Вход

Идеальные и реальные кристаллы

Реферат по естествознанию
Дата добавления: 26 мая 2010
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 90 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу

Содержание. Введение………………………………………………… ………………………...3 1. Идеальный и реальный кристал л. Отклонения внешней формы реальных кристаллов от идеальных геометрич еских законов…………………4 2. Свойства идеальных и реальных крис таллов……………………………..6 Заключение…………………………………………… …………………………...9 Список используемой литературы……… ……………………………………...10 Введение. Правильная геометрическая ф орма кристаллов привлекала внимание исследователей ещё на ранних стад иях развития кристаллографии и давала повод к созданию тех или иных гипо тез об их внутреннем строении. Если мы будем рассматривать идеальный кристалл, то не об наружим в нём нарушений, все одинаковые частицы расположены одинаковым и параллельными рядами. Если приложить к произвольной точке три не лежащ ие в одной плоскости элементарные трансляции и повторить её бесконечно в пространстве, то получится пространственная решетка, т.е. трёхмерная с истема эквивалентных узлов. Таким образом, в идеальном кристалле распол ожение материальных частиц характеризуется строгой трёхмерной период ичностью. И чтобы получить наглядное представление о закономерностях, с вязанных с геометрически правильным внутренним строением кристаллов, на лабораторных занятиях по кристаллографии обычно используют модели идеально образованных кристаллов в виде выпуклых многогранников с пло скими гранями и прямыми рёбрами. На самом же деле грани реальных кристал лов не бывают идеально плоскими, так как при своём росте они покрываются бугорками, шероховатостями, бороздками, ямками роста, вициналями (граням и, отклонившимися целиком или частично от своего идеального положения), спиралями роста или растворения и т.д. С несовершенством реальных криста ллических структур связаны усложнения в кристаллообразовании, имеющие огромное распространение. В 1870 г. русский минеролог и кристаллограф М.В. Ер офеев (1830 – 1889) высказал мысль о том, что почти всякий реальный кристалл сле дует рассматривать как сросток – «кучу» множества неделимых. Это полож ение даёт правильное понятие о сложном строении реальных кристаллов. Пр имером кристаллов с таким строением служат так называемые мозаичные кр исталлы, кристаллическая структура которых представлена отдельными од нородными блоками, несколько смещёнными относительно друг друга. Все ре альные кристаллы в той или иной степени являются мозаичными. 1. Идеальный и реальный кристалл. Отклонения внешней форм ы реальных кристаллов от идеальных геометрических законов. Чаще всего в кристаллографии кристалл рассматривают к ак тело, построенное из атомов, расположенных по идеальным законам геоме трии. В действительности такой подход является во многих отношениях абс трактной идеализацией, результатом принятого понятия однородности кри сталлической среды, положенного в основу учения о форме кристаллов, их с имметрии. В действительности существует непрерывный переход от идеаль но-правильного в геометрическом и физическом смысле кристалла к телам с полностью неупорядоченным расположением атомов – аморфным, стеклооб разным твёрдым телам. Так, реальные аморфные тела сохраняют определённу ю степень упорядоченности, поэтому часть реальных кристаллов примыкае т к почти идеальным. Уже первые работы, посвященные изучению внешней формы к ристаллов, показали, насколько она может быть разнообразна и «неправиль на» у кристаллов одного и того же вещества (см. рис. 1). Рис . 1. Различные по форме кристаллы кварца SiO 2 . Однако пренебрежение небольшими отклонениями от некоей идеальной формы привело к открытию закона постоянства углов. Однако и эт от закон оправдывался только с определённой точностью. На примере хорош о образованного кристалла шпинели (см. рис. 2.) можно проследить степень от клонения реального кристаллического многогранника от геомет- Рис. 2. Октаэдр – кристалл рически правильного. Причина таких откло- шпинели MgAl 2 O 4 нений лежит в н арушениях внутренней (атом ной) структуры кристалла, о которой можно судить, изучая, н апример, реальные грани кристаллов. При сильном увеличении грань внешне даже весьма сове ршенного кристалла представляет собой далеко не идеальную геометричес кую плоскость. На ней можно различать отдельные участки – блоки, отклон ённые от идеального положения на тот или иной, обычно небольшой угол. В пр имере шпинели отклонения двухгранных углов достигли 4,5'. Это значит, что б ольшинство блоков, выходящих на поверхность соответствующих граней, им ели отклонения такого порядка. Отдельные же блоки могли отклоняться на з начительно большие углы. Как показывают наблюдения в электронный микро скоп, а также ориентированные рентгенограммы, линейные размеры блочных областей находятся в пределах 5∙'9510 -7 – 1∙'9510 -5 см. Следовательно, реальный кристалл является как бы «моза икой» из блоков. Только в отдельных блоках строение кристалла представл яется идеальным (во всяком случае, более идеальным, чем во всём кристалле в целом). Сами же блоки по отношению друг к другу несколько дезориентиров аны и между ними, следовательно, проходят какие-то разупорядоченные зоны . Мозаичное строение кристаллов нашло подтверждение в о пытах по определению прочности кристаллов в зависимости от их величины. Эти опыты показали, что прочность кристаллов значительно возрастает с у меньшением их размеров. При размерах порядка 10 -5 см (что соответствует размеру отдельных блоков) прочность криста ллов достигает значений, в сотни раз превышающих прочность макроскопич еских кристаллов, и хорошо согласуется с теоретически рассчитанной про чностью. Так, например, прочность массивного железа при разрыве – около 30 кг/мм 2 , а железного нитевидного кристалл а «уса» (диаметром 15 мкм) – 1400 кг/мм 2 . Очевидн о, что реальные большие кристаллы разрушаются, прежде всего, по границам блоков, связанных друг с другом более слабыми силами, чем силы, действующ ие внутри блоков, где атомные структуры являются гораздо более совершен ными. Все реальные кристаллы в той или иной степени являются м озаичными. Но мозаичное строение кристаллов является не единственным с пособом нарушения идеальной структуры. Вторым нарушением идеальной геометрии кристалла, кото рое также можно наблюдать на гранях реальных кристаллов, является спира льная форма их поверхности. Впервые такие спирали на гранях кристаллов н аблюдал Г.Г. Леммлейн (1955 г.). Изучая рост кристаллов карборунда ( SiC ), он установил, что отложение вещества про исходит по спирали, в центре которой имеется обычно какой-то дефект в вид е винтовой дислокации, проявляющейся в незначительных смещениях мельч айших участков кристалла друг относительно друга. Вес эти характерные нарушения идеальной структуры кри сталлов являются следствием нарушений, первоначально возникающих в ат омной структуре кристаллов: точечных дефектов (нарушения периодичност и в изолированных друг от друга точках решетки), дислокаций и других нару шений. 2. Свойства идеальных и реальных кристаллов. Как известно, в идеальном кри сталле при термодинамическом равновесии расположение материальных ча стиц характеризуется строгой трёхмерной периодичностью. Геометрическ ой схемой периодичности является пространственная решетка. Материальн ые частицы совершают гармонические колебания около своих положений ра вновесия, причём амплитуды колебаний частиц зависят только от внешних у словий – от давления и температуры, количественные соотношения между р азнородными атомами точно отвечают стехиометрической формуле веществ а. Физические свойства идеального кр исталла определяются его химическим составом, силами связи между части цами и симметрией кристалла, т.е. категорией, сингонией, классом симметри и. Эти свойства структурно-нечувствительны. Небольшие отклонения от пра вильности и периодичности, дефекты кристаллической структуры мало ска зываются на общих закономерностях структурно-нечувствительных свойст в. В реальных кристаллах многие свойства существенно зав исят не только от типа равновесной кристаллической структуры, но и от де фектов этой структуры – нарушений периодичности и равновесия. Структу рно-чувствительными свойствами кристаллов являются ионная и полупрово дниковая электропроводность, фотопроводимость, люминесценция, прочнос ть и пластичность, окраска и ряд других свойств. Структурно-чувствительн ы, т.е. зависят от дефектов структуры, процессы роста кристаллов, рекриста ллизации, пластической деформации, диффузии. Идеальная периодичность структуры кристалла расстраи вается, прежде всего, тепловыми колебаниями атомов и нарушениями электр онной плотности. Из-за наличия сил связи между частицами кристалл предст авляет собой систему взаимно связанных вибраторов со спектром колебан ий от акустических до инфракрасных частот. Амплитуды колебаний частиц т ем больше, чем сильнее нагрет кристалл. При температурах, близких к точке плавления, амплитуды могут достигать 10 – 12% от междуатомных расстояний; п ри температурах, далёких от точки плавления, тепловые смещения можно счи тать малыми. Измеряются эти смещения рентгено-дифракционными методами. В кристаллах с резко выраженной анизотропией (неоднородностью) структу ры и сил связи, особенно в слоистых и цепочечных, заметна анизотропия кол ебаний, т.е. частоты колебаний в разных направлениях различны. Увеличение амплитуды колебаний и, следовательно, рост э нергии колебаний частиц происходит вследствие поглощения тепла при на греве. Увеличение энергии колебаний частиц вносит основной вклад в тепл оёмкость твёрдого тела. Поскольку тепловые колебани я атомов происходят около их положений равновесия, в среднем можно полаг ать, что атом находиться в положении равновесия. Именно в таком приближе нии считают, что тепловые колебания в среднем не нарушают идеальной пери одичности структуры кристалла. Нарушения в распределении элект ронной плотности, отклонения от нормальной периодичности в распределе нии зарядов или уровней энергии атома играют решающую роль в явлениях пр оводимости и люминесценции. Заключение. Идеальные кристаллы имеют ге ометрически правильное внутреннее строение и образованы в виде выпукл ых многогранников с плоскими гранями и прямыми рёбрами. Однако в природе они образуются чрезвычайно редко и поэтому являются как бы идеализиров анными моделями. Отклонения реальных кристаллических многогранников от идеальных вызываются неравномерным ассиметричным развитием граней . Обычным приёмом при исследовани и реальных кристаллов является их идеализация, т.е. превращение неидеаль ного огранения в идеальную форму (конечно, только мысленно). При этом нера вномерно развитые грани превращаются как бы в равные. Отчего же происходит отклоне ние формы реальных кристаллических многогранников от идеальных форм? О бъясняется это тем, что выросшие в природных условиях грани кристаллов о чень часто не являются математически правильными плоскостями. Кроме то го, на гранях реальных кристаллов всегда можно обнаружить различные вид ы так называемой «сложной скульптуры» в виде штрихов, бугорков роста или ямок растворения и т.д. Физические свойства идеального кристалла определяю тся его химическим составом, силами связи между частицами и симметрией к ристалла, т.е. категорией, сингонией, классом симметрии. В реальных же кристаллах многие свойства существенно зависят не только от типа равновесной кристаллической структуры, но и о т дефектов этой структуры – нарушений периодичности и равновесия. Таким образом, существует непрерыв ный переход от идеально-правильного в геометрическом и физическом смыс ле кристалла к телам с полностью неупорядоченным расположением атомов. Так, реальные аморфные тела сохраняют определённую степень упорядочен ности, поэтому часть реальных кристаллов примыкает к почти идеальным. Список используемой литературы. 1) Бокий Г.Б. Кристаллохимия. М.: На ука, 1971. 400 с. 2) Герасимов В.И. Кристаллография: Учеб . пособие. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1996. 192 с. 3) Попов Г.М., Шафрановский И.И. Кри сталлография. М.: Высш. шк., 1972. 352 с. 4) Торопов Н.А., Булак Л.Н. Кристаллография и минералогия. Л.: Стройиздат, 1972. 504 с. 5) Чупрунов Е.В., Хохлов А. Ф., Фаддеев М.А. Основы кристаллогр афии. М.: Физматлит, 2006. 500 с. 6) Шаскольская М.П. Кристаллография. М.: Высш. шк., 1976. 392 с.

© Рефератбанк, 2002 - 2017