Чем объясняется анизотропия кристаллов
Анизотропия кристаллов
Физические свойства твердого тела можно разделить на две категории: одна из них включает такие свойства, как плотность, удельная теплоемкость, которые не связаны с выбором какого-либо направления внутри твердого тела, свойства же другой категории (механические модули, термический коэффициент расширения, коэффициент теплопроводности, удельное сопротивление, показатель преломления и др.) могут быть различными для разных направлений в твердом теле.
Изотропностью называется независимость физических свойств тела от направления внутри него. Если такие физические свойства тела, как модуль упругости, коэффициент теплопроводности, показатель преломления и т. п., одинаковы по всем направлениям, то такое тело будет изотропным.
Под анизотропией понимается зависимость свойств макроскопически однородного тела от направления. Изотропными являются аморфные тела, жидкости и газы. Анизотропия же является характерной особенностью кристаллов. Но обнаружить анизотропность можно не у всяких кристаллических тел, а только у монокристаллов. Большинство окружающих нас кристаллических тел, например, металлы, являются поликристаллическими, т. е. они состоят из очень большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен, ориентированных различным образом. Если в ориентации этих мелких кристалликов нет какого-либо определенного порядка, то данное поликристаллическое тело будет изотропно. Если же в ориентации кристаллических зерен наблюдается упорядоченность (а она может возникнуть при таких методах обработки металлов, как прокатка, протяжка, волочение), то материал называется текстурированным и обнаруживает некоторую анизотропность.
В обычных поликристаллических металлах кристаллические зерна настолько малы, что, как правило, различимы лишь при наблюдении в микроскоп. Но при медленном охлаждении расплава металла можно получить крупнозернистый слиток, в котором кристаллические зерна легко рассмотреть невооруженным глазом. Если же применить особую методику охлаждения расплава металла, то можно получить такие образцы, в которых будет находиться всего одно кристаллическое зерно – один кристалл. Такие однокристальные образцы называются монокристаллами.
В природе встречаются довольно большие монокристаллы минералов, а иногда и металлов (самородки золота). Можно получить монокристаллы многих веществ (в том числе и металлов) искусственно. Для этого приходится соблюдать иногда очень тонкую и достаточно сложную технологию.
Наглядным примером анизотропии механической прочности кристалла является способность кристаллов слюды легко расщепляться на тонкие листочки по определенному направлению и обладать достаточной прочностью в перпендикулярном направлении. Монокристаллы некоторых металлов (цинка, висмута, сурьмы) тоже довольно легко скалываются по определенным плоскостям. Плоскость скола при этом представляет собой хорошее зеркало.
Исследования показали, что кристаллы могут обладать анизотропией теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств и пр.
Анизотропия проявляется и в поверхностных свойствах кристаллов. Например, коэффициент поверхностного натяжения для разнородных граней кристалла имеет различную величину. При росте кристалла из расплава или раствора это является причиной различия скоростей роста разных граней.
Анизотропия скоростей роста обусловливает правильную форму растущего кристалла. Анизотропия поверхностных свойств проявляется в различии скоростей растворения разных граней кристалла, адсорбционной способности, химической активности разных граней одного и того же кристалла.
Причина анизотропии состоит в том, что кристаллы имеют строго упорядоченное строение. Важнейшим следствием упорядоченной структуры является анизотропия физических свойств кристалла.
Поясним сказанное. На рисунке 2.9 изображена схема расположения атомов в кристалле. Плоскость рисунка совпадает с одной из плоскостей, проходящей через узлы кристаллической решетки. Можно сказать, что кристалл представляет собой пачку таких плоскостей, лежащих как листы бумаги в книге.
 |
Если произвести сечение такого кристалла плоскостями, перпендикулярными плоскости чертежа, то в зависимости от ориентации плоскостей сечения густота расположения атомов на них будет различной. На рисунке 2.9 направления секущих плоскостей изображены сплошными линиями. Из рисунка хорошо видно, что плотность «населения» плоскостей атомами различна; если расположить эти плоскости в порядке убывания поверхностной плотности атомов, то получится следующий ряд:
(010) (100) (110) (120) (320).
Вместе с тем, видно, что расстояния между смежными секущими плоскостями тем больше, чем плотнее «населенность» их атомами. Легко представить себе, что в наиболее плотно заполненных плоскостях атомы прочнее связаны друг с другом, так как расстояния между ними меньше.
С другой стороны, наиболее плотно заполненные плоскости, будучи удаленными друг от друга на относительно большие расстояния, чем мало заселенные плоскости, будут слабее связаны друг с другом. Следовательно, наш условный кристалл обладает анизотропией механической прочности: легче всего его расколоть по плоскости (010).
На основании изложенного можно сделать обобщение, что и другие физические свойства кристалла (тепловые, электрические, магнитные, оптические) могут быть различными по разным направлениям.
Численные значения некоторых физических свойств кристаллов для разных направлений могут иногда различаться на несколько порядков. У кристаллов графита, например, удельное электрическое сопротивление по направлению [001] почти в сто раз больше, чем по перпендикулярному направлению.
Один и тот же кристалл может быть изотропным в отношении одного свойства и анизотропным в отношении другого. Например, кристалл поваренной соли изотропен относительно диэлектрической проницаемости, коэффициента теплового расширения, показателя преломления, но анизотропен в отношении механических свойств и в отношении скоростей роста и растворения граней.
Анизотропия физических свойств кристаллов используется в технике, базирующейся на применении монокристаллов (полупроводниковая электроника, электро- и радиотехника, кристаллооптика и др.). Монокристаллические элементы полупроводниковых приборов, стабилизаторов частоты, пьезодатчиков, оптических приборов изготовляются со строгим учетом кристаллографического направления. Для этих целей нужно изготовить монокристаллический образец не только определенной чистоты, формы и размеров, но и с нужной ориентацией кристаллографических осей.
Анизотропия кристаллов
Анизотропия – это зависимость свойств материала от направления. Материал считается изотропным, когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считается анизотропным.
Анизотропия характерна для кристаллов и обусловлена их упорядоченной структурой. В кристаллах в различных направлениях атомы располагаются с различной плотностью, т.е. на различном расстоянии друг от друга, что отражается на силе взаимодействия атомов. Как следствие, свойства кристаллов в различных направлениях оказываются различными. Например, в кубическом кристалле в направлении координатных осей атомы вещества располагаются на расстоянии друг от друга равном а (рис.1). В направлении диагонали атомы располагаются на расстоянии а
, а в направлении пространственной диагонали – а
. Очевидно, такой кристалл легче разорвать в направлении пространственной диагонали, чем в направлении координатных осей, где он обнаруживает наибольшую прочность из-за того, что атомы расположены ближе и сильнее взаимодействуют.
Анизотропия распространяется практически на все свойства кристаллов. Так, кристалл в одном направлении лучше, чем в другом может проводить тепло, электрический ток, свет, лучше намагничиваться и т.д. При этом, чем ниже система симметрии кристалла, тем сильнее проявляется анизотропия его свойств.
В аморфных материалах, из-за хаотического внутреннего строения, атомы в различных направлениях располагаются примерно с одинаковой плотностью. В результате свойства данных материалов в различных направлениях оказываются одинаковыми, т.е. вещество оказывается изотропным.
Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, также очень часто обнаруживают равенство свойств в различных направлениях, хотя и являются материалами кристаллическими, а не аморфными. Это объясняется их зернистым строением. Зёрна данных материалов, будучи кристаллами, в различных направлениях обнаруживают различные свойства, однако в целом материал оказывается изотропным, поскольку зёрна случайным образом ориентированы в пространстве и при сложении свойств в каждом направлении получается примерно одна, усреднённая величина. Такую изотропию называют ложной изотропией или квазиизотропией.
Иногда зёрна поликристаллических материалов оказываются ориентированными преимущественно в одном направлении. Например, зёрна металлов и сплавов при пластическом деформировании вытягиваются в направлении деформации. Такое явление называют текстурой. При появлении текстуры свойства кристаллических материалов вновь начинают зависеть от направления, т.е. материал оказывается анизотропным.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Анизотропия кристаллов
Знаменитое изречение академика А. 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 обьекту исследования.
Закон постоянства углов. Внешняя форма кристаллов одного вида может быть различной,но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными.
Рассматривая выращенный кристалл и измеряя углы между гранями мы можем проверить закон постоянства углов. Существенным свойством кристалла является анизотропность. Анизотропия кристаллов воспринимается теоретически очень трудно,поэтому с помощью практической работы можно увидеть и пронаблюдать анизотропию кристаллов.
Глава 1. Кристаллы. Кристаллическая решетка.
Большинство окружающих нас твердых тел – вещества в твердом состоянии. Специальная область физики-физика твердого тела-занимается изучением строения и свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники. Знать свойства твердых тел жизненно необходимо.
В любой отрасли техники используются свойства твердого тела:механические,тепловые,электрические,оптические и т. д. Все большее применение в технике находят кристаллы. Ученые,лауреаты Ленинской и Нобелевской премий А. М. Прохоров и Н. Г. Басов разработали квантовый генератор(лазер). Действие лазеров основано на использование свойств монокристаллов
Кристаллы-это твердые тела,атомы или молекулы которых занимают определенные,упорядоченные положения в пространстве.
В начале 19 века впервые было высказано предположение,что внешне правильная форма кристаллов обусловлена внутренне правильным расположением частиц,из которых состоят кристаллы. На основании исследований немецкого физика-теоретика М. Лауэ посредством рентгеновских лучей было выяснено,что это предположение справедливо.
. Для наглядного представления внутренней структуры кристалла применяется способ изображения его с помощью пространственно- кристаллической решетки,узлы которой совпадают с центрами атомов или молекул в кристаллах.
Кристаллы могут иметь форму различных призм и пирамид,в основании которых могут лежать только правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник. Представления о периодической структуре кристаллов и симметрии расположения атомов в них в настоящее время имеют строгое экспериментальное подтверждение. Наглядные картины расположения атомов в кристалле удается получать с помощью электронного микроскопа и ионного проектора.
Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл,имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую решетку. Монокристаллы обычно обладают геометрически правильной формой. Существенным свойством монокристалла является анизотропия-неодинаковость его свойств по различным направлениям.
Существуют четыре типа кристаллов:молекулярные,ковалентные (атомные),ионные и металлические.
Алмаз-кристаллическое вещество с атомной кристаллической решеткой. Каждый атом в кристалле алмаза связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами (рис. 3 кристаллическая решетка алмаза ). Это обусловливает исключительную твердость алмаза. Алмаз широко применяют для обработки особо твердых материалов:для резки стекла,при буровых работах в геологии,в полупроводниковых схемах. Алмаз практически не проводит электрический ток,плохо проводит тепло. Прозрачные образцы алмаза сильно преломляют лучи света и при огранке красиво блестят,из таких алмазов делают украшения (бриллианты).
Различие в строении кристаллических решеток двух разновидностей углерода (графита и алмаза) обьясняет различие в их физических свойствах:мягкость графита и твердость алмаза; графит-проводник электричества, алмаз-диэлектрик(нет свободных электронов).
Глава 2. Анизотропия кристаллов.
Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям неодинаковы. Поэтому механические,тепловыек,электрические и оптические свойства кристаллов по разным направлениям оказываются различными. Это свойство кристаллов называется анизотропией.
Простейший пример анизотропии кристаллов –неодинаковая их механическая прочность по разным направлениям. Кристаллы легче всего раскалываются с образованием кусков,ограниченных плоскими гранями,пересекающимися под определенными углами.
Спайность-это проявление анизотропии прочности кристаллов:силы сцепления между атомами в некоторых симметрично расположенных плоскостях очень малы, и кристаллы раскалываются по этим плоскостям.
Каждая снежинка формируется из шестиугольной молекулы воды. Один атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода(два через атомные связи и два через водородные мостики). Затем появляются другие такие же молекулы,все они присоединяются к первой.
Вывод:Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не одинакова по различным направлениям. Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям также неодинаковы. Это приводит к зависимости свойств кристаллов от направления-анизотропии.
Глава 3. Кристаллическая решетка поваренной соли.
Простой пример кристаллической решетки представляет решетка кристалла хлористого натрия. Молекула этого вещества состоит из одного атома хлора и одного атома натрия(NaCl). Кристаллическая решетка хлористого натрия состоит из чередующихся ионов хлора и натрия. Каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора,расположенными по трем взаимно перпендикулярным направлениям, а каждый ион хлора в свою очередь окружен шестью ионами натрия. У хлористого натрия расстояние между соседними ионами равно 2,81*10-10 м.
Симметрия внешней формы и симметрия физических свойств вызваны симметрией внутреннего строения кристалла,то есть расположением атомов(ионов) в твердом теле.
Кубическая форма у NaCl вызвана правильным расположением в пространстве ионов Na+ и Cl-.
Глава 4. Практическая работа ”Выращивание кристалла поваренной соли “.
Цель работы:наблюдение за процессом роста кристалла хлористого натрия и сравнение полученных кристаллов с моделями кристаллических решеток,проверить анизотропию прочности путем раскалывания.
Чтобы вырастить кристаллы в домашних условиях,нужно приготовить перенасыщенный раствор соли. В качестве исходного вещества выбрали соль,которые использует человек очень часто, это поваренная соль.
Налила в стакан горячей воды и посыпала в него поваренную соль,все время помешивая. Сыпала до тех пор,пока соль не перестала растворяться и на дне образовался осадок,не исчезающий при помешивании. Затем взяла кусочек тонкой проволоки и обмотала его шерстяной ниткой. На стакан сверху положила палочку и к ней подвесила обмотанную проволочку на нитке. Рассол постепенно остыл,потом вода из него начала испаряться. Через три дня (можно дольше) вытянула проволочку. Соль осела на шерстинках маленькими правильными кубиками.
Нужно периодически измерять размеры некоторых граней. Грани кристалликов изменяют свои размеры,они растут,,углы между соответственными гранями остаются постоянными.
Сравнили формы полученных кристаллов с формами моделей кристаллических решеток. У поваренной соли NaCl грани должны иметь форму квадратов,а кристаллы –кубов. Выращенный кристалл соответствует этим требования
Внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной,но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными. Это закон постоянства углов сформулировал французский естествоиспытатель Ж. Б. Роме де Лиля. Он сделал важный вывод: правильная форма кристаллов связана с закономерным размещением частиц, образующих кристалл. Монокристаллами являются большинство минералов. Однако крупные природные монокристаллы встречаются довольно редко. В настоящее время многие монокристаллы выращиваются искусственно.
Анизотропия свойств кристаллических тел
Существует анизотропия и механической прочности монокристаллов. Например, пластинка слюды легко расслаивается на тонкие листы только вдоль одного направления. Разделить эту пластинку на части по другим направлениям очень трудно.
Электропроводность и оптические свойства многих кристаллов так же зависят от выбранного направления.
Причина анизотропии свойств кристаллов
3. Причиной анизотропии свойств монокристаллов является то, что частицы, их образующие, располагаются в определённом порядке. Если выделить в монокристалле несколько направлений, то можно заметить, что в каждом направлении будет располагаться разное число частиц (рис. 109, а). Различие в плотности расположения частиц, а как следствие и в силах взаимодействия в зависимости от выбранного направления и приводят к анизотропии свойств монокристаллов.
В поликристалле кристаллики расположены беспорядочно, поэтому на прямых, проведённых в разных направлениях, будет находиться примерно одинаковое число частиц (рис. 109, б). Это и определяет независимость свойств поликристалла от направления.
Вопросы для самопроверки
1. Какие твёрдые тела изотропны, а какие анизотропны? В чём проявляется анизотропия свойств кристаллов?
2. Объясните анизотропию и изотропию свойств кристаллов на основе строения твёрдых тел.
3. Чем объясняется большая прочность алмаза по сравнению с графитом?
Анизотропия в кристаллах
Анизотропия в кристаллах
На самом деле в кристаллической решетке существует разное количество атомов в разных направлениях. Например, в кубической решетке(рис. 1.2) большее количество атомов расположено вдоль диагонали куба ВСС решетки [111]
или диагонали грани решетки ВСС[PO], [101], [011] по сравнению с направлением вдоль края Куба. Людмила Фирмаль
[100], [010], [001]. Из вышесказанного следует, что в кристаллическом материале должна наблюдаться анизотропия в разнице свойств вдоль различного направления кристалла.
Таким образом, анизотропия является естественным следствием правильного расположения атомов в кристаллическом теле. Анизотропия механических свойств и других свойств наблюдается при испытании образца, разрезанного по разным направлениям кристалла.
Не все свойства кристаллических тел характеризуются явлением анизотропии. Например, такая характеристика, как теплоемкость не зависит от направления. Следует подчеркнуть, что анизотропия проявляется только в единичных или монокристаллических зернах. Настоящий металл представляет собой поликристаллическое тело, состоящее из огромного количества зерен,
произвольно ориентированных друг к другу по направлению Кристалла и плоскости. Людмила Фирмаль
В связи с этим отсутствие какой-либо характеристики направления приложения сил в одних зернах компенсируется избытком этой характеристики в том же направлении в других зернах. Поскольку их изотропия не истинна, а усреднена, их называют квазиизотропными или квазиизотропными телами.
Образовательный сайт для студентов и школьников
Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института