Особые физические свойства кристаллов. Важнейшие свойства кристаллов

Cтраница 1

Физическое свойство кристалла может обладать и более высокой симметрией, чем кристалл, но оно обязательно должно включать в себя и симметрию точечной группы кристалла. Из-за анизотропии кристалла его свойства по разным направлениям различны. Однако при симметричных преобразованиях кристалл должен оставаться тождественным в отношении всех свойств, как геометрических, так и физических. Физические свойства по кристаллографически эквивалентным направлениям должны быть одинаковыми.  

Физические свойства кристаллов, как известно, неодинаковы в различных направлениях.  

Физические свойства кристалла - упругость, плотность, размеры зависят от температуры, поэтому и его собственная частота v0 также зависит от температуры.  

Физические свойства кристалла зависят, главным образом от характера химических сил, связывающих атомы в кристаллическую решетку, и в значительно меньшей степени - от конкретного расположения атомов друг относительно друга. Однако вследствие периодичности атомного строения относительно небольшие нюансы физических свойств, связанные с особенностями расположения атомов, легко обнаруживаются - они проявляются макроскопически в анизотропии кристалла. Это позволяет использовать физические свойства наряду с другими для исследования взаимного расположения атомов или молекул в ячейке кристалла.  

Рассмотрены физические свойства кристаллов в непосредственной связи с энергией и характером межатомного взаимодействия.  

Все физические свойства кристаллов оказываются связанными с их симметрией. А именно, элементы симметрии любого физического свойства кристалла должны включать элементы симметрии его точечной группы преобразований. Это утверждение носит название принципа Неймана и играет важную роль в кристаллофизике.  

Радиационное дефекты изменяют физические свойства кристаллов: ионную проводимость, плотность, твердость, оптические свойства.  

Геометрическая форма и физические свойства кристаллов определяются собственной пространственной решеткой, для которой характерны взаимное расположение частиц, образующих кристалл, расстояние и природа связи между ними.  

Радиационные дефекты изменяют физические свойства кристаллов: ионную проводимость, плотность, твердость, оптические свойства. Радиационные дефекты, образующиеся в твердых телах при невысоких температурах, представляют большой интерес, если они являются достаточно устойчивыми. Наличие устойчивых дефектов после облучения изменяет активность твердых катализаторов.  

Структура полос определяет физические свойства кристалла, причем все сказанное выше для одномерной цепочки справедливо it для реальных трехмерных кристаллов: кристалл имеет свойства металла, когда самая верхняя полоса из числа занятых электронами заполнена только частично.  

Однако есть такие физические свойства квантовых кристаллов, в которых большие нулевые колебания атомов играют доминируют щую роль. К таким свойствам, в первую очередь, можно отнести возможность туннельного движения атомов в кристаллической решетке, которая всецело определяется чисто квантовым эффектом туннелирования частицы сквозь потенциальный барьер. Наличие туннельного движения может вызвать перестройку основного состояния квантового кристалла.  

Чтобы применять на практике физическое свойство кристалла, нужно знать, изотропно оно или анизотропно; если анизотропно, то установить характер его анизотропии, а если возможно тензорное описание, то найти ранг тензора, характеризующего это свойство.  

Натуральные кристаллы... Их еще называют красивыми, редко встречающимися камнями или твердыми телами. Мы представляем себе камень кристалл в виде крупного, яркого, прозрачного или бесцветного многогранника, имеющего идеальные блестящие грани. В жизни нам чаще встречаются такие твердые вещества в виде зернышек неправильной формы, песчинок, обломков. Но свойства у них такие же, как и у совершенных крупных кристаллов. Окунитесь вместе с нами в волшебный мир натуральных камней кристаллов, познакомьтесь с их строением, формами, видами. Что ж, в путь...

Таинство кристаллов

Мир кристаллов - прекрасный и таинственный. Разноцветные камушки еще с детства манят и притягивают нас своей красотой. Их загадочность мы чувствуем на интуитивном уровне и любуемся их естественной природной красотой. Людям всегда хотелось узнать как можно больше о натуральных твердых веществах, о свойствах кристаллов, становлении их форм, росте и структуре.

Мир этих камней такой необычный, что хочется заглянуть к ним внутрь. Что же увидим мы там? Перед глазами откроется картина бесконечно тянущихся, строго упорядоченных рядов атомов, молекул и ионов. Все они строго подчиняются законам, правящим в мире камней кристаллов.

Кристаллические вещества распространены в природе очень широко, ведь все горные породы состоят из них. А из горных пород состоит вся земная кора. Оказывается, эти необычные вещества можно даже вырастить дома самому. Важно отметить, что "кристалл" на древнегреческом языке обозначал "лед" или "горный хрусталь".

Что собой представляет камень кристалл?

Что говорят школьные учебники о кристаллах? В них говорится, что это твердые тела, которые образуются под влиянием природных или лабораторных условий и имеют вид многогранников. Геометрическое строение данных тел непогрешимо строгое. Поверхность кристаллических фигур составляют совершенные плоскости - грани, которые пересекаются по прямым линиям, которые называется ребрами. В точках пересечения ребер возникают вершины.

Твердое состояние вещества и есть кристалл. У него существует определенная форма, конкретное количество граней, зависящее от расположения атомов. Итак, твердые тела, в которых молекулы, атомы, ионы располагаются в строгой закономерности в виде узлов пространственных решеток.

Мы чаще всего ассоциируем кристаллы с редкими и красивыми драгоценными камнями. И это не зря, алмазы тоже являются кристаллами. Но не все твердые тела отличаются редкостью и красотой. Ведь частички соли и сахара - тоже кристаллики. Вокруг нас сотни веществ в виде них. Одним из этих тел считается замерзшая вода (лед или снежинки).

Образование различных форм кристаллов

В природе минералы образуются в результате породообразующих процессов. Растворы минералов в виде горячих и расплавленных пород лежат глубоко под землей. При выталкивании этих раскаленных пород на поверхность земли происходит их остывание. Охлаждаются вещества очень медленно. Из минералов образуются кристаллы в форме твердых тел. Например, в граните присутствуют минералы кварца, полевого шпата и слюды.

В каждом кристаллике находится миллион отдельных элементов (монокристаллов). Ячейку кристаллической решетки можно представить в виде квадрата с атомами по углам. Это могут быть атомы кислорода или других элементов. Известно, что кристаллы могут реагировать на различные энергии, запоминать отношение к ним людей. Вот почему их используют для исцеления и очищения. Кристаллы могут быть всевозможных форм. В зависимости от этого их делят на 6 больших видов.

Разные типы и виды природных твердых тел

Размеры кристаллов тоже могут быть разными. Все твердые тела делят на идеальные и реальные. К идеальным относятся тела с гладкими гранями, строгим дальним порядком, определенной симметрией кристаллической решетки и прочими параметрами. К реальным кристаллам зачисляют те, которые встречаются в реальной жизни. В них могут быть примеси, понижающие симметрию кристаллической решетки, гладкость граней, оптические свойства. Оба вида камней объединяет правило расположения атомов в вышеописанной решетке.

Еще по одному критерию деления их распределяют на природные и искусственные. Для роста природных кристаллов нужны естественные условия. Искусственные твердые тела выращиваются в лабораторных или домашних условиях.

По эстетико-экономическому критерию их делят на драгоценные и недрагоценные камни. Драгоценные минералы обладают редкостью и красотой. К ним относятся изумруд, алмаз, аметист, рубин, сапфир и другие.

Строение и формы скоплений твердых веществ

Одновершинные кристаллы относятся к шестигранным камням с пирамидальной вершиной. Основание таких генераторных минералов более широкое. Встречаются кристаллы с двумя вершинами - Инь и Ян. Их используют в медитации для равновесия материального и духовного начал.

Минералы, у которых 2 из 6 граней сбоку шире всех остальных, называются пластинчатыми. Они применяются для телепатического исцеления.

Образованные в результате ударов или трещин кристаллы, раскладывающиеся после этого на 7 оттенков, называются радужными. Они снимают депрессию и разочарование.

Минералы с различными включениями других элементов называются кристаллами-призраками. Сначала они перестают расти, потом на них оседают другие материалы, а затем опять возобновляется рост вокруг них. Таким образом, заметны контуры минерала, который прекратил рост, поэтому он кажется призрачным. Такие кристаллы используют для привлечения урожая на садовых участках.

Необычные друзы

Очень красивым зрелищем являются друзы. Это собрание множества кристаллов на одном основании. Они имеют положительную и отрицательную полярность. С их помощью очищается воздух и перезаряжается атмосфера. В природе встречаются друзы кварца, изумруда, топаза. Человеку они несут спокойствие и гармонию.

Друзами еще называют сросшиеся кристаллы. Чаще всего такому явлению подвержены гранаты, пириты, флюориты. Они часто выставляются в виде экспонатов музеев.

Мелкие сросшиеся кристаллики называют щеткой, большие минералы именуют цветком. Очень красивой разновидностью друз являются жеоды. Они растут на стенках. Друзы могут быть совсем маленькими и большими. Это очень ценные находки. Высоко ценятся друзы агата, селенита, аметиста, цитрина, мориона.

Как кристаллы хранят информацию и знания?

Ученые установили, что на гранях кристаллов находятся треугольнички, указывающие на наличие в них знаний. Эти сведения может получить только определенный человек. Если такой человек появится, то камни отдадут ему свое истинное нутро.

Кристаллы способны передавать вибрации, пробуждать высшие силы сознания, уравновешивать душевные силы. Поэтому их часто используют в медитациях. Предыдущие цивилизации хранили информацию именно в камнях. Например, горный хрусталь считали драгоценным камнем богов. Кристаллы почитали, как живых существ. Даже у "космоса" первоначальным значением было "драгоценный камень".

Драгоценные камни

Важно отметить, что драгоценные кристаллы в необработанной форме - не такие уж красивые. Их еще называют камнями или минералами. Драгоценными они называются, потому что очень красивы в огранке и используются в ювелирном деле. Многим знакомы драгоценные камни аметисты, бриллианты, сапфиры, рубины.

Самым твердым камнем считается алмаз. Хрупкий кристалл травянисто-зеленого цвета - изумруд. Разновидностью минерала корунда красного цвета является рубин. Месторождения этого кристалла существуют почти на всех континентах. Что считается неоспоримым его идеалом? Бирманские рубины. Месторождения рубинов в РФ находятся в Челябинской и Свердловской областях.

Какие еще есть дорогостоящие минералы? Прозрачными драгоценными кристаллами различной окраски - от бледно-голубой до темно-синей - являются сапфиры. Это хоть и редкий минерал, но ценится ниже рубина.

Дорогой разновидностью кварца является прекрасный драгоценный камень аметист. Когда-то он был вставлен первосвященником Аароном в число 12 камней его пекторали. Аметисты имеет красивый фиолетовый или лиловый отлив.

Российские алмазы

Итак, самый твердый кристалл - алмаз - добывают из кимберлитовых трубок, образовавшихся в результате извержений подземных вулканов. Кристаллическая решетка этого камня образуется под воздействием высокой температуры и высокого давления углерода.

Добыча алмазов в России началась в Якутии только в середине прошлого века. Сегодня РФ уже находится в лидерах по добыче этих драгоценных камней. Ежегодно на добычу алмазов в России выделяются миллиарды рублей. Стоит отметить, что на тонну кимберлитовых трубок приходится несколько карат алмазов.

Основные свойства кристаллов – анизотропность, однородность, способность к самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления определяются их внутренним строением.

Рис. 1. Пример анизотропности — кристалл минерала дистена. В продольном направлении его твердость равна 4,5, в поперечном – 6. © Parent Géry

Это свойство называется еще неравносвойственностью. Выражается она в том, что физические свойства кристаллов (твердость, прочность, теплопроводность, электропроводность, скорость распространения света) неодинаковы по разным направлениям. Частицы, образующие кристаллическую структуру по непараллельным направлениям, отстоят друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства кристаллического вещества по таким направлениям должны быть различными. Характерным примером вещества с ярко выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки этого минерала легко расщепляются лишь по плоскостям, параллельным его пластинчастости. В поперечных же направлениях расщепить пластинки слюды значительно труднее.

Анизотропность проявляется и в том, что при воздействии на кристалл какого-либо растворителя скорость химических реакций различна по различным направлениям. В результате каждый кристалл при растворении приобретает свои характерные формы, носящие название фигур вытравливания.

Аморфные вещества характеризуются изотропностью (равносвойственностью) – физические свойства по всем направлениям проявляются одинаково.

Однородность

Выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость и т.д. таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело.

Однородность присуща не только кристаллическим телам. Твердые аморфные образования также могут быть однородными. Но аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.

Способность к самоогранению

Способность к самоогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в соответствующей для его роста среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями. Эта особенность связана с кристаллической структурой. Стеклянный же шарик, например, такой особенностью не обладает.

Кристаллы одного и того же вещества могут отличаться друг от друга своей величиной, числом граней, ребер и формой граней. Это зависит от условий образования кристалла. При неравномерном росте кристаллы получаются сплющенными, вытянутыми и т.д. Неизменными остаются углы между соответственными гранями растущего кристалла. Эта особенность кристаллов известна как закон постоянства гранных углов . При этом величина и форма граней у различных кристаллов одного и того же вещества, расстояние между ними и даже их число могут меняться, но углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества остаются постоянными при одинаковых условиях давления и температуры.

Закон постоянства гранных углов было установлен в конце XVII века датским ученым Стено (1699) на кристаллах железного блеска и горного хрусталя, впоследствии этот закон был подтвержден М.В. Ломоносовым (1749) и французским ученым Роме де Лиллем (1783). Закон постоянства гранных углов получил название первого закона кристаллографии.

Закон постоянства гранных углов объясняется тем, что все кристаллы одного вещества тождественны по внутреннему строению, т.е. имеют одну и ту же структуру.

Согласно этому закону кристаллы определенного вещества характеризуются своими определенными углами. Поэтому измерением углов можно доказать принадлежность исследуемого кристалла к тому или иному веществу. На этом основан один из методов диагностики кристаллов.

Для измерения у кристаллов двугранных углов были изобретены специальные приборы – гониометры.

Постоянная температура плавления

Выражается в том, что при нагревании кристаллического тела температура повышается до определенного предела; при дальнейшем же нагревании вещество начинает плавиться, а температура некоторое время остается постоянной, так как все тепло идет на разрушение кристаллической решетки. Температура, при которой начинается плавление, называется температурой плавления.

Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют четко выраженной температуры плавления. На кривых охлаждения (или нагревания) кристаллических и аморфных веществ, можно видеть, что в первом случае имеются два резких перегиба, соответствующие началу и концу кристаллизации; в случае же охлаждения аморфного вещества мы имеем плавную кривую. По этому признаку легко отличить кристаллические вещества от аморфных.

Факт геометрически закономерного расположения материальных частиц в кристаллических структурах, окончательно установленный с помощью рентгеновых лучей, положен в основу всей современной кристаллографии. Но теория о решетчатом строении кристаллов была создана задолго до рентгеноанализа. Величайшие кристаллографы Огюст Бравэ, Л.Зонке, Е.С.Федоров, А.Шенфлис и др. дали математическую разработку этой теории. Применение рентгеновых лучей подтвердило опытным путем правильность их умозрительных построений.

Теория структуры кристаллов до 1912 г. базировалась на некоторых особенностях кристаллического состояния, улавливаемых опытным путем. К числу таких важнейших свойств кристаллов относятся:

1. Статичность.Это фиксированное расположение частиц друг по отношению к другу. В аморфном веществе есть фрагменты кристаллов, но со временем эти фрагменты разрушаются. За сотни лет в стёклах, например, происходят изменения и они «текут».

2.Однородность или гомогенность. Согласно опытным данным, однородным называется такое тело, которое во всем своем объеме обнаруживает одинаковые свойства. Однородность кристаллов устанавливается при изучении его свойств по параллельным направлениям. Кристаллическое тело, обладающее во всех своих участках одинаковым строением, должно отличаться однородностью. При этом не принимаются во внимание посторонние загрязнения, включения и несовершенства реальных кристаллов, связанные с внешними воздействиями.

3.Анизотропность - (в переводе «ан»-не, «изос»-равно, «строфос»-свойство, т.е. неравносвойственность) . Анизотропным называется такое однородное тело, которое при одинаковых свойствах по параллельным направлениям обладает в общем случае неодинаковыми свойствами по параллельным направлениям. В связи с решетчатостью структуры одинаковые атомы (ионы, молекулы) должны располагаться строго одинаково, образуя между собой одинаковые промежутки. Поэтому и свойства кристаллов должны быть по таким направлениям одинаковыми. По непараллельным направлениям частицы в общем случае отстоят друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства по таким направлениям должны быть различными.

Например, слюда. Кристаллические пластины этого минерала легко расщепляются только по плоскостям, параллельным его пластинчатости. В поперечных направлениях расщепить слюдяные пластины значительно труднее.

Другим примером анизотропности является минерал дистен (Al 2 O), отличающийся резко различной твердостью по неодинаковым направлениям. Вдоль удлинения кристаллы дистена легко царапаются лезвием ножа, в направлении перпендикулярном удлинению, нож не оставляет никаких следов.

Рис.1.Кристалл дистена

Минерал кордиерит (Mg 2 Al 3 ). Кристалл кордиерита по трем различным направлениям представляется различно окрашенным. Если из такого кристалла вырезать куб с гранями. Перпендикулярными этим направлениям, то по диагонали куба (от вершины к вершине наблюдается серовато-синяя окраска, в направлении поперек куба - желтая, и в направлении вертикальном - индигово-синяя окраска.

Рис.2. Куб, вырезанный из кордиерита.

Кристалл поваренной соли, которая имеет форму куба. Из такого кристалла можно вырезать стерженьки по различным направлениям. Три из них перпендикулярно граням куба, параллельно диагонали. Выяснилось, что для разрыва этих стерженьков необходимы разные усилия: разрывающее усилие для первого стерженька (вертикального вдоль оси) выражается 570 г/мм 2 , для второго (по горизонтальной диагонали) - 1150 г/мм 2 и для третьего (диагональ от вершины к вершине) - 2150 г/мм 2 . (рис.3)

Приведённые примеры исключительны по своей характерности. Но путём точных исследований удалось прийти к выводу, что все кристаллы в том или ином отношении обладают анизотропностью.

Твёрдые аморфные образования также могут быть однородными и даже анизотропными (анизотропность, например, может наблюдаться при растягивании или сдавливании стёкол). Но ни при каких условиях аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.