Дети кристаллические: Кто такие дети-кристаллы и как понять, что ваш ребенок особенный

кристаллов — Студенты | Britannica Kids

Введение

Древние греки использовали слово krystallos для обозначения льда и кварца. Они думали, что кварц — это просто еще одна форма льда, которая навсегда затвердела. Сегодня кристаллом принято считать твердый объект с симметрично расположенными плоскими поверхностями, которые пересекаются прямыми линиями и острыми углами. Все видели примеры таких кристаллов. Алмазы, снежинки и каменная соль являются одними из самых известных.

Научное определение кристалла основано на его внутренней структуре, а не на внешнем виде. Вся материя на Земле состоит из атомов или, чаще, из комбинаций атомов, называемых молекулами. Если молекулы вещества расположены в регулярном повторяющемся порядке, вещество представляет собой кристалл. Сегмент узора, который повторяется снова и снова, называется элементарной ячейкой. Трехмерная структура, состоящая из множества элементарных ячеек, выстроенных во всех направлениях, называется кристаллической решеткой. Форма кристалла зависит от расположения молекул внутри него. Например, молекулы хлорида натрия (поваренной соли) расположены в виде куба.

Большинство твердых тел состоят из кристаллов. Почти все металлы и многие другие минералы представляют собой твердые кристаллические вещества. С другой стороны, стекло, большинство пластиков и резина принадлежат к другому классу твердых тел. Эти некристаллические или аморфные твердые тела имеют менее упорядоченное расположение молекул. Многие вещества, в том числе камни, грязь и бетон, представляют собой смеси различных видов твердых тел. Различные органические материалы — например, древесина, пшеница и шерсть — представляют собой сложные смеси, содержащие длинные цепочки молекул. Более простые органические соединения и даже некоторые вирусы часто имеют кристаллическую структуру.

Жидкие кристаллы на самом деле не кристаллы, а вещества, обладающие некоторыми свойствами жидкостей и некоторыми свойствами кристаллических твердых тел. Они могут течь, как жидкости, но также демонстрируют некоторую упорядоченную структуру кристалла.

Некоторые твердые материалы, такие как металлы, соли и порошки, не соответствуют общепринятому понятию кристаллов, но соответствуют научному определению. Все твердые тела, соответствующие общему понятию кристаллов, представляют собой большие монокристаллы. В монокристалле одна и та же ориентация кристаллического рисунка распространяется по всему образцу. Когда это происходит, симметричное расположение элементарных ячеек может проявляться в общем виде кристалла.

Наиболее распространенные твердые тела поликристаллические, состоящие из множества кристаллов. Их молекулы расположены в виде узора, но заданная ориентация узора распространяется только на небольшую область, называемую зерном. Каждое зерно демонстрирует симметрию, наблюдаемую в больших монокристаллах.

Выращивание кристаллов

Выращивание кристаллов в домашних условиях

Первоначально изучение структуры кристаллов ограничивалось встречающимися в природе монокристаллами, такими как драгоценные и полудрагоценные камни. Теперь стало возможным производить синтетические монокристаллы, которые часто крупнее и чище, чем природные кристаллы. Их готовят различными способами, все из которых могут использовать процесс выращивания из семени. Небольшой монокристалл, затравка, увеличивается в размерах по мере того, как на него оседают дополнительные молекулы материала.

Один из методов выращивания кристаллов называется выращиванием из раствора. Это самый простой способ вырастить крупные кристаллы в домашних условиях. Основная хитрость этого метода заключается в медленном испарении растворителя. Часто это означает, что его нужно оставить в покое на несколько дней.

Рекомендуются такие бытовые химикаты, как квасцы, поваренная соль, бура и сахар. Квасцы работают лучше всего, но другие более доступны. Конкретные инструкции и измерения для каждого соединения можно найти в книгах по кристаллам и выращиванию кристаллов. Однако основная процедура одинакова для большинства кристаллов, растворяющихся в воде.

Вещество размешивают в горячей воде до тех пор, пока оно не перестанет растворяться. Такой раствор называется насыщенным. Часть раствора переливают в банку и оставляют в покое на несколько дней, пока часть воды не испарится и на дне не образуется несколько крупных кристаллов. Один из более крупных кристаллов выбирается в качестве затравочного кристалла. Он подвешен на нити в новом насыщенном растворе. Новый раствор должен быть прохладным, иначе он растворит затравочный кристалл.

Промышленные монокристаллы

Одним из методов, используемых для производства промышленных кристаллов, является выращивание из расплава. Затравочный кристалл может быть использован для стимулирования образования монокристалла. В этом процессе затравочный кристалл опускается в емкость с расплавленным материалом (расплавом). Расплав вокруг семени охлаждается, и его молекулы прикрепляются к семени. Эти новые молекулы принимают ориентацию затравки, и образуется большой монокристалл.

Основным материалом для сапфиров и рубинов является оксид алюминия, который имеет такую ​​высокую температуру плавления, что трудно изготовить емкости для его хранения. Синтетические сапфиры и рубины производятся методом Вернейля, при котором порошкообразный оксид алюминия и небольшое количество титана, железа или хрома (для цвета) капают через пламя на семя. Пламя плавит порошок, который затем кристаллизуется на семени.

Для выращивания синтетических алмазов требуется температура выше 1600°C (2912°F) и давление в 60000 раз выше атмосферного. Синтетические бриллианты маленькие и темные. Они подходят для промышленного использования.

Процесс плавающей зоны используется для очистки кристаллов кремния в полупроводниковой промышленности. Монокристалл кремния удерживается вертикально на конце кремниевого стержня. При нагревании стыка конец стержня плавится и рекристаллизуется в монокристалл. Затем тепло медленно перемещается по стержню.

Виды кристаллов

Некоторые свойства кристаллов зависят от сил связи, которые заставляют молекулы слипаться, образуя твердое тело. Эти силы обычно включают взаимодействие между самыми внешними, или валентными, электронами. Если силы связи велики, кристалл будет иметь высокую температуру плавления. Если они несколько слабее, кристалл будет иметь более низкую температуру плавления, и его можно будет легко согнуть и придать ему форму. Если они очень слабые, кристалл образуется только при очень низких температурах, когда молекулам доступно не так много энергии.

Существует четыре основных типа кристаллических связей: ионная, ковалентная, металлическая и молекулярная. Ион — это атом, который потерял или приобрел электроны, чтобы стать положительно или отрицательно заряженным. Ионные кристаллы состоят из положительных и отрицательных ионов, которые связаны друг с другом за счет притяжения противоположных электрических зарядов. Хлорид натрия является примером ионного кристалла.

Атомы или молекулы ковалентных кристаллов делят свои валентные электроны поровну. Алмазы, германий и кремний являются важными ковалентными кристаллами.

Отдельные атомы металлов превращаются в положительные ионы, окруженные свободными валентными электронами, которые могут легко перемещаться от атома к атому. Когда все эти свободные электроны движутся в одном направлении, их движение называется электрическим током.

Молекулы молекулярных кристаллов вообще не имеют общих электронов. Они связаны небольшими изменениями электрического поля от одного конца молекулы к другому концу. Поскольку сила связывания очень слаба, эти твердые вещества плавятся при очень низких температурах. Типичными молекулярными кристаллами являются твердый кислород и лед. ( См. также химия.)

Кристаллическая структура и кристаллография

Одна из первых теорий внутреннего строения кристаллов была выдвинута в конце 16 века, когда Андреас Либавиус предположил, что минеральные соли можно идентифицировать, изучая форму их кристаллических зерен. В 1669 году Николаус Стено заметил, что соответствующие углы в двух кристаллах одного и того же материала всегда одинаковы. Примерно столетие спустя Рене Гаюи заметил, что минеральный исландский шпат раскололся на куски разного размера, но одинаковой формы. Он предположил, что это была форма мельчайших фрагментов кристалла, и далее предположил, что все кристаллы состоят из одинаковых фрагментов или строительных блоков. Сегодня его строительные блоки называются элементарными ячейками. Теперь известно, что эти клетки представляют собой не крошечные твердые блоки, а геометрические расположения атомов или молекул.

Свойства кристаллов связаны с симметрией расположения атомов в решетке. В геометрическом смысле фигура симметрична, если при определенном перемещении она выглядит так, как будто ее не перемещали. Различные виды симметрии определяются тем, как объект может двигаться, но при этом кажется, что он остается неизменным. Отражательная, или двусторонняя, симметрия, пожалуй, самый знакомый тип. Тело обладает отражательной симметрией относительно плоскости, если для каждой точки на одной стороне плоскости есть идентичная точка в соответствующем месте на другой стороне. Другими словами, если половина объекта является зеркальным отражением другой половины, объект имеет двустороннюю симметрию.

Трансляционная симметрия является основной симметрией кристаллических структур. Объект обладает трансляционной симметрией, если его можно переместить на определенное расстояние по прямой линии и при этом он не изменится. Такой объект имеет регулярно повторяющийся узор. Одна фигура не может обладать трансляционной симметрией. Но регулярно повторяющиеся узоры, такие как кирпичная стена, кафельный пол и кристаллическая решетка, действительно обладают трансляционной симметрией. Решетки могут обладать и другими симметриями, но они должны обладать трансляционной симметрией, чтобы быть решетками. Когда элементарная ячейка обладает другими симметриями, повторение ячейки по всей решетке приводит к увеличению этих других симметрий, чтобы они могли проявиться в видимом кристалле.

Вращательная или радиальная симметрия — еще один важный вид симметрии. Квадрат можно повернуть на 90 градусов относительно своего центра, и он не будет выглядеть так, как будто его передвинули. Однако если его повернуть на 120 градусов, его положение заметно изменится. Он имеет радиальную симметрию при повороте на 90 градусов, но не при повороте на 120 градусов. Говоря техническим языком, у квадрата есть ось вращения четвертого порядка (4  ×  90°  = 360° ), но не ось третьего порядка (3  ×  120°  =  360° ). Морская звезда обладает пятерной осью симметрии.

Кристаллическая решетка никогда не может иметь пятикратную симметрию, как морская звезда, потому что никакая правильная пятигранная фигура не может плавно совмещаться во всех направлениях. По этой причине, если бы пол был выложен правильными пятиугольными плитками, в плитке были бы промежутки. Только кристаллы, обладающие одно-, двух-, трех-, четырех- и шестикратной вращательной симметрией, могут обладать трансляционной симметрией. Ровно 230 возможных комбинаций симметрии кристаллов могут вписаться в трехмерную решетку. Их можно сгруппировать в семь кристаллических систем — кубическую, тетрагональную, орторомбическую, гексагональную, моноклинную, триклинную и ромбоэдрическую.

Которая системе, к которой принадлежит данный кристалл? Это легко определить в случае хлорида натрия, имеющего кубическую элементарную ячейку и кубические кристаллы. Но некоторые кристаллы расщепляются по другим плоскостям в своих элементарных ячейках, а не по сторонам. Основная единица кристалла фторида кальция кубическая, но минерал обычно распадается на октаэдрические кристаллы.

В 1912 году Макс фон Лауэ показал, что кристаллы преломляют или преломляют рентгеновские лучи. Когда атомы регулярно расположены в кристаллической структуре, рассеянные рентгеновские лучи усиливают друг друга в определенных направлениях. Фотопленка, помещенная на пути этих рассеянных рентгеновских лучей, образует узор из пятен, который различен для каждой кристаллической структуры. Эти узоры показывают расположение атомов в кристалле. Совсем недавно Эрвин Мюллер разработал полевой ионный микроскоп для наблюдения за кристаллами. Этот прибор фактически позволяет увидеть положение отдельных атомов на поверхности кристалла.

Свойства кристаллов

Электрическое сопротивление металла зависит от того, насколько совершенна его кристаллическая структура. Когда положительные ионы расположены в углах правильной решетки, они не рассеивают электроны, протекающие в электрическом токе. Ионы, не занимающие правильных позиций в решетке, действительно вызывают рассеяние. Неупорядоченные кристаллы, такие как сплавы латуни и нержавеющей стали, являются относительно плохими электрическими проводниками. Но чистая медь и чистое серебро являются гораздо лучшими проводниками, чем если бы их положительные ионы рассеивали электроны.

Явление пьезоэлектричества возникает непосредственно из кристаллической структуры. Некоторые кристаллы становятся электрически поляризованными, когда их сжимают или растягивают. И наоборот, под действием электрического поля они механически деформируются. Эти пьезоэлектрические кристаллы можно использовать для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. Они используются в самых разных приборах, в том числе в некоторых микрофонах, манометрах, медицинском ультразвуковом оборудовании, сонарном оборудовании и сканирующих туннельных микроскопах.

Пьезоэлектричество зависит от отсутствия определенного вида симметрии, называемой инверсионной симметрией. Инверсия фигуры — это что-то вроде ее зеркального отражения, перевернутого вверх ногами. Если фигура и ее инверсия выглядят одинаково, как у куба, то фигура обладает инверсионной симметрией. Если они не выглядят так же, как у тетраэдра, то фигура не имеет инверсионной симметрии. Кристаллы, у которых отсутствует инверсионная симметрия, обычно можно сжать, так что положительные и отрицательные заряды атомов не смещаются одинаково, создавая электрический потенциал.

Дефекты в кристаллах

Ни один кристалл не может быть полностью свободен от дефектов. Некоторые из этих несовершенств ответственны за многие наблюдаемые свойства кристаллов. Контроль, но не устранение дефектов — одна из основных технологий физики твердого тела.

Вакансия — это узел решетки, в котором отсутствует атом или ион. Примесный атом или ион может занять вакансию, создавая примесь замещения. Многие оптические свойства кристаллов, такие как окраска, могут быть отнесены к такого рода несовершенствам.

Примесные ионы или атомы также могут занимать положение между узлами решетки. Это создает промежуточную примесь. Атом, покинувший регулярный узел решетки, может также занимать междоузельное положение.

Иногда атом или ион в кристалле имеет больше или меньше должной доли валентных электронов. Если есть лишний электрон, дефект называется просто электроном; если электрон отсутствует, дефект называется дыркой. Электроны и дырки играют важную роль в работе полупроводниковых устройств.

Краевая дислокация представляет собой дополнительную плоскость атомов, частично вдающуюся в кристалл. Он ослабляет кристалл, допуская проскальзывание. Металлы часто делают более прочными, вводя примеси в кристаллическую решетку. Атомы примеси препятствуют движению дислокаций, заполняя промежутки вокруг них.

Считается, что винтовые дислокации объясняют рост кристаллов. Такие дислокации возникают, когда часть ряда атомов в одной плоскости соединяется с атомами плоскости выше. Это приводит к появлению спирального рисунка на поверхности кристалла. Теоретически кристаллы не должны расти так быстро, как на самом деле, потому что трудно начать новую плоскость атомов после того, как плоскость уже построена. Наличие винтовых дислокаций означает, что плоскость никогда не будет завершена.

Полупроводники

Разработка транзисторов и связанных с ними полупроводниковых устройств произвела революцию в электронной промышленности. Эти устройства обычно содержат замещающие примеси. Двумя наиболее распространенными полупроводниками являются кремний и германий. Оба этих элемента имеют по четыре валентных электрона, каждый из которых связан с соседним атомом ковалентной связью. В кремниевом полупроводнике один из атомов кремния может быть заменен атомом мышьяка, имеющим пять валентных электронов. Один электрон остается после образования четырех ковалентных связей. При обычных температурах этот лишний электрон может свободно перемещаться по кристаллу. Если часть кристалла имеет много примесей мышьяка, эта область называется n — кремний (отрицательный заряд). Блуждающие электроны действуют как свободные электроны металла.

С другой стороны, если атом кремния заменить атомом бора, который имеет три валентных электрона, в одной ковалентной связи отсутствует один электрон, и остается дырка. Эта дырка может двигаться, как и свободный электрон. Область с такими примесями бора называется кремнием типа р , поскольку дырки действуют как носители положительных зарядов.

Монокристалл кремния или германия можно вырастить так, чтобы он имел чередующиеся области типа n и p . Область перехода между областями типа n — и p называется стыком p — n . Он может передавать электрический ток только в одном направлении. Это свойство полезно при преобразовании переменного тока в постоянный. Транзисторы состоят из двух встык р — n развязки. Они способны усиливать электрические сигналы. Интегральные схемы или микросхемы, используемые в компьютерах и другой электронике, содержат миллионы или миллиарды микроскопических транзисторов и других компонентов.