Автор работы: Пользователь скрыл имя, 25 Апреля 2014 в 23:43, доклад
В мире царит кристалл и его твердые прямолинейные законы» полностью согласуется с неугасающим научным интересом ученых всего мира и всех областей знания к данному объекту исследования. Так, в конце 60-х годов прошло¬го века начался серьезный научный прорыв в области жидких кристаллов, породивший «индикаторную революцию» по заме¬не стрелочных механизмов на средства визуального отображения информации. Позже в науку вошло понятие биологический кристалл (ДНК, вирусы и т. д.), а в 80-х годах XX века - фотонный кристалл. Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Что такое кристаллическая решетка? Как растут кристаллы? Как и где они применяются в настоящее время и каковы перспективы их применения в будущем? Вот эти вопросы заинтересовали пас, и мы попытались найти на них ответы сами, т. к. в учебнике этой теме отводится только один параграф и ответов на эти вопросы мы не нашли, или эти ответы были неполными и из них не было видно, почему именно благодаря кристаллам произошел «серьезный прорыв» в пауке и технике.
Гвоздева Т.А. – учитель химии.
Панкова Е.С.- учитель физики.
Город Озёры улица 2я Высокополянская дом 22.
Поэзия! Завидуй кристаллографии!
Кусай ногти в гневе и бессилии!
О. Мандельштам
Мы живем в мире, в котором большая часть веществ находится в твердом состоянии. Мы пользуемся различными механизмами, инструментами, приборами. Мы живем в домах и квартирах. Имеем мебель, бытовые приборы, современнейшие средства связи: радио, телевидение, компьютеры и т. д. А ведь все это твердые тела. С физической точки зрения, человек - твердое тело. Так что же такое твердые тела?В отличие от жидкостей, твердые а сохраняют не только объем, но и форму, т. к. положение в пространстве частиц, составляющих тело, стабильно. Из-за значительных сил межмолекулярного взаимодействия частицы не могут удаляться друг от друга на значительные расстояния.В природе часто встречаются твердые тела, имеющие форму правильных многогранников. Такие тела назвали кристаллами. Изучение физических свойств кристаллов показало, что геометрически правильная форма - не главная их особенность.Знаменитое изречение академика Л. Е. Ферсмана «Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твердые прямолинейные законы» полностью согласуется с неугасающим научным интересом ученых всего мира и всех областей знания к данному объекту исследования. Так, в конце 60-х годов прошлого века начался серьезный научный прорыв в области жидких кристаллов, породивший «индикаторную революцию» по замене стрелочных механизмов на средства визуального отображения информации. Позже в науку вошло понятие биологический кристалл (ДНК, вирусы и т. д.), а в 80-х годах XX века - фотонный кристалл. Что такое кристаллы? Какими свойствами они обладают? Что такое кристаллическая решетка? Как растут кристаллы? Как и где они применяются в настоящее время и каковы перспективы их применения в будущем? Вот эти вопросы заинтересовали пас, и мы попытались найти на них ответы сами, т. к. в учебнике этой теме отводится только один параграф и ответов на эти вопросы мы не нашли, или эти ответы были неполными и из них не было видно, почему именно благодаря кристаллам произошел «серьезный прорыв» в пауке и технике.Чтобы наиболее полно и всесторонне изучить эту проблему, мы создали четыре группы: теоретики, инженеры, ювелиры и экспериментаторы. Перед каждой группой стояли свои цели и решались определенные задачи.
Мы предлагаем результаты нашей работы вашему вниманию.
1. Понятие «кристалл». Знания человека о кристаллах.
Слово «кристаллос» у древних греков обозначало лед. Так же назывался и водяно-прозрачный кварц (горный хрусталь), ошибочно считавшийся тогда «окаменевшим льдом». Впоследствии этот термин был распространён на все кристаллические тела.
В школьных учебниках кристаллами обычно называют твердые тела, образующиеся в природных или лабораторных условиях и имеющие вид многогранников, которые напоминают самые непогрешимо строгие геометрические построения. Поверхность таких фигур ограничена более или менее совершенными плоскостями - гранями, пересекающимися по прямым линиям ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины. Однако стоит заметить, что данное определение нельзя назвать правильным и ofio требует ряд существенных поправок, так как охватывает не все кристаллические образования.
На рис. 1 показаны модели закономерного расположения атомов (ионов) в кристаллах поваренной соли NaCl и кальцита СаСО3.
Рис. 1
Во всех без исключения кристаллических постройках из атомов - в структурах кристаллов -можно выделить множество одинаковых атомов, расположенных наподобие узлов пространственной решетки. Чтобы представить себе такую решетку, мысленно заполним пространство множеством равных параллелепипедов, параллельно ориентированных и соприкасающихся по целым граням. Простейший пример такой постройки из параллелепипедов представляет кладка из одинаковых кубиков или кирпичиков, вплотную приложенных друг к другу. Если внутри каждого параллелепипеда выделить соответственные точки, например, их центры или вершины, то мы и получим модель пространственной решетки.
13 реальных кристаллических структурах места узлов пространственной решетки могут занимать отдельные атомы или ионы (заряженные атомы), а также молекулы. Прямые линии, по которым расположены частицы в решетке, называют «рядами», а плоскости, усаженные частицами, именуются «плоскими сетками» (см. рис. 1). Для всех без исключения кристаллов характерно решетчатое строение.
3. Разнообразие форм кристаллов. Симметрия в кристаллах.
( Приложение 1 )
Как известно, форма является вторичной по отношению к содержанию. В соответствии с этим и кристаллографы всегда подчеркивают, что форма кристалла прежде всего зависит от его внутреннего строения, т. е. от кристаллической структуры (под структурой понимается пространственное расположение всех материальных частиц: атомов, молекул, ионов, слагающих кристалл).
Такую структуру схематично изображаю'!' в виде пространственной решетки. При этом вершины, ребра и грани кристалла соответствуют узлам, рядам и плоским сеткам решетки. «Важнейшие» грани, лучше всего развитые и чаще всего встречающиеся па кристаллах какого-либо вещества, совпадают с плоскими сетками, наиболее густо покрытыми частицами. Этот закон, открытый французским ученым Огюстом Браве (1811-1863), даст понятие о зависимости формы кристалла от его структуры. Вместе с тем не стоит забывать о том, что на формирование кристаллического тела накладывает свой отпечаток и питающая его среда.
Обратимся теперь к самим формам кристаллов и познакомимся с тем, как кристаллографы научились их определять и даже наперед предсказывать. Подчеркнем, что ими был создан строго математический вывод всех возможных на свете кристаллических форм.
В течение долгих столетий геометрия кристаллов казалась таинственной и неразрешимой загадкой. Не случайно па гравюре великого немецкого художника Альбрехта Дюрера (1471-1528) изображена Меланхолия в виде печального ангела, безнадежно всматривающегося в огромный кристалл. Вплоть до XVII в. дальше описаний «удивительных угловатых тел» дело не шло.
В 1619 г. великий немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571—1630) обратил внимание на шестерную симметрию снежинок. Он попытался объяснить се тем, что кристаллы построены из мельчайших одинаковых шариков, теснейшим образом присоединенных друг к другу (вокруг центрального шарика можно вплотную разложить только шесть таких же шариков). По пути, намеченному Кеплером, пошли впоследствии Роберт Гук (1635-1703) и М. В. Ломоносов (1711-1765). Они также считали, что элементарные частицы внутри кристаллов можно уподобить плотно упакованным шарикам. В наше время принцип плотнейших шаровых упаковок лежит в основе структурной кристаллографии, только сплошные шаровые частицы («корпускулы») старинных авторов заменены сейчас сферами действия атомов и ионов.
Через 50 лет после Кеплера (в 1669 г.) датский геолог-, кристаллограф и анатом Николаус Стеной (1638-1686) впервые сформулировал основные понятия о формировании кристаллов: «Рост кристалла происходит не изнутри, как у растений, но путем наложения на внешние плоскости кристалла мельчайших частиц, приносящихся извне некоторой жидкостью». Эта идея о росте кристаллов в результате отложения на гранях все новых и новых слоев вещества сохранила свое значение и до сих пор.
Внимательно разглядывая реальные кристаллы кварца, Степой обратил также внимание на их отклонения от идеальных геометрических многогранников с плоскими гранями и прямыми ребрами. В своем трактате он впервые ввел в пауку реальный кристалл с его несовершенствами и отклонениями от идеализированных схем. Однако все эти отклонения не помешали ученому открыть на тех же кристаллах кварца основной закон геометрической кристаллографии - закон постоянства углов. К сожалению, написал он об этом очень кратко в пояснениях к рисункам, приложенным к его сочинению.
Рис. 2
Закон постоянства углов окончательно утвердился в науке после выхода в свет «Кристаллографии» (1783 г.) французского естество испытателя Ж. Б. Роме де Лиля (1736-1790): «Грани кристалла могут изменяться по своей форме и относительным размерам, но их взаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода кристаллов». В этой формулировке Роме де Л иль обобщил свои многолетние груды по измерению многочисленнейших углов на кристаллах разнообразных веществ (см. рис. 2). Закон постоянства углов явился падежным фундаментом для развития геометрической кристаллографии и дал богатейший материал для установления истинной симметрии кристаллических тел. Впоследствии он лег в основу специальных методов Е. С. Федорова, А. К. Болдырева, Т. Барксра и др. Эти методы позволяют по углам между гранями, т. с. по внешней форме кристаллов, определять их вещество.
Старательно изучая кристаллы и измеряя их характерные углы, Роме де Лиль не позволял себе углубляться в рассуждения, об их внутреннем строении. Гораздо смелее в этом отношении был его младший современник и удачливый соперник Ре не Жюст Аюи (1743-1822). «Все найдено!», - воскликнул он, заметив, что случайно выпавший из его рук большой кристалл кальцита раскололся на множество маленьких параллелепипедальных (ромбоэдрических) осколков (кальцит обладает хорошей спайностью — способностью раскалываться — по ромбоэдру). В этот именно момент в его уме зародилась новая теория строения кристаллов. В отличие от Кеплера, Гука и Ломоносова, Аюи предположил, что кристаллы построены не из мельчайших шариков, а из молекул параллелепипедальной формы и что предельно малые спайные осколки и являются этими самыми молекулами. Иными словами, кристаллы представляют собой своеобразные кладки из молекулярных «кирпичиков» (см. рис. 3)
Рис. 3
Несмотря на всю свою наивность с современной точки зрения, эта теория сыграла в свое время большую историческую роль, дав толчок к зарождению теории решетчатого строения кристаллов. Этим не исчерпываются заслуги Аюи. Впервые обратил он внимание на то, что наблюдателю, разглядывающему кристалл с разных сторон, нередко кажется, что перед ним как бы повторяется одна и та же картина. Объясняется это тем, что такой кристалл состоит из повторяющихся равных частей. Иными словами, Аюи одним из первых уловил симметричное строение множества кристаллических тел. Ему же принадлежит способ математической характеристики кристаллических граней, с помощью которого можно было даже предсказать, какие именно грани возможны для данного кристалла.
Прямым продолжателем Гаю и явился французский кристаллограф Браве. Будучи моряком-метеорологом, Браве заинтересовался формами снежинок и стал углубленно заниматься наукой о кристаллах. В отличие от своих предшественников, приписывавших элементарным частицам в кристаллах шаровую или параллелепипедальную форму, Браве отказался от всяких предположений относительно таинственных и недоступных тогда форм молекул или атомов. Молекулярные «кирпичики» Гаю и были заменены Браве точками - центрами их тяжести. Легко понять, что, выделив в кирпичной кладке центры тяжести всех кирпичиков, мы получим уже знакомую нам пространственную решетку.
Высказав гипотезу о решетчатом строении всех вообще кристаллических тел, Браве заложил основу современной структурной кристаллографии задолго до экспериментальных исследований кристаллических структур с помощью рентгеновских лучей. Исходя из его гипотезы, ставшей в настоящее время общепринятой теорией, легко доказать ряд основных положений геометрической кристаллографии.
Именно так устанавливается важнейший закон кристаллографической симметрии, согласно которому для кристаллов возможны оси симметрии лишь первого, второго, третьего, четвертого и шестого порядков (этот закон относится не только к простым, по и к сложным - инверсионным и винтовым - осям). Тем самым па кристаллических фигурах никогда не бывает осей симметрии пятого порядка, а также осей симметрии порядка выше шестого, так как они невозможны в решетках.
Так был найден важнейший закон, проводящий границу между симметрией кристаллов и симметрией растений и животных. Для кристаллов пятерные оси и оси порядка выше шестого категорически запрещены.
В 1830 г., задолго до Браве, немецкий профессор Иоганн Фридрих Гесссль (1796-1872) опубликовал в физическом словаре большую статью под названием «Кристаллометрия», в которой дал полный вывод совокупностей элементов симметрии для конечных фигур в самом широком смысле этого понятия. Судьба замечательной статьи Гесселя оказалась трагической: ее никто не понял и не оценил. Отчасти в этом виноват был и сам автор, уж очень тяжеловесно и громоздко описал он свои открытия. В результате многие десятки лет работа Гесселя лежала без движения в пыли старых библиотек.
Лишь в 1890 г., через 60 лет после опубликования этого труда и через 18 лет после смерти его автора, кристаллографы заново открывают вывод Гесселя. «В это время, - по горестному замечанию Е. С. Федорова, - кости Гесселя давно успели рассыпаться и истлеть в могиле».
В 1867 г. наш соотечественник, крупный военный специалист, профессор артиллерийского училища академик А. В. Га-дол ип (1828-1892), не подозревая о существовании трудов Гесселя и Браве, снова взялся за вывод законов симметрии. К тому времени минералоги и кристаллографы собрали огромный материал по кристаллическим формам минералов. В России особенно много работал в этом направлении академик Н. И. Кокшаров (1818 - 21 декабря 1892 (2 января 1893)) - автор 11-томных «Материалов для минералогии России» и обширного атласа с многочисленными и точными изображениями кристаллов русских минералов.
Л. В. Гадолин, дружески связанный с Н. И. Кокшаровым, был также большим любителем и знатоком минералов и их кристаллических форм. В связи с этим он и обратил все свое внимание па симметрию кристаллов. В его классическом труде «Вывод, всех кристаллографических систем и их подразделений из одного общего начала» раз и навсегда было установлено существование 32 видов симметрии для конечных кристаллографических фигур (т. е. для кристаллических многогранников). Простой и изящный вывод Л. В. Гадолипа, иллюстрированный