действия больших сил, конечно, оказывается большей, чем внаправлении действия меньших сил. Так обстоит дело в кристаллах с пластинчатойструктурой (слюда, графит), в которых рост происходит преимущественно вдольплоскостей, где действуют сильные связи. В направлениях, перпендикулярных этимплоскостям, скорость роста значительно ниже.
Но не только форма молекул и заметнаяразница сил их взаимодействия в различных направлениях определяют формурастущего кристалла. Если кристаллы растут при больших пересыщениях пара илираствора, то часто образуются необычные для данного вещества ветвистые,древовидные формы, называемые дендритами. Объясняется это тем, что вершиныкристаллов соприкасаются с более пересыщенным паром или раствором, чем ихграни. Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются в глубьнеиспользованного раствора или пара, что способствует их дальнейшему быстромуросту и т, д.
Примером дендритных образованииявляются снежинки, ледяные узоры на стекле. При медленном росте кристаллы льдапринимают обычную для них форму шестигранных призм. Дендриты образуются прибыстром охлаждении расплавов солей и металлов. В природе довольно частовстречаются в виде дендритов серебро, медь, золото.Кристаллы в природе
Вопрос о происхождении большинстваминералов в природе тесно связан со сложной проблемой происхождения и развитияЗемли. Согласно современным представлениям Земля образовалась путем объединенияпервоначально холодного вещества, имевшегося в солнечной системе в виде твердыхчастиц пыли. За счет выделения энергии при столкновении частиц, а также за счетряда других источников энергии Земля должна была разогреться до 1000—2000° С.При такой высокой температуре слои, близкие к поверхности и не сжатые давлениемвышележащих слоев, должны были расплавиться. В этом расплавленном слоепроизошло разделение пород: менее плотные породы, типа гранитов, всплыли наповерхность, под ними расположился слой более плотных базальтов и еще ниже — породы,слагающие мантию. Газы, освободившиеся при расплавлении вещества верхнего слояземного шара, образовали атмосферу Земли. При последующем остывании Землирасплавленные слои затвердели и образовали земную кору, пары воды послеконденсации из атмосферы создали Мировой океан.
Многие минералы и горные породыобразовались при охлаждении земной коры подобно тому, как образуется лед призамерзании воды. Магма, вещество земной коры в расплавленном состоянии,представляет собой сложный расплав различных веществ, насыщенный различнымигорячими газами и парами. При охлаждении магмы сначала в ней образовалиськристаллы того вещества, температура кристаллизации которого самая высокая. Помере дальнейшего охлаждения происходила кристаллизация других минералов,обладающих меньшей температурой кристаллизации, и так до тех пор, пока всямагма не затвердела. Так, в честности, могли образовываться такиераспространенные породы, как граниты.
Рассматривая зернистую поверхностьгранита, можно сделать вывод, какой из входящих в его состав минераловобразовался раньше других. Зерна этого минерала крупнее и имеют форму, близкуюк форме правильных кристаллов, так как им не мешали расти кристаллы другихминералов. Зерна кристаллов, образовавшихся позднее, мельче и имеют случайнуюформу, так как для их роста остались лишь промежутки между зернами ранеевыросших кристаллов. Чем медленнее понижалась температура магмы, т. е. чемдольше росли кристаллы, тем крупнозернистее получался минерал. Мелкозернистыеже минералы образовались при более быстром охлаждении, А при очень быстромохлаждении магмы, например при ее выбросах на поверхность Земли во времяизвержения вулканов, она затвердела раньше, чем начали расти кристаллы.Вероятно, так образовался обсидиан, встречающийся на Кавказе.
При затвердевании объем земной корыуменьшался и в ней появлялись трещины и пустоты. В таких пустотах росткристаллов происходит беспрепятственно. В них часто находят круги и хорошоограненные кристаллы кварца, пластинчатые кристаллы слюды площадью в несколькоквадратных метров и многие другие.
Многие минералы возникли изпересыщенных водных растворов. Первым среди них следует назвать каменную соль NaCl являющуюся одним из наиболее знакомыхкаждому человеку минералов. Толщина пластов каменнойсоли, образовавшихся при испаренииводы соленых озер, достигает в некоторых месторождениях нескольких сотенметров.
Каждому знаком способ образованиякристаллов из пара. Снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающийзимой голые ветки деревьев, представляют собой кристаллы льда, выросшие изпаров воды.
Подобным образом образуются икристаллы некоторых минералов. Например, летучие пары соединений борногоангидрида оседая на стенках пустот и трещин остывающей магмы, образуют кристаллытурмалина, иногда достигающие 2—3 м длины.
На стенках кратеров «курящихся»вулканов постоянно образуются кристаллы серы, хлористого аммония, каменной солии других веществ, достигающих поверхности Земли в виде пара. Однажды приизвержении Везувия за несколько дней из паров образовалась жила кристалловгематита (Ре2О3) толщиной 1 м.
Многие кристаллы являются продуктамижизнедеятельности организмов. Некоторые виды моллюсков обладают способностьюнаращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5 — 10 летобразуется драгоценный камень жемчуг, имеющий поликристаллическое строение.
В морской воде растворено многоразличных солей. Мириады организмов, населяющих моря, строят свои раковины искелеты из углекислого кальция и кремнезема. Выпадая в осадок, раковины искелеты умерших организмов образуют мощные пласты так называемых осадочныхпород. Рифы и целые острова в океанах сложены из кристалликов углекислогокальция, составляющих основу скелета беспозвоночных животных — коралловыхполипов. Мощные слои известняка в земной коре являются результатом многовековыхотложений раковин и панцирей различных организмов. В результате движений земнойкоры часть известняка оказалась на значительной глубине, где под действиемвысокого давления и температуры без плавления превратилась в мрамор. Мраморявляется типичным примером видоизмененных — метаморфических — пород. Кристаллобычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и неживымустановить очень трудно и понятия «кристалл» и «жизнь» не являютсявзаимоисключающими. Простейшие живые организмы — вирусы — могут соединяться вкристаллы. Конечно, в кристаллическом состоянии они не обнаруживают никакихпризнаков живого, так как сложные жизненные процессы в кристаллах протекать немогут. Но при изменениях внешних условий на благоприятные (такими для вирусовявляются условия внутри клеток живого организма) они начинают двигаться,размножаться.
Наконец, самое удивительное. Казалосьбы, кристалл и живой организм представляют собой примеры осуществления крайнихвозможностей в природе. В кристалле неизменными остаются сами атомы и молекулыи их взаимное расположение в пространстве, в живом организме не только несуществует сколько-нибудь постоянной структуры в расположении атомов и молекул,но даже ни на одно мгновение не остается неизменным его химический состав. Впроцессе жизнедеятельности организма одни химические соединения разлагаются наболее простые, другие сложные соединения синтезируются из простых.
Но при всех химических процессах,протекающих в живом организме, этот организм остается самим собой в течениемногих десятков и сотен лет! Более того, потомки каждого живого организмаявляются удивительно точной его копией! Следовательно, в клетках любогоживотного или растения имеется что-то постоянное, неизменное, способноеуправлять химическими процессами, протекающими в них. Такими носителями«программы» процессов, протекающих в живой клетке, оказались молекулыдезоксирибонуклеиновой кислоты, называемой коротко ДНК. Эти молекулы ужеупоминались во введении, когда речь шла о самых больших молекулах в природе.
Молекулы ДНК не только управляютпроцессами жизнедеятельности клетки, но и несут в себе полную информацию остроении и развитии всего живого организма из одной только клетки! С полнымоснованием можно сказать, что молекула ДНК является основой жизни.
Согласно современным данным, молекулаДНК представляет собой двойную спираль, составленную из небольшого числасравнительно простых молекулярных соединений, повторяющихся в строгоопределенном для данного вида порядке. Диаметр молекулы ДНК равен 2*10-9м, а длина может достигать нескольких сантиметров. Такие гигантскиемолекулы с точки зрения физики рассматриваются как особый вид твердого тела —одномерные апериодические кристаллы. Следовательно, кристаллы — это не толькосимвол неживой природы, но и основа жизни на Земле.Получение иприменение кристаллов
Монокристаллы ряда элементов и многиххимических веществ обладают замечательными механическими, электрическими,магнитными и оптическими свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другогоминерала, встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядомэлектрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике.Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другиенаходят применение при изготовлении оптических приборов.
К сожалению, в природе монокристаллыбольшинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаютсяредко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий людиназывают драгоценными камнями, алмаз, рубин, сапфир, аметист и другиедрагоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко в основном не заособые механические пли другие физические свойства, а лишь из-за своейредкости.
Развитие науки и техники привело ктому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природекристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов и машин, длявыполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько,что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисковновых природных месторождений оказалось невозможно.
Кроме того, для многих отраслейтехники и особенно для выполнения научных исследований все чаще требуютсямонокристаллы очень высокий химической чистоты с совершенной кристаллическойструктурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям неудовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.
Таким образом, возникла задачаразработки технологии искусственного изготовления монокристаллов многихэлементов и химических соединений.
Разработка сравнительно простогоспособа изготовления «драгоценного камня» приводит к тому, что он перестаетбыть драгоценным. Объясняется это тем, что большинство драгоценных камнейявляется кристаллами широко распространенных в природе химических элементов исоединений. Так, алмаз — это кристалл углерода, рубин и сапфир — кристаллыокиси алюминия с различными примесями.
Рассмотрим основные способывыращивания монокристаллов. На первый взгляд может показаться, что осуществитькристаллизацию из расплава очень просто. Достаточно нагреть вещество вышетемпературы плавления, получить расплав, а затем охладить его. В принципе этоправильный путь, но если не принять специальных мер, то в лучшем случаеполучится поликристаллический образец. А если опыт проводить, например, скварцем, серой, селеном, сахаром, способными в зависимости от скоростиохлаждения их расплавов затвердевать в кристаллическом или аморфном состоянии, тонет никакой гарантии, что не будет получено аморфное тело.
Для того чтобы вырастить одинмонокристалл, недостаточно медленного охлаждения. Нужно сначала охладить одиннебольшой участок расплава и получить в нем «зародыш» кристалла, А затем,последовательно охлаждая расплав, окружающий «зародыш», дать возможностьразрастись кристаллу по всему объему расплава. Этот процесс можно обеспечитьмедленным опусканием тигля с расплавом сквозь отверстие в вертикальнойтрубчатой печи. Кристалл зарождается на дне тигля, так как оно раньше попадаетв область более низких температур, а затем постепенно разрастается по всемуобъему расплава. Дно тигля специально делают узким, заостренным на конус, чтобыв нем мог расположиться только один кристаллический зародыш (рис. 10).
Этот способ часто применяется длявыращивания кристаллов цинка, серебра, алюминия, меди и других металлов, атакже хлористого натрия, бромистого калия, фтористого лития и других солей,используемых оптической промышленностью. За сутки можно вырастить кристаллкаменной соли массой порядка килограмма.
Недостатком описанного методаявляется загрязнение кристаллов материалом тигля.
Этого недостатка лишен бестигельныйспособ выращивания кристаллов из расплава, которым выращивают, например,корунд, (рубины, сапфиры). Тончайший порошок окиси алюминия из зерен размером2—100 мкм высыпается тонкой струёй из бункера, проходит черезкислородно-водородное пламя, плавится и в виде капель попадает на стержень изтугоплавкого материала. Температура стержня поддерживается несколько нижетемпературы плавления окиси алюминия (2030°С). Капли окиси алюминия охлаждаютсяна нем и образуют корку спекшейся массы корунда. Часовой механизм медленно(10—20 мм1ч) опускает стержень, и на нем постепенно вырастает неограненный кристалл корунда, по форме напоминающий перевернутую грушу, такназываемая буля (рис. 11).
Как и в природе, получение кристалловиз раствора сводится к двум способам. Первый из них состоит в медленномиспарении растворителя из насыщенного раствора, а второй — в медленномпонижении температуры раствора. Чаще применяют второй способ. В качестверастворителей используют воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы.Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможностьзагрязнения кристаллов частицами растворителя.
Кристалл растет из тех участковпересыщенного раствора, которые его непосредственно окружают. В результатеэтого вблизи кристалла раствор оказывается менее пересыщенным, чем вдали отнего. Так как пересыщенный раствор тяжелее насыщенного, то над поверхностьюрастущего кристалла всегда имеется направленный вверх поток «использованного»раствора. Без такого перемешивания раствора рост кристаллов быстро быпрекратился. Поэтому часто дополнительно перемешивают раствор или закрепляют кристаллна вращающемся держателе (рис. 12). Это позволяет выращивать более совершенныекристаллы.
Чем меньше скорость роста, тем лучшеполучаются кристаллы. Это правило справедливо для всех методов выращивания.Кристаллы сахара и поваренной соли легко получить из водного раствора вдомашних условиях. Но, к сожалению, не все кристаллы можно вырастить такпросто. Например, получение кристаллов кварца из раствора происходит притемпературе 400°С и давлении 1000 ат.
Применения кристаллов в науке итехнике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтомуограничимся несколькими примерами.
Самый твердый и самый редкий изприродных минералов — алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работаетпочти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а некамень-украшение. Около 80% всех добываемых природных алмазов и всеискусственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в современнойтехнике так велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращениеприменения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.
Примерно 80% применяемых в техникеалмазов идет на заточку инструментов и резцов «сверхтвердых сплавов».Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса дляморских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазныхподшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 000 000оборотов.
Несколько уступая алмазу потвердости, соревнуется с ним но разнообразию технических применении рубин — благородныйкорунд, окись алюминия Al2O3 с красящей примесью окиси хрома. Мировое производствоискусственных рубинов превышает 100 г. в год. Из 1 кгсинтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов.Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей изхимического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокнатребуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самоготвердого стекла изнашиваются за несколько дней при протяжке через нихискусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев, рубиновыенитеводители оказываются практически вечными.
Новая область для широкого применениярубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубиновоголазера — прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света,испускаемою в виде тонкого светового луча.
Исключительная рольвыпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинствополупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия иликремния.Какполучаются драгоценные камни в природе и какполучают их искусственно
В начале было уже сказано о том, какие природные геологическиепроцессы существуют. Большинство драгоценных камней образуется в результатепроцессов, требующих высоких температур и давлений.
Для того чтобы минерал образовал хороший кристалл, емунеобходимы условия для роста, т. е. свободное пространство. Обычно горныепороды являются очень плотными, и минералы, которые в них образуются, имеютнеправильные формы. Прозрачные и почти идеальные по форме кристаллы самоцветовобразуются в полостях трещин и других пустотах. В камерах и занорышахпeгмaтитoв растут кристаллы топазов, изумрудов, турмалинов, в полостяхкварцевых жил — кристаллы аметиста, горного хрусталя и т. д. При экзогенныхпроцессах, когда происходит разрушение и выветривание пород, драгоценные камни,как более устойчивые, охраняются и накапливаются в коре выветривания ироссыпях. Тем самым они становятся более доступными для добычи, потому чтогораздо легче доставать минералы из рыхлых пород, чем из твердых.
При искусственном выращивании кристаллов в аппаратахсоздаются те же физико-химические условия, которые характерны для природныхпроцессов. Даже некоторые термины, которые издавна используются геологами иминералогами, нашли применение в техническом языке, например термин«гидротермальные условия».
Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществобладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическимисвойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала, встречающегосяна Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств,обеспечивающих им широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина,исландского шпата, рубина и многие другие находят применение при изготовленииоптических приборов.
К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ безтрещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому,что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценнымикамнями. Алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое времяценились людьми очень высоко в основном не за особые механические или другиефизические свойства, а лишь из-за своей редкости. Развитие науки и техникипривело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся вприроде кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов.Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее засчет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природныхместорождений оказалось невозможно.
Кроме того, для многих отраслей техники и особенно длявыполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокойхимической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы,встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растутв условиях, весьма далеких от идеальных.
Таким образом, возникла задача разработки технологииискусственного изготовления монокристаллов.
Первые попытки искусственно получить замечательные минералычеловек предпринимал с давних пор. Еще в средние века алхимики с помощьюфилософского камня пытались превратить простые вещества в драгоценные камни. Новсе это были попытки с негодными средствами, потому что алхимики совершенно непредставляли законов строения вещества. Успех пришел лишь тогда, когда был вдостаточной мере познан процесс минералообразования. В настоящее времясуществует целый ряд способов выращивания кристаллов. Исходное вещество можетбыть твердым, растворенным или расплавленным, даже может находиться вгазообразном состоянии. Из более чем 3000 минералов, существующих в природе,искусственно удалось получить уже несколько сот. Трудности синтеза связаны снеобходимостью очень точного соблюдения режима выращивания кристаллов.
Но даже искусственно выращенные кристаллы часто имеютдефекты. Сейчас производятся опыты по выращиванию кристаллов в космосе вусловиях невесомости. Первые опыты, проведенные на палубе космического корабля«Салют», показали, что это направление является весьма перспективным.
Из всех замечательных минералов наиболее высокие температурыи давления необходимы для образования алмазов. В природе их находят в такназываемых кимбёрлитовых трубках, которые образуются в результате взрыва газовна глубинах свыше 50 км. Кимберлит представляет собой ультраосновную породу,получившую название по руднику Кимберли в Южной Африке. Температура на этих глубинахсоставляет 1000—1100°С, а давление превышает несколько десятков атмосфер. Но итаких высоких давлений оказывается недостаточно. Как показывает синтезискусственных алмазов, для их образования необходимы поистине чудовищныедавления в десятки тысяч атмосфер. Только в таких условиях углерод, хорошоизвестный нам по графиту, из которого делают карандаши, может перейти вгексагональную модификацию и дать вместо черной массы прозрачные кристаллы. Какже достигаются такие сверхвысокие давления в глубинах Земли? Предполагают,например, что это осуществляется за счет механизма кавитации локальногоповышения давления в результате взрыва газовых пузырьков. Полуразрушенныйматериал кимберлитов при взрыве с большой силой устремляется к поверхностиЗемли по тектоническим трещинам. Вместе с алмазами в кимберлитах находятскопления ювелирного граната — пиропа фиолетово-красного и оранжево-красногоцвета, а также хризолита. Однако хризолит ювелирного качества, как менееустойчивый минерал, сохраняется лишь в свежих невыветренных породах.
Первые алмазоносные трубки взрыва были открыты в 1870 г. вЮжной Африке. В последние десятилетия алмазные трубки открыты у нас в Якутии.Алмазы добываются также из россыпей, образовавшихся в результате размывакоренных месторождений.
Около ста лет назад люди впервые попытались получитьсинтетический алмаз. Первая удача пришла к англичанину Ганнею в 1889 г. Онполучил мелкие кристаллики алмаза в порах чугуна, где нaxoдилиcь костное масло,литий и углерод. Раскаленный чугун подвергался резкому охлаждению. Эти первыеискусственные алмазы хранятся в Британском музее. Получить новые кристаллытаким способом уже никому не удалось, хотя попыток было сделано немало.Получение алмазов из простого угля казалось в то время совершенно фантастическим.Помните одного из героев рассказа Герберта Уэллса? Он наполнял стальной цилиндрграфитовой смесью и взрывчаткой и нагревал его в топке. Затем два годазаставлял остывать, чтобы кристаллы алмазов достигли значительного размера. Какпишет Г. Уэллс: «Я решил дать остывать моей аппаратуре два года, чтобытемпература снижалась постепенно. Под конец я перестал поддерживать огонь. Яизвлек цилиндр и вскрыл его, он был еще так горяч, что обжигал мне руки,выскреб стамеской хрупкую лавообразную массу и размельчил ее молотком нaчугунной плите. Я обнаружил три крупных и пять мелких алмазов». Разумеется,этот способ получения алмазов совершенно фантастический, и алмазы таким путемполучить нельзя.
И только в середине XX в. фантастика стала реальностью. В1955 г. была разработана специальная аппаратура, создающая давление в десятки исотни тысяч атмосфер при температурах 1200—1500°С. В 1960 г. на июльскомпленуме ЦК КПСС было объявлено о получении синтетического алмаза в СССР.Советский искусственный алмаз марки САМ (синтетический алмаз монокристальный) с1965 г. выпускается в промышленных количествах. Алмазы получают из порошкаграфита, смешанного с никелем. Смесь прессуется в виде небольших дисковразмером до 2—3 см, которые затем нагреваются до температуры 2000—3000°С придавлении до 10* 109 Па. В таких поистине невероятных условиях графитпревращается в алмаз. Разумеется, прежде чем строить такие сложные установки,процесс перехода графита в алмаз был изучен теоретически. Исходя изтермодинамических свойств того и другого минерала, была рассчитанатеоретическая кривая перехода графит — алмаз.
Получаемые кристаллы имеют кубическую или октаэдрическуюформу. По твердости они даже превосходят естественный алмаз. Производствоискусственных алмазов в настоящее время практически целиком направлено для нуждбуровой техники и абразивной промышленности. Ювелирные кристаллы алмазов покаполучены в незначительном количестве.
Был даже сконструирован специальный робот, которыйвырабатывает алмазы.
На железную ладонь робота кладут сырье — графит. Роботвкладывает графит в свою «грудь»—печь, в которой графит нагревается до высокихтемператур при больших давлениях. В конце концов опять же на ладонь роботавыпадает кристалл синтетического алмаза в форме небольшого шарика.
Способы искусственного получения ювелирных алмазов в условияхвысоких давлений сейчас технически освоены, но экономически нерентабельны из-занизкой скорости процесса. Наиболее перспективным в настоящее время, считаетсяметод выращивания алмазов при совместном отложении графита и алмаза притемпературах 1000—1200°С из углесодержащего газа (CHi иди CSi). Затем графитсжигается в водородной среде при давлении 5 • 105— 20 • 105 Па и получаетсячистый алмаз.
Обратимся теперь к другой группе драгоценных камней — рубинами сапфирам. Эти замечательные минералы, представляют собой оксид алюминия(глинозем), в природе встречаются в различных магматогённых и метаморфическихпородах. Глинозем входит в состав многих минералов горных пород, и для того,чтобы он выделился в свободном виде, как самостоятельный минерал, порода должнабыть богата алюминием. Чтобы вместо обычного корунда, имеющего тот жехимический состав, выделялись благородные рубин и сапфир, необходимыблагоприятные условия для роста кристаллов и содержание в породе определенныххимических элементов. Поэтому природные месторождения драгоценных рубинов исапфиров очень редки. Наиболее известны месторождения в Индии и Шри Ланка.
Извлекать кристаллы из плотных метаморфических илимагматических пород очень сложно, поэтому основное значение для добычи рубина исапфира имеют остаточные и россыпные месторождения.
Искусственный рубин был впервые получен в начале нашего векав небольшой лаборатории в окрестностях Парижа. Выдающийся советский минералогА. Е. Ферсман так описывал эту лабораторию в 1936 г. «В тихой улицезахолустного городка около Парижа маленькая грязненькая лаборатория. В тесномпомещении среди паров и накаленной атмосферы на столах несколько цилиндрическихприборов с синими окошечками. Через них химик следит за тем, что делается впечи, регулирует пламя, приток газа, количество выдуваемого белого порошка.Через короткий промежуток 5-6 ч он останавливает печь и с тоненького красногостерженька снимает красную прозрачную грушу,..». Этот способ полученияискусственного рубина известен под названием «метод профессора Вернейля».Порошок оксида алюминия непрерывно поступает в зону печи, где происходитгорение водорода в кислороде. При создавшейся высокой температуре порошокплавится. Капли расплавленной массы падают вниз и попадают на маленькийкристаллик рубина, который помещается здесь в качестве затравки. На затравкекристаллизуется прозрачная «булька» — грушевидный монокристалл рубина, которыйпостепенно растет вверх. В России в настоящее время работают аппараты системыПопова, которые позволяют получать синтетические монокристаллы рубина в видестержней диаметров 2—4 см и длиной до 2 м. Самым новым методом полученияискусственных рубина и сапфира является метод диффузионной плавки постепенновытесняющий метод Вернейля.
Красная окраска искусственного рубина получается за счетдобавки оксида хрома. При добавлении к порошку глинозема других веществполучают синюю окраску сапфира или оранжевые, желтые, зеленые, розовые,фиолетовые окраски, которых в природе нет. Искусственные рубины и сапфиры чище,прозрачнее и дешевле природных. Они широко применяются для изготовленияювелирных изделий.
Целая группа драгоценных камней (топаз, аквамарин, изумруд,турмалин, аметист, горный хрусталь и др.) в природных условиях связана спегматитовыми и гидротермальными образованиями. Рост кристаллов в такихусловиях происходит в пустотах горных пород. Размеры этих пустот могутдостигать несколько десятков кубических метров, хотя обычно их объемы непревышают нескольких кубических дециметров. Пустоты образуются под воздействиемсамых разнообразных геологических причин и в минералогии имеют различныеназвания: камеры, заморыши, жеоды, миндалины и т. д. Кристаллы в этих пустотахомываются, горячими гидротермальными растворами, содержащими различные вещества.Обычно в таких пустотах растут не единичные кристаллы, а целые их семейства,которые называются друзами. Расскажем, к примеру, как образуются в природеизумруды, которые пока еще не были получены искусственно. Месторожденияизумрудов обычно связаны с пегматитами, где ювелирные кристаллы формируются вкамерах. Известны также месторождения изумрудов в метаморфических породах,переработанных бериллиеносными растворами. Поскольку благородная темно-зеленаяокраска изумруда объясняется присутствием в минерале хрома, необходимо, чтобыэтот элемент содержался в породе в значительных количествах. Иначе вместоизумруда образуется обыкновенный берилл. Поэтому месторождения изумрудов чащевсего залегают среди ультраосновных пород, богатых хромом, железом, магнием идругими элементами. Примером таких месторождений могут служить знаменитые копиУрала. Известные месторождения изумруда в Колумбии образовались при низкихтемпературах не более 100 – 1800 С в результате просачивания минералообразующихрастворов через известняк и отложения изумрудов в полостях, образовавшихся прирастворении известняков горячими растворами.
Из этой группы замечательных минералов наиболее, освоеноискусственное получение горного хрусталя. Сейчас в нашей стране практически всевиды аппаратуры, использующие горный хрусталь (кварц), работают насинтетических кристаллах. Искусственные кристаллы горного хрусталя получают вгидротермальных условиях. Это слово «гидротермальные» мы употребляли приописании природных условий образования минералов. Оно используется и в техникедля обозначения условий получения кристаллов из «горячей воды». Кристаллывыращивают в специальных трубах — автоклавах высотой несколько метров.Автоклавы изготовляют из нержавеющей высоколегированной стали и покрывают изнутрисеребром. Это делается для того, чтобы на трубе не образовалась ржавчина,которая при попадании в растущий кристалл кварца может вызвать различныенежелательные дефекты монокристалла. В нижней части трубы размещается кварцевыйпесок, через который просачивается вода с добавками щелочей. Процесс происходитпри температуре несколько сот градусов и высоком давлении. В этих условияхкремнезем растворяется в воде, насыщенный раствор кремнезема в воде омываетмаленький затравочный кристалл кварца, помещенный в верхней части автоклава.Кристалл растет в автоклаве несколько месяцев, а особо чистые кристаллы растутнесколько лет. Требования технологии очень высоки: температурный режим,например, нe может изменяться даже на доли градуса в течение всего роста кристалла.В таких условиях выращивают кристаллы горного хрусталя массой до 15 кг.
Создавая прибор для выращивания искусственного хрусталя,человек в значительной степени использовал знания, полученные при изученииприродных условий образования минерала, и эти природные условия искусственновоссоздал в автоклаве.
А вот другая группа оксида кремния (IV) — благородные опалы иагаты, которые отличаются от обычного кварца значительным содержанием воды. Этинекристаллические колломорфные минералы формируются совсем в других условиях. Вприроде они образуются из кремнистого геля, который отлагается в пустотах лав —застывшей массы, которая образуется при извержениях вулканов. Эти породыназываются вулканическими, или эффузивными. Выпадение кремнезема в порах ипустотах вулканических пород связано с понижением температуры кремнистого гелядо 100 —1500 С. Месторождения благородного опала встречаются также в древнихкорах выветривания. Предполагают, что в результате испарения грунтовых вод поддействием сухого климата происходило увеличивание концентрации кремнезема ивыпадения его почти на поверхности Земли. К этому типу относятся основныеместорождения благородного опала в Австралии.
Еще совсем недавно, мы ничего не знали об искусственномопале. Но вот пришло сообщение, что французский химик Гилсон синтезировал ивыпустил на международный рынок белые и черные драгоценные синтетические опалы,которые обладают всеми внешними признаками, свойственными природным благороднымопалам и, в первую очередь, ирризацией. Даже специалисты по драгоценным камнямзатрудняются отличать полученные синтетические опалы oт природных. Технологияпроизводства искусственных опалов пока остается тайной изобретателя.
Список драгоценных камней, которые получают искусственно, всевремя растет.
Российские ученые разгадали еще один секрет природы –получение аметиста – горного хрусталя густо фиолетового цвета. Аметистывыращивают так же, как и кристаллы кварца. Затем кристаллы облучают g-лучами в реакторах. Под воздействиемоблучения в кристалле возникают разные дефекты, которые и обуславливают егофиолетовый цвет. В данном случае окраска аметиста не обусловлена примесью какихлибо других элементов, а имеет другие причины.
Можно не сомневаться, что пройдет еще несколько лет, и любыекристаллы драгоценных камней и других замечательных минералов могут бытьполучены искусственным путем.
Мы рассмотрели естественные и искусственные условияобразования драгоценных камней. Однако существует еще одна группа минералов окоторых мы не можем сказать ни слова: они не существуют в природе. Это минералысозданные человеком в лабораторных условиях. Несколько лет назад в ювелирныхмагазинах появились изделия с прекрасными прозрачными камнями различного цвета.По красоте они не уступают бриллиантам. Эти искусственные камни были названыфианитами в честь места их рождения Физического института Академии наук имениП.Н. Лебедева (ФИАН). По составу феаниты представляют собой смесь оксидовциркония и гафния. Фианиты изготовляются для различных отраслей народногохозяйства: оптики, электроники, производства лазеров, ювелирных изделий. Другойизвестный искусственный минерал, широко используемый в ювелирном деле, — гранатит – алюминиево-иттриевый гранат. Новые минералы окрашивают в различныецвета с помощью хромофор, и они великолепно имитируют драгоценные камни.
Круг искусственных драгоценных камней, применяемых вювелирном деле (гемологии), постоянно расширяется. Современная гемологияиспользует многочисленные синтетические минералы: изумруды, шпинели, гранаты,рубины, сапфиры, имитацию жада и многие другие.
Многие века и даже тысячелетия употреблялись замечательныеминералы в качестве украшений, и люди даже не подозревали, какие огромныескрытые возможности таятся, к примеру, в бриллиантовом колье на шее у светскойдамы или в рубиновом перстне на пальце вельможи. Но шли годы, бурное развитиенауки и техники вовлекало в сферу производства все новые и новые материалы, имногие из тех свойств, которые определили драгоценность минералов, оказалисьсовершенно необходимыми в технике. Выяснилось, например, что с помощьюрубинового лазера можно с большой точностью измерить расстояние от Земли доЛуны. Самый ценный камень — алмаз — в настоящее время является большетехническим камнем, чем камнем красоты. Алмазы используют для шлифовки, резки,с помощью специальных приспособлений — буровых коронок, усаженных алмазами,сверлят Землю в поисках полезных ископаемых. Образно говоря, прошли временаалмазных корон — настали времена алмазных коронок. Электротехника, оптика,радиотехника, военное дело, точная механика и многие другие отрасли народногохозяйства претендуют на драгоценные камни вовсе не из-за их красоты, а именноиз-за их эамечательных свойств.
Использование минералов для технических целей началось ужедавно, может быть раньше, чем их применение в качестве украшений. Когдапервобытный человек взял в руку обломок нефрита и стал рубить им дерево — это ибыло первое техническое применение камня. Позже человек усовершенствовал свойинструмент: привязав обломок нефрита к палке, он получил каменный топор.Разумеется, современнее применение минералов в технике намного сложнее.
Какие же свойства определили широкое применение минералов всовременной технике?
Твердость. Твердость минералов — это комплексное физическоесвойство, зависящее от внутренней структуры, значений межатомных расстояний,валентности ионов и атомов, слагающих минерал, и т. д. В практическойминералогии для определения твердости пользуются произвольной нелинейной шкалойМооса. Все минералы по этой шкале делятся на десять групп с твердостью от 1 до10. Более точные количественные значения твердости определяют с помощьюспециальных приборов — склерометров. Алмазную или стальную пирамидку вдавливаютв пришлифованную поверхность минерала, а затем изменяют длину диагоналиобразовавшейся ямки. Затем эти значения рассчитываются а килограммах на 1мм.
Первым в ряду стоит алмаз, имеющий максимальную твердость,равную 10. Недаром его название произошло от греческого слова адамас, чтоозначает «непобедимый». Такая «непобедимость» алмаза определила его широкоеприменение для изготовления режущих инструментов. Самым простым из них являетсяизвестный всем стеклорез. Это наиболее древнее техническое применение алмаза,которое мы знаем. Алмазы употребляют в металлообрабатывающей промышленности дляизготовления пил; резцов, приготовления полировальной пасты, используют дляконструирования алмазных коронок, обеспечивающих высокопроизводительное бурениегорных пород и т. д.
Подсчитано, что мировая потребность в алмазах составила к1975 г. более 20 т, и это для минерала, масса кристаллов которого измеряется вкаратах (0,02 г). Американские специалисты писали, что если изъять изупотребления в США алмазные инструменты, то промышленный потенциал этой страныснизится вдвое.
Разумеется, в технике применяются не ювелирные алмазы, а темболее не бриллианты. В дело идут рядовые алмазы — крошка, «борт», а такжечерная разновидность алмазов — «карбонадо». С каждым годом растет потреблениеискусственных алмазов, поскольку природные месторождения не удовлетворяют сейчаси половины запросов промышленности.
С алмазом по твердости соперничает рубин, имеющий твердость 9по шкале Мооса, или 2000 кг/мм. Этот минерал является прекрасным абразивом.Хорошо известны твердые абразивные шлифовальные круги, порошки, пасты. В производствеиспользуются не ювелирные рубины и сапфиры, а невзрачный корунд. В настоящеевремя широко применяется искусственный корунд — электрокорунд, или алунд,получаемый путем электроплавки высококачественных алюминиевых руд — бокситов.
Всем хорошо известно выражение «часы на 17 (или на 23)камнях». Эти камни в часах есть не что иное, как вкладыши из рубина, в которыхвращаются оси шестеренок. Вы можете увидеть эти красноватые рубины, открывкрышку часов. Качество ручных или карманных часов зависит, в частности, оттого, сколько шестеренок вращается на рубиновых подшипниках. Рубиновые камниопределяют долговечность часов.
Еще один «замечательный минерал», или точнее минералы,используется в абразивной промышленности — гранат. Эта группа минераловсодержит много разновидностей. В качестве абразива обычно применяют железистыйгранат -—альмандин. Твердость этого минерала по шкале Мооса равна 7, аколичественно составляет 11ОО кг/мм2. Из гранатов изготовляют шлифовальныепорошки, точильные круги, шкурки. Иногда они заменяют в приборостроении рубин.
Список замечательных минералов, используемых из-за ихтвердости в промышленности, можно было продолжить. Но уже из того, что мыперечислили, можно понять, что твердость, являющаяся необходимым свойствомдрагоценных камней и определяющая их долгую жизнь в качестве украшений —качество, необходимое и для промышленных целей.
Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства.
В Индии и на Цейлоне с древних времен, было известно, чтокристаллы турмалина, положенные в горячую золу, сначала притягивали, а затемотталкивали частицы золы. Это явление стало известно в Европе в 1703 г., когдаголландские купцы привезли кристаллы турмалина с Цейлона. Карл Линней в 1747 г.дал турмалину научное название — электрический камень (tapis elektricus). Позжеэто явление было названо пироэлектричеством. Оно заключается в появленииэлектрических напряжений на гранях кристалла при нагревании. Проявленияпьезоэлектрических свойств кристаллов впервые были установлены в 1880 г.Сущность этого явления заключается в том, что если к граням таких кристалловподвести электрическое напряжение, кристаллы деформируются: сжимаются илирастягиваются. И наоборот, если сжимать или растягивать пьезокристалл, на егогранях возникают электрические напряжения. Как правило, все пироэлектрическиекристаллы являются пьезо-злектриками, но не все пьезоэлектрики обладаютпироэлектрическими свойствами.
Среди замечательных минералов основными пьезоэлектрикамиявляются монокристаллы кварца и турмалина. Из многочисленныхкристаллографических модификаций кварца в качестве пьезо-электрика используетсячаще всего низкотемпературный а-кварц, устойчивый до температуры 573°С.
Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства кристалловиспользуются в технике уже много лет. Одно из применений пьезо-электриковизвестно буквально каждому. Это звукосниматели в наших проигрывателях, которыепревращают механические колебания иглы на граммофонной пластинке вэлектрические токи, которые затем усиливаются и подаются на динамик.
На аналогичной основе пьезоэлектрические свойства кристалловиспользуются в ультразвуковой гидроакустике, дефектоскопии, при изучениисвойств газов, жидкостей и твердых тел, для измерения давлений и вибраций, приизготовлении стабилизаторов и фильтров радиочастот. Предложено дажеиспользовать пьезокристалл для лампы-вспышки при фотографировании. По замыслу ирасчетам изобретателя при механическом ударе по кристаллу выделяется количествоэнергии, достаточное для вспышки электрической лампочки.
Современные технические требования к пьезокристаллам оченьвысоки: требуется, чтобы в кристалле был участок размером не менее 12Х12Х1,5 ммбез всяких дефектов, трещинок, включений и т. д. Поскольку в природныхкристаллах редко удается найти подобные участки, в технике все более и болееиспользуются искусственные кристаллы кварца и других минералов.
Оптические свойства. Из различных оптических свойствзамечательных минералов в технике ценятся почти те же самые, которые определяютиспользование этих минералов в качестве украшений: прозрачность,двупреломление, поляризующие свойства и т. д.
Каждый из нас хорошо знает искусственное «горное солнце» —аппарат, широко применяемый в медицине. При включении этот аппарат излучаетудивительный свет — ультрафиолетовый. Лампа в аппарате сделана не из обычногостекла, а из кварцевого, которое в отличие от обычного пропускает инфракрасную,а особенно ультрафиолетовую части спектра света. Эти лучи поистине являютсяцелебными, а кроме того, придают загар человеческой коже. Применение кварцевойлампы не ограничивается только медициной. Она используется в органическойхимии, минералогии и других отраслях для изучения веществ в ультрафиолетовыхлучах. Даже филателисты при изучении марок прибегают к помощи этой лампы: онапозволяет отличать фальшивые марки от настоящих.
Кварц употребляется в технике и для других целей. Чистыебездефектные кристаллы горного хрусталя идут на изготовление призм,спектрографов, поляризующих пластинок.
Другим замечательным минералом, применяемым в оптике,является флюорит. Это чистые прозрачные бесцветные или слабо окрашенныекристаллы. Их ценными свойствами являются изотропность, незначительнаядисперсия, низкий коэффициент преломления и, так же как у Горного хрусталя,высокая способность пропускать инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Флюоритиспользуется для изготовления линз телескопов и микроскопов, для изготовленияпризм спектрографов и в других оптических приборах.
Но, пожалуй, самое большое значение имеет использованиеоптических свойств замечательных минералов, связанное с изобретением лазера —оптического квантового генератора. Слово «лазер» представляет собой сокращениеанглийских слов Ughf amplification by stimulated emission of radiation —усилитель света при вызванном излучении. Принцип работы лазера достаточно сложен,для генерации электромагнитного излучения в нем используется энергия, котораявозникает при переходе атомов или электронов из одного энергетическогосостояния в другое.
Первый лазер бал создан в 1960 г. на рубине, в которомнезначительная часть ионов Al3 была замещена ионами хрома. Этот лазер излучаляркий свет с длиной волны 694,3 нм. С помощью рубинового лазера было проведеноточное определение (локация) расстояния от Земли до Луны. Затраты энергии приэтом не превышали энергии сгорания десятка спичек. В настоящее время применениелазеров в технике все более расширяется. Они используются для изучения физикиплазмы, при хирургических операциях, в телевидении для съемок и передачиизображения, для сверления и сварки металлов и т. д. И xoтя в последнее времяпоявились лазеры и на других веществах, например газовые или полупроводниковыелазеры, минерал рубин по-прежнему остается одним из наиболее употребительныхматериалов. Преимущества рубина заключаются в его выдающихся механическихсвойствах, о которых мы говорили раньше: в его твердости, теплотоупорности иустойчивости в сильно агрессивных условиях. Из других кристаллических веществдля лазеров используются алюминиево-иттриевые гранаты, флюорит и ряд другихпреимущественно искусственных, кристаллов.
Этими примерами можно было бы закончить наш короткий рассказо применении минералов в технике. Но области применения минералов, все болеерасширяются, дальнейшее развитие науки продолжает выявлять в них все новые иновые свойства. Рубиновые стекла в иллюминаторах и приборах космическихкораблей, световоды из горного хрусталя, позволяющие практически мгновеннопередавать с помощью лазерного луча громадное количество информации, алмазы вкачестве детекторов ядерных излучений — даже простое перечисление показывает,что замечательные минералы находятся на самом переднем крае науки и техники.
Рост потребления минералов не обеспечивается природнымиместорождениями, поэтому все более и более расширяется синтез минералов, ихискусственное производство на заводах.
Лабораторная работа №1
Выращивание кристаллов
Оборудование: поваренная соль, дистиллированнаявода, воронка, стеклянная палочка, вата, стаканы.
Существуют два простых способавыращивания кристаллов из пересыщенного раствора: путем охлаждения насыщенногораствора или путем его выпаривания. Первым этапом при любом из двух способовявляется приготовление насыщенного раствора. В условиях школьного физическогокабинета проще всего выращивать кристаллы алюмокалиевых квасцов.
Растворимость любых веществ зависитот температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, ас понижением температуры — уменьшается.
При охлаждении насыщенного при 40° Сраствора до 20° С в нем будет находиться около 15 г избыточного количества квасцовна 100 г. воды. При отсутствии центров кристаллизации это вещество можетоставаться в растворе, т. е. раствор будет пересыщенным.
С появлением центров кристаллизацииизбыток вещества выделяется из раствора, и при каждой данной температуре врастворе остается то количество вещества, которое соответствует коэффициентурастворимости при этой температуре. Избыток вещества пз раствора выпадает ввиде кристаллов, число которых тем больше, чем большее число центровкристаллизации содержится в растворе. Центрами кристаллизации могут служитьзагрязнения на стенках посуды с раствором, пылинки, мелкие кристалликиквасцов. Если дать выпавшим кристалликам подрасти в течение суток, то среди нихнайдутся чистые и совершенные по форме экземпляры. Они могут служить затравкамидля выращивания крупных кристаллов.
Для выращивания крупного кристалла втщательно отфильтрованный насыщенный раствор вносят кристаллик — затравку,заранее прикрепленный на волосе или топкой леске, предварительно обработаннойспиртом.
Можно вырастить кристалл и беззатравки. Для этого волос или леску обрабатывают спиртом и опускают в раствортак, что бы конец висел свободно. На конце волоса или лески может начаться росткристалла.
Если для выращивания приготовленкрупный затравочный кристалл, то его лучше вносить в слегка подогретый раствор.Раствор, который был насыщенным при комнатной температуре, при температуре на3—5° С выше комнатной будет ненасыщенным. Кристалл-затравка начнет растворятьсяв нем и потеряет при этом верхние, поврежденные и загрязненные слои. Этоприведет к увеличению прозрачности будущего кристалла. Когда температура станеткомнатной, раствор вновь станет насыщенным, и растворение кристаллапрекратится. Если стакан с раствором прикрыть так, чтобы вода из раствора моглаиспаряться, то вскоре раствор станет пересыщенным и начнется рост кристалла. Вовремя роста кристалла стакан с раствором лучше всего держать в теплом сухомместе, где температура в течение суток остается постоянной. На выращиваниекрупного кристалла в зависимости от условий эксперимента может потребоваться отнескольких дней до нескольких недель.
Порядок выполнения работы:
1. Я тщательно вымыл2 стакана и воронку и подержал их над паром
2. Налил 100 гр.Дистиллированной воды в стакан и нагрел ее до 300С. Приготовилнасыщенный раствор соли и слил его через ватный фильтр в чистый стакан. Закрылстакан крышкой. Подождал пока раствор остынет до комнатной температуры и открылстакан. Через некоторое время началось выпадание кристаллов.
3. Через сутки слилраствор через ватный фильтр в чистый стакан. Среди множества кристалловоставшихся на дне первого стакана выбрал самый чистый кристалл правильнойформы. Прикрепил кристалл – затравец к нитке и подвесил его в раствор. Поставилстакан в теплое место.
4. Рост кристаллапроисходил в течение 61 дня. Кристалл – затравка имел вытянуто – овальнуюформу. После помещения затравки в раствор рост кристалла не происходил, анаоборот он растворялся, так как температура была на 3 – 90С вышекомнатной и раствор стал не насыщенным, при этом он потерял верхние,поврежденные слои, что привело к увеличению прозрачности будущего кристалла.Когда температура стала комнатной, раствор вновь стал насыщенным, и растворениекристалла прекратилось. Начался рост кристалла. За счет испарения воды израствора темп роста кристалла увеличивался.
К выступающим частямкристалла – вершинкам и ребрам – вещество поступает в большем, чем к серединамграней количестве, поэтому градиенты концентрации (пресыщения) возникают ивдоль поверхности. Пока размеры кристалла невелеки, малы и гридиентыпересыщений, кристалл обычно растет плоскогранным. Причина этого заключается втом, что слои роста имеют повышенные скорости продвижения по поверхности посравнению со скоростью возникновения новых слоев. Однако, с увеличениемкристалла градиенты пересыщений вдоль граней возрастают и кристалл растет повсей своей площади.
В дальнейшем рост кристалласоли происходил нормально.
5. В конце срокавыращивания я вынул кристалл соли из раствора, тщательно осушил салфеткой иизмерил его. Кристалл соли увеличился в три раза от начальных размеровзатравки. На этом выращивание кристалла соли завершено.
Выращенный кристалл имеетпирамидальную форму с небольшими отклонениями. Стороны кристалла ровные, имеютформу прямоугольников. Первоначальное ощущение – что это срослось множествоквадратиков и прямоугольников, такой вид имел кристалл.
Исходя из этого я пришел к выводу,что атомы кристаллов имеют правильную геометрическую форму, и когда онисращиваются в один кристалл, тот приобретает так же правильную геометрическуюформу с небольшими отклонениями.
Вывод: в этой лабораторной работе янаучился выращивать кристаллы поваренной соли и узнал, что этим способом можновыращивать кристаллы любых других простых веществ, а так же, что необходимо длявыращивания и как происходит рост кристаллов.
Лабораторная работа №2
Изготовление прикладного гониометра
и измерение углов между гранямикристаллов.
Оборудование: две линейки, транспортир, кристаллы поваренной соли.
Для измерения углов между гранями кристаллов служит приборназываемый прикладным гониометром. Самодельный гониометр можно изготовить издвух линеек.
Цель работы: изготовление самодельного гониометра и измерение углов междугранями поваренной соли.
Порядок выполнения работы.
1. Я изготовилприкладной гониометр. Для этого скрепил две линейки с помощью винта и гайки.
2. Приложил кристаллк одной из линеек у точки крепления так, Чтобы грань кристалла былаперпендикулярна плоскости линейки. Повернул вторую линейку так, чтобы втораягрань кристалла была перпендикулярна плоскости второй линейки. Закрепилвзаимное положение линеек винтом и измерил величину угла между ними с помощьютранспортира.
3. Таким же образомизмерил величину угла между другими пересекающимися гранями того же кристалла,а так же между гранями других кристаллов.
4. Результатыизмерений занес в отчетную таблицу. Образец Углы между гранями 1 2 3 4 5 6 Поваренная соль № 1 90 86 90 87 88 89 Поваренная соль № 2 87 88 90 90 89 88
Вывод: в этой лабораторной работе я изготовил самодельный гониометр и измерилуглы между гранями поваренной соли. Сравнив результаты всех измерений, я пришелк выводу, что кристаллы имеют примерно одинаковую форму граней (при этом неважно какую форму имеет сам кристалл). Все грани имеют одинаковые размеры углов(88 – 900), т.е. грани имеют прямые углы, что дает им правильнуюгеометрическую форму. Один образец поваренной соли имеет форму пирамиды снебольшими отклонениями. Второй образец поваренной соли так же имеет формупирамиды с небольшими отклонениями.