1 слайд
2 слайд
Применения кристаллов в промышленности так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.
3 слайд
Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила - это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень.
4 слайд
Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.
5 слайд
Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал - корунд, окись алюминия А12О3. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво-красный рубин, окись титана - в сапфир. Есть корунды и других цветов. Есть у них ещё совсем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.
6 слайд
Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.
7 слайд
Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ), чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия часто используются инжекционные лазеры на арсениде галлия.
8 слайд
Появились и новые лазерные кристаллы: флюорит, гранаты, арсенид галлия и др. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов. Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность. Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон - все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.
9 слайд
Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.
10 слайд
Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ - диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.
С давних времен человечество использует кристаллы. Изначально это были природные кристаллы, которые использовались в качестве орудия труда и средства для лечения и медитации. Позже редкие камни и драгоценные металлы начали выступать в роли денежных средств. Фундаментальные научные исследования и открытия XX столетия позволили разработать методы получения искусственных кристаллов и существенно расширить области их применения.
Монокристалл — это однородный кристалл, который имеет непрерывную кристаллическую решетку и анизотропию свойств. Внешняя форма монокристалла зависит от атомно-кристаллического строения и условий кристаллизации. Примерами монокристаллов могут послужить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза.
Если скорость выращивания кристалла будет высокой, то будут образовываться поликристаллы, которые имеют большое количество монокристаллов. Монокристаллы высокочистых веществ имеют одинаковые свойства независимо от метода получения.
На сегодняшний день насчитывают около 150 способов получения монокристаллов: паровая фаза, жидкая фаза (растворов и расплавов) и твердая фаза.
На кафедре высокотемпературных материалов и порошковой металлургии последним методом выращиваю монокристаллы гексаборид лантана и различных эвтектических сплавов на его основе. С монокристаллов этих соединений изготавливают катоды, используемых в эмиссионной технике.
Благодаря развитию электротехники и электроники, использование монокристаллов увеличивается из года в год. Детали, выполненные из высокочистых монокристаллических материалов можно увидеть во всех новых моделях электронных приборов, от радиоприемников до больших электронно-расчетных машин.
В технике не хватает набора свойств природных кристаллов, поэтому ученые разработали сложный технологический метод создания кристаллоподобных веществ с промежуточным свойством, путем выращивания сверхтонких слоев (единицы-десятки нанометров) чередующихся кристаллов с подобными кристаллическими решетками — метод эпитаксии. Эти кристаллы получили название фотонных кристаллов.
В фотонных кристаллах есть запрещенные энергетические зоны — это значения энергии фотонов, которые не могут проникать в кристалл и растворяться в нем. Если же энергия кванта света имеет допустимое значение, то он успешно пройдет через кристалл. То есть фотонные кристаллы могут исполнять роль светового фильтра, который пропускает фотоны с определенными значениями энергии и отсеивает все остальные.
Фотонные кристаллы имеют 3 группы, которые определяются количеством пространственных осей, в которых изменяется показатель преломления. По этому критерию кристаллы делят на одно-, двух- и трехмерные.
Известным представителем фотонных кристаллов является опал, имеющий удивительный цветной узор, который появляется именно благодаря существованию запрещенных энергетических зон.
Монокристаллы искусственных сапфиров только в незначительной степени уступают твердости алмаза и имеют высокую устойчивость к царапанью, что позволяет применять их в качестве защитных экранов в электронных устройствах (планшетах, смартфонах и т.д.). Применение метода Чохральского позволяет получать огромные монокристаллы искусственных сапфиров.
В наше время ученые все чаще говорят о нанокристаллах . Нанокристаллы могут иметь размер от 1 до 10 нм, что зависит от вида нанокристаллов , а также от их метода получения. Обычно они имеют 100 нм для керамики и металлов, 50 нм для алмаза и графита, и 10 нм для полупроводников. Размер нанокристаллов влияет на появление необычных свойства в привычных веществах.
(Visited 1 333 times, 1 visits today)
Применение кристаллов в науке и технике Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить.
Алмаз Самый твердый и самый редкий из природных минералов ал маз. Сегодня алмаз в первую очередь камень работник, а не камень украшение.
Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет гро мадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила это большой (до 2 х метров в диаметре) вращаю щийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или за рубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким нибудь клей ким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень.
Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, за каленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее от ветственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.
Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво красный рубин и лазарево синий сапфир это родные братья, это вообще один и тот же мине рал корунд, окись алюминия А 12 О 3. Разница в цвете возникла из за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво красный рубин, окись ти тана в сапфир. Есть корунды и других цветов. Есть у них ещё со всем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий ко рунд наждак, которым чистят металл, из которого делают наждач ную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза.
Вся часовая промышленность работает на искусственных руби нах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют ру биновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных воло кон, из капрона, из нейлона.
Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожига ет листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых спла вах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где использует ся рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия часто используются инжекционные ла зеры на арсениде галлия.
Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон - все это разновидно сти кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок.
А самая кра сивая, самая чудесная разновидность кварца это и есть горный хрусталь, т. е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачно го кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов. Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Это пьезоэлектрический эффект в кристал лах.
В наши дни в качестве пьезоэлектриков используют не только кварц, но и многие другие, в основном искусственно синтезирован ные вещества: синетову соль, титанат бария, дигидрофосфаты калия и аммония (КДР и АДР) и многие другие. Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для вос произведения, записи и передачи звука.
Существуют и пьезоэлектрические методы измерения давления крови в кровеносных сосудах человека и давления соков в стеблях и стволах растений. Пьезоэлектропластинками измеряют, например, давление в стволе артиллерийского орудия при выстреле, давление в момент взрыва бомбы, мгновенные давления в цилиндрах двигате лей при взрыве в них горячих газов.
Эдектрооптическая промышленность это промышленность кристаллов, не имеющих центра симметрии. Эта промышленность очень велика и разнообразна, на её заводах выращивают и обраба тывают сотни наименований кристаллов для применения в оптике, акустике, радиоэлектронике, в лазерной технике.
В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид. Поляроид это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества, двупреломляющего и поляризующего свет. Все кристаллики распо ложены параллельно другу, поэтому все они одинаково поляри зуют свет, проходящий через пленку. Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. По ляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно прихо дится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от за леденевшего снежного поля.
Поляроидные стекла помогут предотвратить столкновения встречных автомобилей, которые очень часто случаются из за того, что огни встречной машины ослепляют шофера, и он не видит этой машины. Если же ветровые стекла автомобилей и стекла автомо бильных фонарей сделать из поляроида, причем повернуть оба поля роида так, чтобы их оптические оси были смещены, то ветровое стекло не пропустит света фонарей встречного автомобиля, "погасит его".
Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.
Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.
Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.
Кристаллы встречаются нам по всюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем их в лабораториях и в заводских установках, создаём приборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в технике и науке, едим кристаллы (поваренную соль), лечимся ими, находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог, используя приборы из кристаллов.
Кристаллы являются незаменимыми во многих областях человеческого существования.
Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.
Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов «сверхтвердых сплавов». Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25000000 оборотов.
Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним но разнообразию технических применении рубин. Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера - прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемою в виде тонкого светового луча.
Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.
Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.
Один из способов контроля ответственных деталей механизмов и машин - ультразвуковая дефектоскопия. Главный элемент УЗД дефектоскопа - кварцевая пластинка. Отраженная дефектом звуковая волна создает переменное электрическое поле (Эффект Холла). Пьезоэлектрический эффект в сильной степени проявляется в кристаллах титана, свинца, его производных. Такие кристаллы - основа пьезоэлектрических микрофонов и телефонов. Они преобразуют давление в электродвижущую силу в манометрах, служат для стабилизации частоты радиопередатчиков, измерения механических напряжений и вибраций.
Сегнетоэлектрики - это кристаллические вещества, обладающие уникальными свойствами, например, способностью к самопроизвольной электрической поляризации, которая может возникать даже в отсутствии внешнего поля. Впервые это свойство было обнаружено И.В. Курчатовым и П.П. Кобяко при исследовании кристаллов сегнетовой соли (NaKC4H4O6*4H2О). Сегнетоэлектрики характеризуются анизотропией. Температура, ограничивающая область сегнетоэлектрических свойств - точка Кюри. Причина таких свойств сегнетоэлектриков - взаимодействие входящих в них кристаллы молекул приводит к самопроизвольной поляризации диэлектриков. Важное практическое значение - емкость конденсатора пропорциональна е диэлектрика, помещенного между обкладками. Поэтому, используя диэлектрик с большой е можно получить малогабаритные конденсаторы. В технике применяют сегнетоэлектрические конденсаторы на основе титаната бария, у которого точка Кюри примерно 133°С, диэлектрическая проницаемость е примерно равна 6000 - 7000.
Полупроводниковые кристаллы позволяют создавать сложные электронные полупроводниковые приборы, интегральные схемы. Новая область техники называют твердотельной электроникой.
В 1955 году Басов, Прохоров, Таунсон (США) создали генератор квантов электромагнитного излучения (мазер) сантиметрового диапазона. А в 1960г. Мейманом был запущен первый генератор оптического диапазона. Важнейшую роль в получении лазерного луча играл кристалл рубина (Al2O3) с добавкой хрома. Лазеры нашли широкое применение в промышленности для различных видов обработки материалов, сверление отверстий, сварки тонких изделий. Основная область применения маломощных импульсных лазеров с микроэлектроникой, в электровакуумной промышленности, машиностроении, медицине.
Жидкие кристаллы имеют не менее широкую сферу применения.
В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометрами на жидких кристаллах. В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.
Многие оптические эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказывалось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем известны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы используются для производства наручных часов, в которые встроен калькулятор.
Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказывается чрезвычайно эффективным не только в готовом изделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним из этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полупроводникового материала специальных масок, а затем в вытравливании с помощью фотографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса производства преобразуются в элементы и соединения микроэлектронной схемы. От того, насколько малы размеры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут быть размещены на единице площади полупроводника, а от точности и качества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Очень полезным оказалось применение жидких кристаллов на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литографическими окнами наносится ориентированный слой нематика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение.
Перспективы же будущих массовых и эффективных применений жидких кристаллов еще более удивительны.
Цели : показать роль моно- и поликристаллов в технике и науке, многообразие форм кристаллических решёток; рассмотреть различные методы выращивания монокристаллов и способы повышения их прочности.Ход урока
1. Организационный этап (1 мин)
2. Изложение нового материала (43 мин)
Физика твёрдого тела (раздел физики, изучающий структуру и свойства твёрдых тел) – это одна из основ современного технологического общества. В сущности, огромная армия инженеров всего мира работает над созданием твёрдых материалов с заданными свойствами, необходимыми для использования в самых разнообразных станках, механизмах и устройствах в области связи, транспорта и компьютерной техники. Сегодня на уроке речь пойдёт о кристаллах. Наша задача: узнать, как устроены кристаллы; объяснить с физической точки зрения многообразие их форм и свойств; рассмотреть методы искусственного выращивания кристаллов и способы увеличения их прочности; увидеть, как и для чего используются кристаллы в быту и технике.
Кристаллическими считаются вещества, атомы которых расположены регулярно, так что образуют правильную трёхмерную решётку, называемую кристаллической . Кристаллам ряда химических элементов и их соединений присущи замечательные механические, электрические, магнитные и оптические свойства. (Слайд-шоу «Многообразие кристаллов» .)
Главным отличием кристаллов от других твёрдых тел является, как уже говорилось, наличие кристаллической решётки – совокупности периодически расположенных атомов, молекул или ионов.
Сообщение ученика. Русский учёный Е.С.Фёдоров установил, что в природе может существовать только 230 различных пространственных групп, охватывающих все возможные кристаллические структуры. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. Кристаллы могут иметь форму различных призм, основанием которых могут быть правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник. (Слайд .)
Примеры простых кристаллических решёток: 1 – простая кубическая; 2 – гранецентрированная кубическая; 3 – объёмно-центрированная кубическая; 4 – гексагональная
Кристаллические решётки металлов часто имеют форму гранецентрированного (медь, золото) или объёмно-центрированного куба (железо), а также шестигранной призмы (цинк, магний).
В основе классификации кристаллов и объяснения их физических свойств может лежать не только форма элементарной ячейки, но и другие виды симметрии, например, поворот вокруг оси. Осью симметрии называют прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл несколько раз совмещается сам с собой. Число этих совмещений называют порядком оси . Существуют кристаллические решётки, обладающие осями симметрии 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядков. Возможна симметрия кристаллической решётки относительно плоскости симметрии, а также комбинация разных видов симметрии. (Слайд .)
Большинство кристаллических тел являются поликристаллами, т.к. в обычных условиях вырастить монокристаллы достаточно сложно, этому мешают всевозможные примеси. В свете растущей потребности техники в кристаллах высокой степени чистоты перед наукой встал вопрос о разработке эффективных методов искусственного выращивания монокристаллов различных химических элементов и их соединений.
Сообщение ученика. Существует три способа образования кристаллов: кристаллизация из расплава, из раствора и из газовой фазы. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды (ведь вода – это расплавленный лёд), а также образования вулканических пород. Пример кристаллизации из раствора в природе – выпадение сотен миллионов тонн соли из морской воды. При охлаждении газа (или пара) электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твёрдое вещество – так образуются снежинки.
Наиболее распространёнными способами искусственного выращивания монокристаллов являются кристаллизация из раствора и из расплава. В первом случае кристаллы растут из насыщенного раствора при медленном испарении растворителя или при медленном понижении температуры. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором поваренной соли. Если дать воде возможность медленно испаряться, то в конце концов раствор станет насыщенным, и дальнейшее испарение приведёт к выпадению соли.
Если твёрдое вещество нагреть, оно перейдёт в жидкое состояние – расплав. Трудности выращивания монокристаллов из расплавов связаны с высокой температурой плавления. Например, для получения кристалла рубина нужно расплавить порошок оксида алюминия, а для этого его нужно нагреть до температуры 2030 °С. Порошок высыпают тонкой струйкой в кислородно-водородное пламя, где он плавится и каплями падает на стержень из тугоплавкого материала. На этом стержне постепенно и вырастает монокристалл рубина.
3. Применение кристаллов
1. Алмаз . Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Алмазные инструменты используются для обработки деталей из самых твёрдых материалов, для бурения скважин при разведке и добыче полезных ископаемых, служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и других, особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никакого износа даже после 25 млн оборотов. Высокая теплопроводность алмаза позволяет использовать его в качестве теплоотводящей подложки в полупроводниковых электронных микросхемах.
Конечно, алмазы используются и в ювелирных изделиях – это бриллианты.
2. Рубин . Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются, в то время как нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.
Новые перспективы для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылись с изобретением рубинового лазера, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого луча.
3. . Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают анизотропией. Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле.
Жидкие кристаллы: смектические (слева) и холестерические (справа)
Наибольший интерес для техники представляют холестерические жидкие кристаллы. В них направление осей молекул в каждом слое немного отличается друг от друга. Углы поворота осей зависят от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла. Эта зависимость используется в медицине: можно непосредственно наблюдать распределение температуры по поверхности человеческого тела, а это важно для выявления скрытых под кожей очагов воспалительного процесса. Для исследования изготовляют тонкую полимерную плёнку с микроскопическими полостями, заполненными холестериком. Когда такую плёнку накладывают на тело, то получается цветное отображение распределения температуры. Этот же принцип используется в жидкокристаллических термометрах.
Наиболее широкое применение жидкие кристаллы получили в буквенно-цифровых индикаторах электронных часов, микрокалькуляторов и т.д. Нужная цифра или буква воспроизводится с помощью комбинации небольших ячеек, выполненных в виде полосок. Каждая ячейка заполнена жидким кристаллом и имеет два электрода, на которые подаётся напряжение. В зависимости от величины напряжения, «загораются» те или иные ячейки. Индикаторы можно делать чрезвычайно миниатюрными, они потребляют мало энергии.
Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах.
4. Полупроводники . Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Многие вещества в кристаллическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Такие вещества относят к полупроводникам. Это большинство веществ, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды, теллуриды и др.
Наиболее характерным свойством полупроводников является резкая зависимость их удельного электрического сопротивления под воздействием различных внешних воздействий: температуры, освещения. На этом явлении основана работа таких приборов, как термисторы, фоторезисторы.
Объединяя полупроводники различного типа проводимости, можно пропускать электрический ток только в одном направлении. Это свойство широко используется в диодах, транзисторах.
Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов, иногда всего в несколько миллиметров, долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность открывают широкие перспективы использования полупроводников сегодня и в будущем.
5. Полупроводники в микроэлектронике . Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. При изготовлении интегральной схемы на пластинку из полупроводника (обычно это кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. В результате на одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 5 5 мм, а отдельных микроприборов – порядка 10 –6 м.
В последнее время всё чаще стали обсуждать возможность создания электронных микросхем, в которых размеры элементов будут сопоставимы с размерами самих молекул, т.е. порядка 10 –9 –10 –10 м. Для этого на очищенную поверхность монокристалла никеля или кремния с помощью туннельного микроскопа напыляются небольшие количества атомов или молекул других веществ. Поверхность кристалла охлаждается до –269 °С, чтобы исключить заметные перемещения атомов вследствие теплового движения. Размещение отдельных атомов в заданных местах открывают фантастические возможности создания хранилищ информации на атомном уровне. Это уже предел «миниатюризации».
6. Вольфрам и молибден . На современном уровне технического развития резко возросли скорости нагрева и охлаждения деталей приборов и машин, значительно увеличился интервал температур, при которых им приходится работать. Очень часто требуется длительная работа при очень высоких температурах, в агрессивных средах. Также необходимы машины, способные выдерживать большое число температурных циклов.
При таких сложных условиях эксплуатации детали и целые узлы многих машин и приборов очень быстро изнашиваются, покрываются трещинами и разрушаются. Для работы при высоких температурах широко применяются тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам. монокристаллы вольфрама и молибдена, полученные при помощи зонной плавки, используются для изготовления сопел реактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей, обшивок головных частей ракет, ионных двигателей, турбин, атомных силовых установок и во многих других устройствах и механизмах. Поликристаллические вольфрам и молибден применяются для изготовления анодов, катодов, нитей накаливания в лампах, высокотемпературных электрических печей.
7. Кварц . Это диоксид кремния, один из самых распространённых минералов земной коры, по сути, песок. Природные кристаллы кварца имеют размеры от песчинок до нескольких десятков сантиметров, встречаются кристаллы размером до одного метра и более. Чистый кристалл кварца бесцветен. Ничтожные посторонние примеси вызывают разнообразную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы – это горный хрусталь, фиолетовые – аметист, дымчатые – раухтопаз. Оптические свойства кварца обусловили широкое применение его в оптическом приборостроении: из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров. Кварц в отличие от стекла хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, поэтому из него изготавливают специальные линзы, применяемые в ультрафиолетовой оптике.
Кварц также обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способен преобразовывать механическое воздействие в электрическое напряжение. Благодаря этому свойству кварц широко применяется в радиотехнике и электронике – в стабилизаторах частоты (в том числе и в часах), всевозможных фильтрах, резонаторах и т.д. С помощью кристаллов кварца возбуждают (и измеряют) малые механические и акустические воздействия.
Из плавленного кварца изготавливают тигли, сосуды и другие ёмкости для химических лабораторий.
4. Способы повышения прочности твёрдых тел
Поликристаллическими являются стальные каркасы зданий и мостов, рельсы железных дорог, станки, детали машин и самолётов. Значения реальной и теоретической прочности расходятся в десятки, даже сотни раз. Причина кроется в наличии внутренних и поверхностных дефектов в кристаллических решётках.
Для получения высокопрочных материалов нужно выращивать монокристаллы по возможности без дефектов. Это очень сложная задача. Большинство современных методов упрочнения материалов основано на другом способе: в кристалле создаются препятствия перемещению дефектов. Ими могут служить дислокации (нарушения порядка расположения атомов в кристаллической решётке) и другие, специально созданные, дефекты.
Примеры точечных дислокаций – нарушений порядка расположения атомов в кристалле
К таким методам относятся, например:
– легирование стали : вводят в расплав небольшие добавки хрома или вольфрама, при этом прочность возрастает в три раза;
– высокоскоростная кристаллизация : чем быстрее отводится тепло от затвердевшего слитка, тем меньше размеры кристаллов. При этом улучшаются физические и механические характеристики. Для быстрого отвода тепла расплавленный металл струёй нейтрального газа распыляется в мельчайшую пыль, которую затем спрессовывают при высоких давлении и температуре.
Статья подготовлена при поддержке компании «АВЕРС». Надежность и качество-это девиз компании «АВЕРС». Компания «АВЕРС» специализируется на комплексе работ по водоснабжению частных и коллективных объектов, поэтому каждый заказ должен быть выполнен добросовестно. Перейдя в раздел: «бурение глубоких скважин », вы сможете, узнать об услугах, акциях, предоставляемых компанией «АВЕРС», а также заказать обратный звонок для связи со специалистом, который сможет ответить на ваши вопросы. В компании «АВЕРС» работают только высококвалифицированные специалисты с огромным опытом работы с клиентами.
Повышение прочности кристаллических тел даёт выигрыш в размерах различных агрегатов, позволяет уменьшить их массу, повышает рабочую температуру и увеличивает срок службы.
5. Закрепление
Учащимся предлагается заполнить тест-таблицу «Применение кристаллов в технике». В конце урока как итог самостоятельной работы учащихся демонстрируется экспресс-газета, нарисованная двумя учениками в течение урока.
Литература
Учебник «Физика-10»: Под ред. А.А.Пинского. – М: Просвещение, 2001.
Физическая энциклопедия, т. 3: Под ред. А.М.Прохорова. – М: Советская энциклопедия, 1990.
Ресурсы интернета.
Ирина Александровна Дороговцева – выпускница ГПИ г. Комсомольск-на-Амуре (1997 г.), учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 8 лет. Участница финала профессионального конкурса «Учитель года-2003». Дочери 4 года. Увлекается компьютерным дизайном, программированием, научной фантастикой.