Проект "Кристалл"

  Школьный проект по физике  «Кристалл»

Выполнил обучающийся  9 класса «В»  МГБОУ «СОШ им. Н.И.Кожедуба №2011»

               Юдин Андрей Александрович

Учитель

           Ярустовская Галина Владимировна

                      2012/2013 учебный год

                 Проект        «Кристалл»

Цель проекта:  

-вырастить кристалл;

- изучить виды кристаллов, их строение, физические свойства;

-ознакомиться с областью  применения кристаллов.

Содержание

1 Введение

2. Применение кристаллов

3. Строение кристаллов, виды кристаллических решёток

4. Взаимодействие атомов решётки.

5. Практическая часть: как я вырастил кристалл на камнях.

1 Меня заинтересовала эта тема тем, что помимо природных кристаллов с их огромной сферой применения в технике сегодня вышли вперёд искусственные кристаллы , которые стали на службу человеку, преобразуют наш мир, меняют лицо цивилизации.  Сама идея выращивания кристаллов возникла из-за желания получить камни драгоценные, а вылилась в создание кристаллов с заданными свойствами, которые сейчас являются основой интегральных схем компьютера.

2.Первые идеи появились в 1845г. В 1891 удалось за 2 часа вырастить рубин диаметром 2 мм. В 1900 с изобретением автоклавов появились кристаллы длиной 2 см. В 1930 за 90 часов удалось вырастить 5 кг кристаллов  кварца. В 1952 уже можно было вырастить почти любой кристалл

Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. 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. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия.   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.. 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. 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.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

  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.Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Это - пьезоэлектрический эффект в кристаллах. В наши дни в качестве пьезоэлектриков используют не только кварц, но и многие другие, в основном искусственно синтезированные вещества: синетову соль, титанат бария, дигидрофосфаты калия и аммония (КДР и АДР) и многие другие. Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для воспроизведения, 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 двигателей при взрыве в них горячих газов.

       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.
      Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет. Можно выделить особые жидкие кристаллы.

 У ЖК необычные оптические свойства. ЖКочень чувствительны к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.Все формы жизни, так или иначе, связаны с деятельностью живой клетки, многие структурные звенья которой похожи на структуру жидких кристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, ЖК образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативного влияния. Таким образом, установление закономерностей поведения ЖК открывает новые перспективы в развитии молекулярной биологии.Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.  

Фотонные кристаллы – один из объектов нанотехнологии, междисциплинарной области, которая служит основой техники XXI в. во всех областях человеческой деятельности (информатики, медицины, технологии металлов и пр.). Термин «фотонный кристалл» появился в 80-х годах XX века.
Последние 10 лет наблюдается повышенный интерес к фотонным кристаллам и устройствам на их основе, как со стороны физиков, так и со стороны ведущих предприятий высоких технологий и предприятий военно-промышленного комплекса. Ситуацию сравнивают с периодом бурного развития в 1960-х годах интегральной микроэлектроники, и определяется она возможностью создания оптических микросхем по аналогии со схемами классической микроэлектроники. Открылась возможность принципиально новых способов хранения, передачи и обработки информации на базе материалов нового типа (фотоника)
сравнивают с заряженным проводником, окруженным диэлектриком.
Вторая, уже реальная в ближайшее время, область применения фотонных кристаллов – повышение на порядок эффективности ламп накаливания. В будущем планируется переход на компьютеры, основанные исключительно на фотонике, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с компьютерами, основанными на электронике.

3 Что же такое кристалл? Большинство веществ в умеренном климате Земли находятся в твёрдом состоянии. Твёрдые тела сохраняют форму и объём, так как положение в пространстве частиц, составляющих тело, стабильно. При наличии периодичности в расположении атомов ( дальнего порядка) твёрдое тело является кристаллическим .Кристаллическая решетка – это структура с геометрически правильным расположением частиц в пространстве. 

В самой кристаллической решетке различают узлы и межузловое пространств

 В настоящее время по характеру связи атомов выделяют 5 типов кристаллов: 1) ионные кристаллы 2) ковалентные кристаллы, 3) металлические кристаллы, 4) молекулярные кристаллы с водородными связями, 5) Ван-дер-Ваальсовы кристаллы. Все эти типы, кроме последнего играют очень большую роль в природе и в современной технике. Деление это весьма условно, существуют кристаллы которые можно считать переходными между этими типами, встречаются кристаллы в которых часть связей ковалентная, а часть - водородная. Остановимся на них подробнее.

     Ионные кристаллы. Ионные кристаллы формируются под влиянием электростатического притяжения разноименно заряженных и отталкивания одноименно заряженных ионов. Типичным примером могут служить вещества и . Каждый положительно заряженный ион () стремится окружить себя отрицательно заряженными ионами (), а отрицательные ионы окружают себя положительными ионами. Ионы могут сближаться до тех пор пока не начнется перекрытие их электронных облаков, в этом случае появляются силы отталкивания, имеющие квантовую природу.

 Ковалентные кристаллы. Ковалентные кристаллы образуются за счет ковалентных связей между атомами. Ковалентная связь образуется за счет перекрытия электронных облаков, в результате между атомами образуется сгусток отрицательного заряда, который стягивает два атома. Атом в зависимости от его валентности может иметь несколько таких связей, расположенных под определенными углами друг к другу. Атомы в ковалентном кристалле соединяются за счет ковалентных связей, причем углы между связями и их "длины" могут слегка отличаться для кристаллов с разной структурой.

     Типичным ковалентным кристаллом можно считать алмаз . Можно показать , что в такой решетке каждый атом окружен четырьмя соседями, расположенными симметрично по углам тетраэдра относительно него. Именно так часто располагаются ковалентные связи атома углерода.

.  Кристаллические решетки ковалентных кристаллов и их базисы могут быть весьма сложными и мало симметричными, поскольку формирование кристалла обусловлено ковалентными связями со всевозможной ориентацией между атомами или частями молекул.

4 ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЁТОК

5.                             Практическая часть

Практические шаги по выращиванию кристаллов:  

1 шаг  В пластиковое ведро  объёмом 0,5 л опустил придорожные камни 10

2      залил кипячёной водой  1000С

3     растворил в ней 10г алюмокалиевых квасцов размешивал

4     оставил в тёплом месте на 1 час без крышки

5     закрыл крышкой и оставил на месяц в комнате на полке

                                Что наблюдал

6     Первый нарост ( 1мм )белого цвета на камнях появился через сутки

7     затем ежедневный нарост составлял 1-2мм

8     одновременно кристаллы стали расти на стенах сосуда , я их убирал, чтобы не мешали росту основного кристалла

9     через месяц кристаллы достигли и превысили уровень воды оставшейся в сосуде

10.   осторожно вылил воду и отделил камни с кристаллами от  дна

Список используемой литературы и интернет -ресурсов

1. Касьянов В.А. «Физика 10класс»

2) https://sites.google.com/site/himulacom/zvonok-na-urok/8-klass/lekcia-kristalliceskie-reseetki

3) http://phys.bspu.unibel.by/static/lib/phys/bmstu/tom6/ch1/texthtml/ch1_2.htm

4) http://ru.wikipedia.org/wiki/%C6%E8%E4%EA%E8%E5_%EA%F0%E8%F1%F2%E0%EB%EB%FB