Исследовательская работа по теме: «Кристаллы»

Научно-практическая конференция школьников

«Первые шаги в науку»

Исследовательская работа по теме:

«Кристаллы»

Кафедра: естественно - научных дисциплин

Выполнили: и

, учащиеся 10 класса

Научный руководитель:

Образовательное учреждение:

МБОУ «Центр образования» города Брянска

Брянск 2013

План:

1.  Введение. 2

2.  Цели и задачи. 3

3.  Кристаллы.. 4

a.  Понятие «кристалл». 4

b.  Разнообразие форм кристаллов. Симметрия в кристаллах. 5

c.  Монокристаллы и поликристаллы. 7

4.  Полиморфизм. 8

5.  Искусственные кристаллы.. 10

6.  Применение жидких кристаллов в устройствах отображения информации. 11

7.  Применение жидких кристаллов в будущем.. 12

8.  Очки для космонавтов. 13

9.  Драгоценные камни. 15

10.  Спайность и излом.. 17

11.  Оптические свойства. 18

12.  Поверхностные оптические эффекты: ветовые фигуры и цветовые переливы.. 20

13.  Методы выращивания кристаллов. 22

14.  Практическая часть. 23

a.  В имеющихся дома украшениях исследуем драгоценные и полудрагоценные камни, их виды и свойства. 23

b.  Выращивание кристалла из поваренной соли. 25

15.  Заключение. 26

16.  Список использованной литературы: 27

Введение

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 тела 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 «Почти весь мир кристаличен. 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 меня, и мы попытались найти на них ответы.


Цели и задачи

Цели нашей работы: узнать: что такое кристаллы, какими свойствами они обладают; что называется кристаллической решеткой; как растут кристаллы и где они применяются в настоящее время; каковы перспективы применения кристаллов в будущем; почему человек еще в глубоком прошлом обращал внимание на некоторые кристаллы и называл их драгоценностями.


Задачи:

1.Ознакомиться с литературой о кристаллах, воспользоваться ресурсами Интернета.

2.Изучить физические свойства кристаллов: изотропность, анизотропность, полиморфизм, симметрию.

3.Изучить строение и свойства жидких и фотонных кристаллов, их применение.

4.Выяснить, что такое самоцвет, драгоценный, полудрагоценный, и поделочный камни, ювелирные украшения.

Кристаллы

Понятие «кристалл».

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 распространен 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 оно требует ряд существенных поправок, так как охватывает не все кристаллические образования. Вспомним всем известную горную породу гранит, состоящую из зерен полевого шпата, кварца и слюды. Все эти зерна – кристаллы, однако их неправильные извилистые контуры не сохранили никаких следов прямолинейности и плоскогранности. Гранит возник из огненно-жидкого глубинного расплава – магмы. В процессе остывания расплава из него выпадало множество кристалликов полевого шпата, кварца, слюды. Одновременно рост всех этих твердых образований, мешавших друг другу развиваться, и привел к тому, что отдельные кристаллы не смогли получить свойственную им правильную многогранную форму. Зернистые кристаллические агрегаты, аналогичные граниту и другим горным породам, имеют самое широкое распространение не только в природе, но и в окружающей нас рабочей и домашней обстановке. Металлы и сплавы, каменные строительные материалы, цемент и кирпич – все это состоит из кристаллических зерен.

Значит, для образования хорошо ограненных кристаллов необходимо, чтобы ничто не мешало им свободно и всесторонне развиваться, не теснило бы их и не препятствовало их росту.

Что касается отношения человека к кристаллам, то можно сказать, что он придает им большое значение, преклоняясь перед этим чудом природы.

Итак, можно сделать вывод, что кристаллами можно назвать все твердые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены строго закономерно наподобие узлов пространственных решеток. Это определение является всеобъемлющим, оно приложимо к любым однородным кристаллическим телам: и булям, и зернам, и «скелетам», и плоскогранным фигурам.

Во всех без исключения кристаллических постройках из атомов – в структурах кристаллов можно выделить множество одинаковых атомов, расположенных наподобие узлов пространственной решетки.





Разнообразие форм кристаллов. Симметрия в кристаллах.

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 кристаллов).


Такую структуру схематично изображают в виде пространственной решетки. При этом вершины, ребра и грани кристалла соответствуют узлам, рядам и плоским сеткам решетки.


В течение долгих столетий геометрия кристаллов казалась таинственной и неразрешимой загадкой. Не случайно на гравюре великого немецкого художника Альбрехта Дюрера () изображена Меланхолия в виде печального ангела, безнадежно всматривающегося в огромный кристалл. Вплоть до XVII в. дальше описаний «удивительных угловатых тел» дело не шло.(рис.1)

Описание:


В 1619 г. великий немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер () обратил внимание на шестерную симметрию снежинок. Он попытался объяснить ее 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 () и Ломоносов (17Они также считали, что элементарные частицы внутри кристаллов можно уподобить плотно упакованным шарикам. В наше время принцип плотнейших шариковых упаковок лежит в основе структурной кристаллографии, только сплошные шариковые 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 () 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 кристаллы кварца, Стеной обратил внимание на их отклонения от идеальных геометрических многогранников с плоскими гранями и прямыми ребрами. В своем трактате он впервые ввел в науку 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.

Одним из первых уловил симметрическое строение множества кристаллических тел ученый Гаюи. Ему же принадлежит способ геометрической характеристики кристаллических граней, с помощью которого можно было даже предсказать, какие именно грани возможны для данного кристалла.

Прямым продолжателем Гаюи 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 параллелепипедную форму, Браве отказался от всяких предположений относительно таинственных и недоступных тогда форм молекул или атомов. Молекулярные «кирпичики» Гаюи 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.

В 1867 году наш соотечественник, профессор артиллерийского училища академик , не подозревая о сосуществовании трудов Гесселя и Браве, снова взялся за вывод законов симметрии. К тому времени минералоги и кристаллографы собрали огромный материал по кристаллическим формам минералов. В классическом труде Гадолина «Вывод всех кристаллографических систем и их подразделений из одного общего начала» раз и навсегда было установлено существование 32 видов симметрии для конечных кристаллографических фигур.(рис.2)

Описание: 

Монокристаллы и поликристаллы.

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл, имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую решетку. Монокристаллы обычно обладают геометрически правильной внешней формой, но этот признак не является обязательным. Большинство встречающихся в природе и получаемых в технике твердых тел представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов – кристаллитов. Такие тела называют поликристаллами. В отличие от монокристаллов поликристаллы изотропны.

Полиморфизм.


Очень многие вещества в кристаллическом состоянии могут существовать в двухили более фазовых разновидностях (модификациях), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Каждая модификация устойчива в определенном интервале температур и давлений. Из 9 кристаллических фаз воды только одна устойчива при атмосферном давлении. Остальные 8 фазовых состояний льда существуют при высоких давлениях и имеют плотность большую, чем у воды.

Алмаз– кристаллическое вещество с атомной кристаллической решеткой. Каждый атом в кристалле алмаза связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами. Это обусловливает исключительную твердость алмаза. Алмаз широко применяют для обработки особо твердых материалов: для резки стекла, при буровых работах, для вытягивания проволоки и др. Производительность труда при использовании алмазного обрабатывающего инструмента в промышленности возрастает в 2-5 раз.

Графит непрозрачен, серого цвета, обладает металлическим блеском. В кристаллической решетке графита атомы углерода расположены слоями состоящими из шестичленных колец. Между слоями в графите действуют межмолекулярные силы. Поэтому графит легко расслаивается на чешуйки. Даже при слабом трении графита о бумагу на ней остается серый след («графит» от латинского «пишущий»). Графит применяют для изготовления грифелей карандашей, в технике – в качестве смазочного материала. В ядерных реакторах его используют в качестве замедлителя нейтронов.

Карбин стал известен сравнительно недавно. Он был получен советскими учеными, а уже позднее обнаружен в природе. Это черный порошок. Кристаллическая решетка построена из линейных углеродных цепочек. По электрической проводимости карбин занимает промежуточное положение между алмазом (диэлектрик) и графитом (проводник): карбин – полупроводник.


Анизотропия– зависимость физических свойств вещества от направления. Физические свойства поликристаллов не зависят от направления: они изотропны.

Изотропия– независимость физических свойств вещества от направления.

Простейший пример изотропии кристаллов – неодинаковая их прочность по разным направлениям. Это свойство наглядно проявляется при дроблении кристаллических тел.

История показала, что тепловые, электрические и оптические свойства также не одинаковы по различным направлениям. Анизотропия физических свойств кристаллов и правильная внешняя форма получили объяснение на основе атомно-молекулярной теории строения вещества.

Различна в разных направлениях и теплопроводность монокристаллов. У графита теплопроводность вдоль слоев в четыре раза больше, чем по нормали к слоям: тепло легче передается в тех плоскостях и направлениях, где атомы плотнее упакованы.

Особенно наглядна анизотропия механических свойств кристаллов. Кристаллы со слоистой структурой – слюда, гипс, графит, тальк – в направлении слоев совсем легко расщепляются на тонкие листочки, но невозможно разрезать или расколоть их в других плоскостях.

Бесцветные кристаллы каменной соли прозрачны, как стекло. А вот разбиваются они совсем не как стекло. Если ударить ножом или молоточком по кристаллу, они разбиваются на кубики с ровными, гладкими, плоскими гранями. Это явление спайности, т. е. способности раскалываться по ровным, гладким плоскостям, так называемым плоскостям спайности. Кристаллы кальцита тоже обладают весьма совершенной спайностью: при ударе они всегда разбиваются на так называемые ромбоэдры с гладкими, плоскими гранями.Ромбоэдр –это косоугольный параллелепипед, или, можно сказать, куб, вытянутый вдоль одной из его диагоналей.

С п а й н о с т ь– это проявление анизотропии прочности кристаллов: силы сцепления между атомами в некоторых симметрично расположенных плоскостях очень малы, и кристаллы раскалываются по этим плоскостям.

Выводы




1.  Представления о кристаллах, их строении и свойствах развивались на протяжении нескольких веков. Точкой отсчета истории кристаллов может быть известие о существовании изумрудов в Индии за 2 тыс. лет до н. э., алмазов за лет до н. э., рубинов Цейлона за 600 лет до н. э.

2.  Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные положения в пространстве, поэтому кристаллы имеют плоские грани.

3.  Самый важный вывод исследовательской работы: все физические свойства, благодаря которым кристаллы так широко применяются, зависят от их строения – их пространственной кристаллической решетки.

Искусственные кристаллы


С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До XX в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 г. удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в 1940-х годов, были синтезированы изумруды, а в 1955 г. фирма «Дженерал электрик» и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов.

Многие технологические потребности в кристаллах являлись стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе – из раствора, расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы сегнетовой соли выращиваются из водного раствора при атмосферном давлении. Большие кристаллы оптического кварца выращиваются тоже из раствора, но при температурах 350-450 о С и давлении 140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050 о С. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи.



Применение жидких кристаллов в устройствах отображения информации


В то время существование жидких кристаллов представлялось каким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через сто лет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторого интереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через некоторое время практически забыли.

В конце девятнадцатого – начале двадцатого века многие очень авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетам весьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических веществ оказывались существенно различными. Одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представлениях о жидких кристаллах. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кристаллов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В 20-е годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу назвал нематическими, другую – смектическими. Он же предложил общий термин для жидких кристаллов (мезоморфная фаза). Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминающиеся выше холестерические жидкие кристаллы как класс. Самые «кристаллические» среди жидких кристаллов – смекатические. Для смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они «понимают» команду «равняйся» и размещаются в стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах – на нематических.

Описание: http://*****/pubimages/33635.jpg
Один из примеров применения жидких кристаллов ЖК экран или монитор.(рис.3)

Применение жидких кристаллов в будущем


Управляемые оптические транспаранты. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями непринципиального, а технологического характера. Хотя принципиально возможность создания таких экранов продемонстрирована, однако в связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. Поэтому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экране малого размера, могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, в которые со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света. Принцип записи изображения очень прост. В отсутствии подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которую еще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствует напряжению на нем. При подсветке фотополупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происходит перераспределение электрических напряжений в ячейке – теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частности, его оптические характеристики, изменяются соответственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристаллического слоя в результате действия слоя.






Очки для космонавтов


Знакомясь с маской для электросварщика и очками для стереотелевидения, заметили, что в этих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Существует ситуация, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть отдельные участки поля зрения.

Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрезвычайно ярком солнечном освещении. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотелевидения позволяют решить управляемые жидкокристаллические фильтры. В этих очках поле зрения каждого глаза теперь должен перекрыть не один фильтр, а несколько независимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть зрения глаза.

Такие очки могут быть полезны не только космонавтам, но и людям других профессий, например, для пилотов современных самолетов, где огромное количество приборов. Подобные очки будут очень полезны также в биомедицинских исследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количества зрительной информации.

Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах, несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожное количество энергии, а в ряде случаев позволяют исключить из аппаратуры детали; совершающие механические движения. Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются в виду? Это диафрагмы, фильтры – ослабители светового потока, наконец, прерыватели светового потока в киносъемочной камере, синхронизированные с перемещением фотопленки и обеспечивающие покадровое ее экспонирование.


Фотонный кристалл — это материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях.

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). Предполагается создание лазеров нового типа, с низким порогом генерации, оптических переключателей. Однако создание трехмерных фотонных кристаллов (а именно они должны привести к принципиальным изменениям в технике) является достаточно сложной задачей.

Фотонные кристаллы открыли удивительную возможность для хранения и обработки информации – создание ловушек для фотонов. Это область в кристалле из которой выход фотонам запрещен из-за отсутствия в окружающем материале фотонной зоны проводимости. Ситуацию сравнивают с заряженным проводником, окруженным диэлектриком. Парадоксальная ситуация «остановки фотона», масса которого равна нулю, не противоречит законам физики, так как речь идет не о свободном фотоне, взаимодействующем с периодической структурой. Его уже окрестили тяжелым фотоном. Тяжелые фотоны планируют использовать в элементах памяти, оптических транзисторах и пр.

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.

В 2004 г. появилось сообщение о создании лазера на основе искусственного инвертированного опала. В полые сферы, расположенные на расстоянии 240-650 мм, вводили коллоидные частицы селенида кадмия с диаметром 4,5 нм. С помощью лазерного импульса эти «искусственные атомы» переводились в возбужденное состояние, причем время эмиссии можно было контролировать. Заметим, что лазеры с задержкой эмиссии выгодно применять, например, для солнечных батарей, а с ускоренной эмиссией – для мини-лазеров и светодиодов.

Описание: http://img.sci-lib.com/2009/10/15/b_358_1.jpg
Например, фотонный кристалл опал(рис.4)

Драгоценные камни

Происхождение и строение драгоценных камней
Все драгоценные камни, за редким исключением, принадлежат миру минералов. Напомним об их происхождении и строении. Об условиях образования драгоценных камней, не являющихся минералами в строгом смысле этого слова (например, янтаря, кораллов и жемчуга).

Минералы могут возникать разными способами. Одни образуются из огненно-жидких расплавов и газов в недрах Земли или из вулканических лав, извергнутых на ее поверхность (магматические минералы). Другие выпадают из водных растворов либо растут с помощью организмов на (или вблизи) земной поверхности (осадочные минералы). Наконец, новые минералы образуются путем перекристаллизации уже существующих минералов под влиянием больших давлений и высоких температур в глубинных слоях земной коры (метаморфические минералы).

Химический состав минералов выражают формулой. Примеси при этом не учитывают, даже если они вызывают появление цветовых оттенков, вплоть до полного изменения цвета минерала. Почти все минералы кристаллизуются в определенных формах. То есть представляют собой кристаллы однородные по составу тела с регулярным расположением атомов в решетке. Кристаллы характеризуются строгими геометрическими формами и ограничены преимущественно гладкими плоскими гранями. В большинстве своем кристаллы мелки, но встречаются гигантские экземпляры. Внутренняя структура кристаллов определяет их физические свойства, в том числе внешнюю форму, твердость и способность раскалываться, тип излома, плотность и оптические явления. 

Основные понятия:




Самоцвет или драгоценный камень. Всю эту группу камней отличает одна общая черта – особая красота. Прежде самоцветами называли лишь немногие камни. Нынче число их резко возросло и продолжает увеличиваться. В большинстве своем это минералы, гораздо реже – горные породы. К драгоценным камням относят также некоторые минералы органического происхождения: янтарь, коралл и жемчуг. Даже ископаемые органические останки (окаменелости) используются в качестве украшений. По своему назначению к драгоценным камням близок ряд других ювелирных материалов: дерево, кость, стекло и метал.

Описание: http://*****/info/Kamny/cirkon.jpgПолудрагоценный камень – понятие пока еще бытующее в торговле, но, однако в виду заложенного в нем умаляющего смысла употреблять его не следует. Прежде полудрагоценными называли менее ценные и не очень твердые камни, противопоставляя

их «настоящим» драгоценным камням. Например, циркон(рис.5)

Описание:Поделочный камень. Это собирательный термин, который относится ко всем камням, используемым как в качестве украшения, так и для производства камнерезных изделий. Иногда поделочными называют менее ценные или непрозрачные камни. Например, яшма(рис.6)


Описание:

Ювелирное изделие. Под ювелирным изделием понимают украшение, состоящее из одного или нескольких драгоценных камней, оправленных в благородный металл. Иногда ювелирными изделиями называют и шлифованные камни без оправы, а также украшения из драгоценных металлов без камней. Например, кольцо(рис.7)


Спайность и излом

Многие минералы раскалываются или расщепляются по ровным плоским поверхностям. Это свойство минералов называется спайностью и зависит от строения их кристаллической решетки, от сил сцепления между атомами. Различают спайность весьма совершенную (эвклаз), совершенную (топаз) и несовершенную (гранат). У целого ряда драгоценных и поделочных камней (например, у кварца) она вообще отсутствует. Отдельностью называется способность кристалла раскалываться в определенных участках по параллельно ориентированным поверхностям.

Наличие спайности необходимо учитывать при шлифовке и огранке камней, а также при вставке их в оправу. Сильное механическое воздействие может вызвать раскол (трещину) по спайности. Часто для этого бывает достаточно легкого удара или чрезмерного надавливания при определении твердости. Прежде спайность использовалась для аккуратного расчленения крупных камней на части или для отделения дефектных участков. Теперь подобные операции выполняются преимущественно путем распиловки, что позволяет лучше использовать форму камня, а также избежать нежелательных трещин и расколов.

Форму поверхности фрагментов, на которые распадается минерал при ударе, называют изломом. Он бывает раковистым (похожим на отпечаток раковины), неровным, занозистым, волокнистым, ступенчатым, ровным, землистым и пр. Иногда излом может служить диагностическим признаком, позволяющим различать сходные по внешнему облику минералы. Раковистый излом типичен, например, для всех разновидностей кварца и для имитации драгоценных камней из стекла.

Плотность

Плотностью (прежде ее именовали удельным весом) называется отношение массы вещества к массе того же объема воды. Следовательно, камень, имеющий плотность 2,6, во столько же раз тяжелее равного объема воды.

Плотность драгоценных камней колеблется от 1 до 7. Камни с плотностью ниже 2 кажутся нам легкими (янтарь 1,1), от 2 до 4 – нормальной тяжести (кварц 2,65), и выше 5 – тяжелыми (касситерит 7,0). Наиболее дорогие камни, такие, как алмаз, рубин, сапфир, имеют более высокую плотность, чем главные породообразующие минералы, прежде всего кварц и полевой шпат.


Оптические свойства


В ряду физических свойств драгоценных камней оптические свойства играют главенствующую роль; определяя их цвет и блеск, сверкание, «огонь» и люминесценцию, астеризм, иризацию и прочие световые эффекты. При испытании и идентификации драгоценных камней также все большее место отводится оптическим явлениям.

Цвет
Цвет– первое, что бросается в глаза при взгляде на всякий драгоценный камень. Однако для большинства камней их цвет не может служить диагностическим признаком, так как многие из них окрашены одинаково, а некоторые выступают в нескольких цветовых обличиях.

Причиной различных окрасок является свет, то есть электромагнитные колебания, лежащие в определенном интервале длин волн. Человеческий глаз воспринимает только волны так называемого оптического диапазона – примерно от 400 до 700 нм. Эта область видимого света подразделяется на семь главных частей, каждая из которых соответствует определенному цвету спектра: красному, оранжевому, желтому, зеленому, голубому, синему, фиолетовому. При смешивании всех спектральных цветов получается белый цвет. Если, однако, какой-либо интервал длин волн абсорбируется, из смеси остальных цветов возникает определенная – уже не белая – окраска. Камень, пропускающий все длины волн оптического диапазона, кажется бесцветным; если же, напротив, весь свет поглощается, то камень приобретает самую темную из видимых окрасок – черную. При частичном поглощении света по всему диапазону волн камень выглядит мутно-белым или серым. Но если, наоборот, абсорбируются только вполне определенные длины волн, то камень приобретает окраску, соответствующую смешению оставшихся не поглощенными частей спектра белого света. Главными носителями цвета – хромофорами, обусловливающими окраску драгоценных камней, - являются ионы тяжелых металлов железа, кобальта, никеля, марганца, меди, хрома, ванадия и титана.

Цвет драгоценных камней зависит также от освещения, поскольку спектры искусственного (электрического) и дневного (солнечного) света различны. Существуют камни, на окраску которых искусственный свет оказывает неблагоприятное влияние (сапфир), и такие, которые при вечернем (искусственном) свете только выигрывают, усиливая свое сияние (рубин, изумруд). Но резче всего перемена цвета выражена у александрита: днем он выглядит зеленым, а вечером – красным.

Светопреломление - явление отклонения светового луча от первоначального направления.


Величина светопреломления всех кристаллов драгоценных камней одного и того же минерального вида постоянна (иногда она колеблется, но в пределах весьма узкого интервала). Поэтому числовое выражение этой величины – показатель преломления (часто называемой просто преломлением или светопреломлением) – используется для диагностики драгоценных камней. Показатель преломления определяется как отношение скоростей света в воздухе и в кристалле. Дело в том, что отклонение светового луча в кристалле вызывается именно уменьшением скорости распространения этого луча в оптически более плотной среде.

В алмазе свет распространяется в 2,4 раза медленнее, чем в воздухе. Без больших технических трудностей и затрат можно измерять светопреломление иммерсионным методом – погружая камень в жидкости с известным показателем преломления и наблюдая границы раздела. По тому, насколько светлыми и резкими кажутся контуры камня или ребра между фасетами, а так же по видимой ширине границ раздела можно довольно точно оценить показатель преломления драгоценного камня.

Дисперсия
Явление разложения белого света кристаллом на все цвета радуги называется дисперсией. Особенно велико значение цветовой дисперсии у алмаза, который именно ей обязан своей великолепной игрой цветов – знаменитым «огнем», составляющим главную прелесть этого камня.

Дисперсия бывает хорошо только у бесцветных камней. Природные и синтетические камни с высокой дисперсией (например, фабулит, рутил, сфарлерит, титанит, циркон) используются в ювелирном деле как заменители алмаза.




Поверхностные оптические эффекты: ветовые фигуры и цветовые переливы

Эффект «кошачьего глаза» присущ камням, представляющим собой агрегатам параллельно сросшихся волокнистых или игольчатых индивидов либо содержащим тонкие параллельно ориентированные полые каналы. Эффект возникает вследствие отражения света на таких параллельных срастаниях и состоит в том, что при повороте камня по нему пробегает узкая светлая полоска, вызывающая в памяти светящийся щелевидный зрачок кошки. Наибольшее впечатление от этого эффекта достигается, если камень отшлифован в форме кабошона, притом так, что плоское основание кабошона располагается параллельно волокнистой структуре камня.(рис.8)

Описание:


Астеризм –появление на поверхности камня световых фигур в виде светлых полосок, пересекающихся в одной точке и напоминающих звездные лучи; число этих лучей и угол их пересечения определяются симметрией кристаллов. По своей природе он аналогичен эффекту кошачьего глаза с той лишь разницей, что отражающие включения – тонкие волокна, иголочки или канальцы – имеют в разных участках различную ориентировку. Большое впечатление производят шестилучевые звезды у кабошонов рубина и сапфира.(рис.9)

Описание:


Адулярисценция –голубовато-белое мерцающее сияние лунного камня, драгоценной разновидности адуляра. Придвижении кабошона из лунного камня это сияние, или отлив, скользит по его поверхности.(рис.10)


Описание:

Иризация –радужная цветовая игра некоторых ювелирных камней, результат разложения белого цвета преломляющегося на мелких разрывах и трещинках в камне на спектральные цвета.(рис.11)

Описание: http://*****/optic14.jpg
 

«Шелк» -шелковистый блеск и переливы у некоторых драгоценных камней, вызванные присутствием в них параллельно ориентированных включений тонковолокнистых или игольчатых минералов либо полых канальцев. Весьма ценится у ограненных рубинов и сапфиров

Методы выращивания кристаллов


Первым монокристаллом, полученным в лаборатории, был наверное рубин. Для получения рубина накаливалась смесь безводного глинозема, содержащего большую или меньшую примесь едкого калия с фтористым барием и двухромокалиевой солью. Последняя прибавляется для того, чтобы вызвать окраску рубина, и берется в незначительном количестве окись алюминия. Смесь помещается в тигель из глины и накаливается (от 100 часов до 8 суток) в отражательных печах при температуре до 1500 о С. По окончании опыта в тигле оказывается кристаллическая масса, причем стенки покрыты кристаллами рубина прекрасного розового цвета.

Второй распространенный метод выращивания синтетических кристаллов драгоценных камней – способ Чохральского. Он заключается в следующем: расплав вещества, из которого предполагается кристаллизовать камни, помещают в огнеупорный тигель из тугоплавкого металла (платины, родия, иридия, молибдена, или вольфрама) и нагревают в высокочастотном индукторе. В расплав на вытяжном валу опускают затравку из материала будущего кристалла, и на ней наращивается синтетический материал до нужной толщины. Вал с затравкой постепенно вытягивают вверх со скоростью 1-50 мм/ч с одновременным выращиванием при частоте вращения 30-150 оборотов/мин. Вращают вал, чтобы выровнять температуру расплава и обеспечить равномерное распределение примесей. Диаметр кристаллов до 50 мм, длина до 1 м. Методом Чохральского выращивают синтетический корунд, шпинель, гранаты и др. искусственные камни.

Кристаллы могут расти так же при конденсации паров – так получаются снежинки узоры на холодном стекле. При вытеснении металлов из растворов солей с помощью более активных металлов так же образуются кристаллы. Например, в раствор медного купороса опустить железный гвоздь, он покроется красным слоем меди. Но образовавшиеся кристаллы меди настолько мелки, что их можно разглядеть только под микроскопом. На поверхности гвоздя медь выделяется очень быстро, поэтому кристаллы ее слишком мелкие. Но если процесс замедлить, кристаллы получатся большими. Для этого медный купорос надо засыпать толстым слоем поваренной соли, положить на него кружок фильтровальной бумаги, а сверху – железную пластинку диаметром чуть поменьше. Осталось налить в сосуд насыщенный раствор поваренной соли. Медный купорос начнет медленно растворяться в рассоле. Ионы меди (в виде комплексных анионов зеленого цвета) будут очень медленно, в течение многих дней, диффундировать вверх; за процессом можно наблюдать по движению окрашенной границы. Достигнув железной пластинки, ионы меди восстанавливаются до нейтральных атомов. Но так как процесс этот происходит очень медленно, атомы меди выстраиваются в красивые блестящие кристаллы металлической меди. Иногда эти кристаллы образуют разветвления – дендриты.

Практическая часть.

В имеющихся дома украшениях исследуем драгоценные и полудрагоценные камни, их виды и свойства.

Камень

Фото

Выделенные свойства

Рубин

Цвет: красно-розовый

Прозрачность: просвечивающийся, прозрачный

Блеск: стеклянный

Излом: раковистый, неровный, кристалл хрупкий

Обладает астеризмом

Александрит

Обладает эффектом кошачьего глаза

Цвет: желтоватый до коричневого

Степень прозрачности: прозрачный

Блеск: стеклянный

Излом: раковистый Светопреломление: высокое

Сапфир

Цвет: синий

Блеск: стеклянный

Прозрачность.: прозрачный до непрозрачного

Излом: раковистый

Обладает эффектом« кошачьего глаза»

Топаз

Цвет: бледно-голубой

Прозрачность: прозрачный

Блеск: стеклянный

Излом: раковистый

Обладает астеризмом и звёздностью

Фианит

Излом: неровный

Блеск: алмазный

Спайность: отсутствует

Дисперсия: присутствует

Цвет: прозрачный

Аметист

Цвет: красно-фиолетовый

Прозрачность: полупрозрачный

Блеск: стеклянный

Излом: раковистый

Жемчуг

Цвет: белый

Блеск: перламутровый

Излом: скорлуповатый

Прозрачность: не прозрачен

Выращивание кристалла из поваренной соли.

Инструкция по выращиванию кристалла:

1.  Подготовить насыщенный раствор поваренной соли.

2.  Вскипятить в ковше литр воды.

3.  Добавляем соли до тех пор, пока она не перестанет растворяться.

4.  Профильтровать полученный раствор.

5.  Поставить на батарею в банке.

6.  Поместили затравку: шерстяная нить.

7.  Через 8 дней появился кристалл.

В итоге у нас получилась следующая картинка:

Заключение

Познакомившись с миром кристаллов, понимаешь, что это очень интересно и занимательно. Кристаллы бывают не только природными, но и искусственными выращенные человеком. Так же мы узнали о драгоценных и полудрагоценных камнях. При проведении опытов по выращиванию кристалла поваренной соли, мы увидели разнообразие форм кристалла. При проведении практической части по характеристики драгоценных и полудрагоценных камней, мы открыли для себя много нового. При изучении и анализе литературы и научных статей, мы сделали вывод, что самый доступный способ получения искусственных кристаллов - из насыщенных растворов солей.

Зачем же создаю еще и искусственные кристаллы, если почти все твердые тела вокруг нас имеют кристаллическое строение? Потому что природные кристаллы зачастую малы, часто даже не однородны, и так же в них присутствуют нежелательные примеси. При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе. Несмотря на это, есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике, необходимы. Главное - что искусственно выращивая кристаллы, создают вещества, каких вообще нет в природе.

Список использованной литературы:

1.  Учебный справочник школьника. 2-е издание, Дрофа 2007.

2.  Смолеговский А. М Кристаллы. Просвещение, 1999

3.  Энциклопедический словарь юного физика. 1995

4.  Физика и Химия: Универсальная энциклопедия школьника. 1996

5.  Интернет

6.  Фильм «В глубь кристаллов»



Подпишитесь на рассылку:

Кристаллы

Проекты по теме:

Основные порталы, построенные редакторами

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства

Блокирование содержания является нарушением Правил пользования сайтом. Администрация сайта оставляет за собой право отклонять в доступе к содержанию в случае выявления блокировок.