ПРИМЕНЕИЕ КРИСТАЛЛОВ И ИХ РОЛЬ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОСИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
БИРСКИЙ ФИЛИАЛ
КОЛЛЕДЖ
Специальность 44.02.05 « Коррекционная педагогика в начальном образовании»
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине «Естествознание»
МИР КРИСТАЛЛОВ
Студент подпись В.О.Полюдова
Группа
дата
Руководитель подпись
Курсовой работы
дата
Бирск -2019
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………3
|
|
|
1.ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КРИСТАЛЛАХ И ИХ СВОЙСТВАХ……………………………………………….…………………… 5
1.1.Структура и форма кристаллов……..………………………………..5
1.2 …………………………………9
2.ПРИМЕНЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ И ИХ РОЛЬ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ12
2.1 …………………..12
2.2 ………………………..14
2.3. …….17
2.4.……………………………………….20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………28
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………….29
ВВЕДЕНИЕ
Кристаллография это наука о кристаллах. Кристаллическое состояние определяется способом построения вещества. Название ее происходит от греческого слова "кристаллос" - прозрачный лед. Предметом изучения является КРИСТАЛЛ. Кристаллы отражают способ упорядоченного закономерного расположения элементарных частиц (атомов, ионов, молекул) вещества, из которых они состоят, что определяет их правильную геометрическую внешнюю форму.
Кристаллография – фундаментальная наука об атомном строении, образовании и физических свойствах кристаллов. Эти три аспекта рассматриваются вместе как единая комплексная проблема. Кристаллографию делят на геометрическую кристаллографию, которая изучает внешнее и внутреннее строение кристаллов, химическую кристаллографию (кристаллохимию, или структурную химию) и физическую кристаллографию (кристаллофизику). Последние два раздела могут изучаться независимо друг от друга, но оба они базируются на первом, без знания которого невозможно их рациональное изложение.
|
|
|
Задачи кристаллографии - описание кристаллических многогранников и кристаллических структур методами симметрии; ƒ определение межатомных и межплоскостных расстояний в кристаллических структурах; ƒ описание симметрии и анизотропии физических свойств кристаллов; ƒ определение пространственного расположения атомов в кристаллических структурах; ƒ расчет размеров металлических и ионных радиусов; ƒ установление связей между кристаллохимическими параметрами и типами кристаллических структур, прогнозирование характера межатомного взаимодействия в металлических сплавах; ƒ описание ориентационных соотношений и атомных механизмов полиморфных превращений, эпитаксиальных явлений и двойникования в металлических фазах; ƒ анализ типов дислокаций в кристаллах, составление уравнений дислокационных реакций в типичных металлических структурах
|
|
|
Кроме того, в задачи кристаллографии входит всестороннее исследование свойств кристаллического вещества, три из которых наиболее важные:
1 описание и классификация кристаллов.
2 определение вещества по формам (внешней огранке) кристаллов.
3 изучение строения вещества.
Кристаллография — наука о структуре кристаллов, их симметрии и форме и взаимосвязи структуры, условий образования и свойств кристаллов.
- фундаментальная наука, так как включает в себя поиск и обнаружение неизвестных ранее явлений и закономерностей, нахождение объектов с неизвестными ранее свойствами, теоретическое обобщение, объяснение и предсказание явлений, свойств, развитие новых методов исследований.
- прикладная наука, так как результаты кристаллографических исследований широко используются для решения конкретных задач: создание новых приборов, материалов, освоение новых производственных процессов, технологий, совершенствование методов измерений и т. д.
Проект «Мир кристаллов» посвящен изучению темы «Кристаллы и их свойства». Целью проекта является изучение кристаллов и применение полученных знаний на практике. В ходе работы осуществляется поиск ответов на проблемные вопросы: что такое кристаллы, их виды, условия необходимые для роста кристаллов. Задачами проекта является расширение представлений о мире кристаллов и применение полученных знаний на практике. При выполнении проекта изучается теоретический материал различных источников о свойствах, строении, видах кристаллов и их применении. Итогом работы является презентация проекта «Применение кристаллов».
|
|
|
Основные даты развития науки о кристаллах (историческая справка)
Зарождение кристаллографии как науки сопряжено с XVII в. Основные даты развития науки о кристаллах представлены ниже.
Кардано Джероламо (1501—1576) итальянский математик и философ
-объяснение шестигранной призматической формы кристаллов горного хрусталя укладкой шарообразных частиц;
-предвосхитил современное представление о плотнейшей упаковке атомов в структурах кристаллов
Иоганн Кеплер (1571—1630) немецкий математик и астроном 1611 г.
- идея изменчивости форм кристаллов, возможности сочетания в одном кристалле нескольких различных кристаллографических форм;
- предположил связь правильной шестиугольной (шестилучевой) формы снежинок с плоскостной плотнейшей укладкой шаров — частиц вещества.
Николай Стенон (Нильс Стенсен) датский естествоиспытатель
«О твердом, естественно содержащемся в твердом»: кристаллы различной формы одного и того же вещества (минерала) имеют неизменные углы
между соответствующими гранями.
М.В. Ломоносов русский математик, физик и философ 1740 г.
- в своей диссертационной работе «О рождении кристаллов селитры» объяснил постоянство углов плотнейшей укладкой шарообразных частиц —корпускул
Жан Б. Роме де Лиль французский минеролог 1783 г. –
в труде «Кристаллография»: «Грани кристалла могут изменяться по своей форме и относительным размерам, но их взаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода кристаллов».
Рене Жюст Гаюи (1743—1822) французский аббат, профессор минералогии и кристаллографии, почетный член Петербургской Академии наук
- предположил, что кристалл представляет собой «кладку» из множества мельчайших одинаковых кирпичиков, названных им интегральными молекулами - закон рациональности отношений параметров
X. Вейс (1780—1856) немецкий кристаллограф и минеролог
- закон зон (поясов), устанавливающего связь между положением граней и ребер кристалла.
Огюст Браве французский инженер 1848 г.
- ввел понятие пространственной решетки – трехмерной периодичности расположения материальных частиц в геометрически однородных телах;
- дал вывод 32 классов симметрии для конечных фигур.
1855 г. - вывел 14 типов пространственных решеток, известных теперь как 14 решеток Браве, заложив этим основу современной структурной кристаллографии.
Аксель Вильгельмович Гадолин профессор Петербургского артиллерийского училища, академик 1867 г.
- показал, что в кристаллах набор элементов симметрии ограничен,- в них невозможны оси 5-го и выше 6-го порядков,
- вывод 32 кристаллографических видов (групп) симметрии.
Евграф Степанович Федоров (1853—1919) русский кристаллограф
1855 г. - оригинальный вывод 32 классов симметрии (точечных групп) в
работе «Начала учения о фигурах»,
1890 г.- вывел 230 способов размещения материальных частиц в кристаллах — 230 пространственных групп симметрии, называемых федоровскими.
Артур Шенфлис (1853—1928) немецкий математик
чуть позже Федорова пришел к тому же числу (230) пространственных групп
симметрии.
Алексей Васильевич Шубников (1887—академик 1970) - отец современной кристаллофизики ввел понятие о симметрии математических величин, по-новому сформулировал основные законы, устанавливающие связь симметрии кристаллов и явлений.
Структура и форма кристаллов
Форма кристаллов не случайна , в природе она отражает обстоятельства образования минералов. В кристаллографии изучаются идеальные формы кристаллов – модели, на примере которых происходит знакомство с возможной морфологией минералов.
Простой идеальной формой кристалла называется многогранник, все грани которого можно получить из одной грани с помощью преобразований определенной группы элементов симметрии. Если пространство замыкается, то образуется выпуклый многогранник, который представляет собой закрытую простую форму. Все простые формы высшей категории являются закрытыми , то есть грани этих простых форм ограничивают и замыкают конечный объем. Открытые простые формы не замыкают пространство, они всегда находятся в комбинации с другими простыми формами, такая форма считается сложной.
Итак, среди кристаллов выделены две группы форм: 1) простая форма и 2) сложная форма (комбинация простых форм). Простой формой называется кристалл, который состоит из одинаковых по величине и очертанию граней, имеющих симметричное расположение.
Сложной формой (комбинацией простых форм) называется кристалл, состоящий из различных по величине и очертанию граней. Число различных граней определяет количество простых форм в комбинации, то есть в комбинации участвуют столько простых форм, сколько разновидностей граней вы можете увидеть в многограннике.
На сегодняшний момент открыто 47 простых форм, названия которых определяет форма поперечного сечения, количество и очертание граней. В номенклатуре простых форм кристаллов используются следующие термины:
Моно – один ; Пента – пять; Ди, би – два; Гекса – шесть; Три – три;
Окта – восемь; Тетра – четыре; Додека – двенадцать; Эдра – грань; Пинакос – таблица; Гонио – угол; Клинэ– наклон; Син – сходно; Поли – много
Все простые формы распределяются по категориям и сингониям: для кристаллов низшей категории возможны 7 простых форм, средней – 25 и высшей – 15.
Простые формы низшей категории, это:
1.Моноэдр – одна грань любой формы (в единственном числе)
2.Пинакоид – две параллельные грани любой формы.
3.Диэдр – две драни, пересекающиеся под углом
4.Ромбическая призма – призма, в сечении которой ромб, грани параллельны главной оси симметрии
5.Пирамида ромбическая
6.Дипирамида ромбическая
7.Тетраэдр ромбический – четыре грани в форме разностороннего треугольника
Рисунок 2.1 – Простые формы низшей категории
Простые формы средней категории (табл. 2.1).
К средней категории относится 25 простых форм. Кроме того, в кристаллах средней категории встречаются еще 2 простые формы из низшей категории – моноэдр и пинакоид.
Таблица 2.1 - Простые формы средней категории
| Сингония | Тригональная | Тетрагональная | Гексагональная |
| Характерное поперечное сечение (перпендикулярное главной оси) |  тригон дитригон
|  тетрагон дитетрагон
|  гексагон динексагон
|
| Призмы – грани параллельные главной оси симметрии. Кроме тригональной сингонии, они еще и попарно параллельны |  тригональная дитригональная
|  тетрагональная дитетрагональная
|  гексагональная дигексагональная
|
| Пирамиды – грани наклонены друг к другу и пересекают главную ось в одной точке |  тригональная дитригональная
|  тетрагональная дитетрагональная
|  гексагональная дигексагональная
|
| Дипирамиды– пирамиды, сложенные донышками |  тригональная дитригональная
|  тетрагональная дитетрагональная
|  гексагональная дигексагональная
|
| Трапецоэдры |  тригональный
|  тетрагональный
|  гексагональный
|
| Тетраэдр -верхняя грань расположена симметрично относительно двух нижних | - |  тетрагональный
| - |
| Ромбоэдр– сплюснутый или вытянутый вдоль оси L3 куб, верхняя грань расположена симметрично относительно двух нижних | 
| - | - |
| Скаленоэдры – грани пересекают главную ось в двух точках и нижняя пара граней расположена симметрично относительно двух пар верхних граней |  тригональный
|  тетрагональный
| - |
К кубической сингонии отнесено 15 простых закрытых кристаллографических форм (рис.2.2)
Рис.2.2. Простые формы высшей категории кубической сингонии.
Из них различают исходные формы и производные. К исходным формам относят:
1. тетраэдр кубический (грани - 4 равносторонних треугольника);
2. гексаэдр (куб);
3. октаэдр (грани - 8 равносторонних треугольников);
4. ромбододекаэдр (12 граней в виде ромба);
5. пентагондодекаэдр (12 граней в виде пятиугольника).
Производные формы образуются из исходных путем надстраивания различных пирамид на гранях исходной формы, причем размножение исходной грани может происходить в 2, 3, 4 и 6 раз.
Надстраивание производных форм строятся следующим образом:
Тригонтритетраэдр:
тригон - форма новой грани, образовавшейся на исходной грани,
три – количество новых граней на одной исходной,
тетраэдр – название исходной формы.
Простые формы кубической сингонии легко определяются по количеству граней, относящихся к одному сорту:
- если грани четыре, то это кубический тетраэдр
- если таких граней шесть, то это куб
- если их восемь – октаэдр.
Гексаоктаэдр (48 граней) – максимальное количество граней в природе.
Размеры и рост кристаллов
Многообразие природных кристаллов не исчерпывается лишь формами, обусловленными внутренней структурой кристалла. В конечном счете, та или иная форма кристалла является результатом взаимодействия симметрии его внутренней структуры и симметрии среды кристаллизации. Пространственно неравномерное или одностороннее поступление обеспечивающих рост кристаллов компонентов или физико-химическая неоднородность самой среды кристаллизации может приводить к искажениям внешней формы кристалла. Идеально развитые кристаллы с четкими геометрическими очертаниями в природе встречаются не так уж часто.
Однако, одна геометрическая кристаллография не может дать всех ответов на многие вопросы, касающиеся особенностей форм реальных кристаллов. Только углубленное изучение зарождения и жизни кристаллов может дать определенные ответы на актуальные запросы практики.
Процесс образования и роста кристаллов называют процессом кристаллизации – перехода вещества в кристаллическое состояние путем укладки атомов, ионов, молекул в кристаллическую решетку.
Кристаллы возникают при переходе вещества из любого агрегатного состояния в твердое. Кристаллизация может происходить из расплава, раствора и газа. Из расплавов кристаллизуется не более 20% минеральных видов, но на их долю приходится свыше 90% массы земной коры. К ним в первую очередь относятся породообразующие распространенные светлоокрашенные и темноокрашенные минералы. Кристаллизация из водных растворов охватывает примерно 90% минеральных видов. К их числу следует отнести большинство рудных минералов. Из газов и паров образуется не более 2,5% минеральных видов.
Начало кристаллизации вещества обуславливается возникновением центров кристаллизации (зародышей) и достижением ими критической величины, при которой присоединение следующих частиц сделало бы их разрастание энергетически более выгодным, чем распад. Чаще всего такие зародыши распадаются, что связано либо с собственными колебаниями, либо с бомбардировкой их свободными частицами. Зарождение кристаллов для большинства веществ проявляется либо понижением температуры, в результате чего уменьшаются температурные колебания и частицы (атомы, ионы), потеряв избыток теплового движения, проявляют присущие им химические свойства и группируются в пространственную решетку, либо с повышением концентрации вещества в растворе или газе, что приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, то есть к возникновению зародышей .
Таким образом, рост кристаллов можно рассматривать как процесс, посредством которого мельчайшие кристаллические частицы – зародыши достигают макроскопических размеров. Причем кристаллизация протекает не во всем объеме, а лишь там, где возникнут зародыши. Факторами, влияющими на появление зародышей, являются не только переохлаждение и повышение концентрации раствора или вязкости расплава, но и присутствие посторонних обломков кристаллов или пылинок, на поверхности которых собираются частицы, упрощая этим начало кристаллизации. Рано или поздно изменение внешних условий прекращает кристаллизацию, а иногда даже вызывает растворение (расплавление) выросших кристаллов. Вслед за кристаллизацией данного минерала может начаться осаждение других. Их индивиды занимают оставшееся место и промежутки между ранними, уже выросшими кристаллами.
Кристаллизация происходит самопроизвольно просто потому, что существует возможность высвобождения свободной энергии, что представляет собой в сущности один из способов ее уменьшения. Процесс кристаллизации является энергетически выгодным.
В давние времена считалось, что кристаллы представляют собой редкое и очень загадочное творение природы. Действительно, нахождение в природе крупных однородных кристаллов — явление нечастое. Однако мелкокристаллические вещества встречаются весьма часто. Так, например, почти все горные породы: гранит, песчаники известняк — кристалличны. Также мы уже знаем, что некоторые части живого организма также кристалличны, например, роговица глаза.
В наше время кристаллы очень распространены в науке и технике, так как обладают различными полезными свойствами. Кристаллы используются в полупроводниках и сверхпроводниках, квантовой электронике и т.д.
Сейчас кристалл можно вырастить искусственно. Известно уже много способов выращивания кристаллов даже в домашних условиях (каменная соль = галит). Кристалл можно вырастить в обыкновенном стакане, для этого требуется лишь определенный раствор и аккуратность, с которой необходимо ухаживать за растущим кристаллом.
Кристаллов в природе огромное множество, так же много существует различных форм кристаллов. Все кристаллы состоят из элементарных частиц, расположенных в строгом порядке внутри кристаллического тела. Во всех без исключения кристаллических постройках из атомов можно выделить множество одинаковых атомов, расположенных в виде узлов пространственной решетки. Для представления такой решетки, надо мысленно заполнить пространство множеством равных параллелепипедов, параллельно ориентированных и соприкасающихся по целым граням.
Простейший бытовой пример, который встречался каждому - кладка из одинаковых кирпичей. Если мы внутри кирпичей выделим соответственные точки, например, их центры или вершины, то мы и получим модель пространственной решетки. Для всех без исключения кристаллических тел характерно решетчатое строение.
Итак, можно сформулировать четкое определение кристалла. Кристаллы твердые, однородные, анизотропные вещества, способные в определенных условиях самоограняться.
ПРИМЕНЕИЕ КРИСТАЛЛОВ И ИХ РОЛЬ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
2.1
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 излучения, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках XX века. 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.
1. Афонькин С.Ю. Минералы и драгоценные камни. Школьный путеводитель.-СПб.: «БКК», 2012 г. – 96 с.
2. Белов Н.В. Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов.- Минск: «Харвест», 2009 г. – 159 с.
3. Большая книга «Почему». Перевод с итальянского Ольги Живаго.- М.: РОСМЭН, 2011 г.- 240 с.
4. Журнал для любознательных «Юный эрудит», №10 (октябрь),2009 г
5. Шаскольская М.П.. Кристаллы. - М.: Наука, 1978 г. – 208 с.
6. http://www.geologiazemli.ru/articles/112 - Геология Земли .
7. http://ru.wikipedia.org/wiki/E519 - ВикипедиЯ – свободная энциклопедия.
8. http://www.kristallov.net/mineraly.html - Кристаллов.NET.
9. http://mirkristallov.com/- Мир кристаллов.
Дата добавления: 2019-08-30; просмотров: 401; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!