Кристаллы в природе

составляют неполяризованный световой пучок. Особые кристаллы –

поляризаторы - преобразуют неполяризованный свет в линейно поляризованный,

поскольку они могут пропускать сквозь себя только волны, в которых вектор Е

ориентирован совершенно определённо по отношению к оптической оси

поляризатора. Например, кристалл турмалина пропускает сквозь себя лишь

свет, поляризованный вдоль оптической оси этого кристалла, в то время как

волны с перпендикулярной поляризацией им сильно поглощаются.

Если на пути светового пучка расположить два поляризатора, оси

которых параллельны, то свет пройдёт сквозь оптическую систему, показанную

на рис60а, а если оси поляризаторов скрещены, то свет сквозь эту систему

пройти не сможет (рис60б).

[pic]рис.60

Поместим теперь между двумя скрещёнными поляризаторами два стекла, а между

ними - нематическую жидкость, предварительно слегка пополировав стекла

вдоль определённого направления. Такая полировка стёкол нужна для того,

чтобы сориентировать в заданном направлении оптическую ось жидкого

кристалла (n). Например, при параллельной полировке стёкол молекулы,

прилипшие к стёклам параллельно микробороздам на стеклянной поверхности,

задают благодаря описанным межмолекулярным взаимодействиям такую же

ориентацию вектора n и в глубине слоя нематической жидкости (рис61а). Если

неполированные стёкла предварительно обработать специальными химическими

веществами, то можно добиться ориентации оси n перпендикулярно стеклянной

поверхности (рис61б).

Наконец, если полированные стёкла развернуть перпендикулярно друг другу, то

можно получить закрученную по толщине слоя ориентацию вектора n (рис61в).

Как же проходит поляризованный свет сквозь ориентированный слой

нематической жидкости и сквозь изображённые оптические системы вообще? Если

поляризация света параллельна оси n, то свет проходит сквозь жидкий

кристалл, не изменяя своей поляризации (61а). То же происходит и в случае,

если поляризация света перпендикулярна оптической оси (рис61б). В случае

закрученной ориентации n поляризация света также поворачивается вслед за

осью n (рис61в).

Что же происходит в слое жидкого кристалла при прохождении через него

света? В жидком кристалле, поле проходящей световой волны приводит к

разделению зарядов в молекулах и возникновению дипольных колебаний.

Предположим, что в молекуле кристалла электроны легко смещаются вдоль

длинной оси молекулы, то есть вдоль направления n. Тогда в случае,

изображённом на рисунке 61а, по толщине слоя распространяются падающая

волна и вторичные волны, причём векторы Е в волнах совпадают по

направлению. В случае, изображённом на рисунке 61б диполи не образуются и

вторичные волны не излучаются; значит, падающая волна проходит, не

ослабляясь. Наконец, в случае 61в поляризация света изменяет своё

направление в соответствии с поворотом оптической оси n по толщине слоя.

Поворот вектора Е в такт с осью n обеспечивает излучение вторичных волн, не

ослабляемое на любой глубине слоя. (это интерференционное явление возможно

тогда, когда на пути светового луча находятся многочисленные диполи -

источники вторичных волн, то есть когда толщина слоя намного больше длины

волны света).

Так свет проходит сквозь слой нематической жидкости и доходит до второго

поляризатора. И здесь возникает уже знакомая нам ситуация. В случаях а и б

(рис61) свет сквозь оптическую систему пройти не может, а в случае в

(рис61) он проходит беспрепятственно. А теперь представим себе

промежуточный случай, когда оси n на стенках скрещены между собой, но в

толще слоя, благодаря какому-то воздействию, они повернулись почти

перпендикулярно стёклам. В этой ситуации свет практически не проходит

сквозь второй поляризатор. Остался ещё один шаг до массового применения

подобной системы. Надо научится управлять оптической осью нематической

жидкости так, чтобы в отсутствии воздействия эта ось ориентировалась, как

на рисунке 61в, а при включении воздействия она наклонялась на заметный

угол, как на рисунках 61,б и г. После выключения воздействия, молекулы

занимают свои прежние позиции, вследствие условий на стеклянных

поверхностях и взаимодействий между собой.

Оказалось, что именно в нематическом жидком кристалле это очень просто

сделать с помощью электрического поля, заключив слой между полированными

стёклами, на которые нанесены прозрачные электроды.

[pic] рис.61

Подключив к этим электродам слабенькую батарейку и замкнув цепь, мы сделаем

нашу оптическую систему светонепроницаемой, а разомкнув цепь – прозрачной,

что и осуществил впервые Фредерикс.

Почему электрическое поле поворачивает молекулы так, как нам нужно, и сколь

сильным оно при этом должно быть?

Ответ на первую часть вопроса легко дать с помощью рисунка 62.

Пусть молекула, у которой диполь легко образуется вдоль длинной оси,

находится в электрическом поле и между векторами Е и n имеется

некоторый угол. Тогда в образовавшемся диполе на заряды +Q и –Q действуют

силы F+ =+QE и F- = -QE; таким образом, возникает пара сил, создающая

крутящий момент.

Этот момент сил и поворачивает молекулу так, чтобы она своей длинной осью

ориентировалась вдоль вектора Е.

[pic]рис.62

Здесь важно заметить, что на самом деле необходимо повернуть

одновременно очень большое число таких молекул, но при этом нет

необходимости поворачивать каждую молекулу в отдельности. Поскольку

молекулы, взаимодействующие между собой, ориентированы одинаково, то

достаточно толкнуть одну, чтобы другие дружно повернулись вслед за первой.

Поэтому для осуществления описанного эффекта необходимое некоторое

конечное значение разности потенциалов на электродах – пороговое

напряжение. Это пороговое значение определяется из условия равенства

моментов двух сил: силы, действующие со стороны электрического поля, и

возвращающей силы взаимодействия между молекулами, которая стремится

ориентировать молекулы так, как сориентированы молекулы, прилипшие к

стеклу. Оказывается, что независимо от толщины слоя, пороговое напряжение

может составлять доли вольта, причём толщина слоёв составляет сотую долю

миллиметра. Это во много раз меньше, чем требуется для получения таких же

оптических эффектов в твёрдых кристаллах, что и обусловило громадный

практический интерес к жидким кристаллам при создании циферблатов

всевозможных типов.

7.6.Избирательное отражение света холестериками

Важнейший оптический эффект, наблюдаемый в холестерической жидкости,

заключается в избирательном отражении света слоем холестерика.

Холестерические плоскости, как и обычные кристаллические плоскости, могут

отражать падающие на них волны. Волны, отражённые разными плоскостями,

могут при интерференции, и ослаблять, и усиливать друг друга. Если свет

падает перпендикулярно плоскостям, то условие усиления таково: между

соседними эквивалентными плоскостями должно укладываться строго пол волны

падающего света. Мы хотим, чтобы колебания, отражённых от первой и второй

плоскостей, проходили в одинаковых фазах, то есть значение электрического

поля Е в каждой точке и в любое время были одинаковы. При этом амплитуда

Ео обеих волн складываются - происходит усиления света. Так будет если

волна 2 (рис64,б), вошедшая в кристалл, на пути от первой ко второй

плоскости и обратно отстанет от волны 1 ровно на длину волны ?. Но в

холестерике такие плоскости находятся на расстоянии h/2 друг от друга.

Поэтому условие усиления в данном случае есть h/2=?/2, или h=?.

Свойство холестерика отражать свет с избранной длинной волны (h=?)

обуславливает соответствующую окраску вещества, которая зависит от шага

холестерической спирали. А шаг спирали очень сильно зависит от температуры.

Обычно вещество при высокой температуре (в изотропном состоянии) бесцветно,

затем, в момент перехода в холестерик (при меньшей температуре), синеет и

при дальнейшем понижении температуры последовательно приобретает все цвета

спектра, от синего до красного. Это означает, что по мере охлаждения

холестерической жидкости шаг спирали увеличивается, а при нагревании -

уменьшается. Такое поведение холестерической спирали нетрудно объяснить.

В силу особенностей взаимодействия молекул с отростками оси n1 и n2

не могут образовать между собой слишком малый угол. Но с повышением

температуры в результате тепловых колебаний молекул в каждом нематическом

слое увеличивается разброс молекулярных ориентаций относительно выделенного

направления n. Оси отдельных молекул в нематическом слое оказываются не

параллельными выделенному направлению n. Поэтому при нагревании угол между

осями n1 и n2 соседних слоёв должен увеличиваться, чтобы тепловые колебания

не приводили к критическому угловому сближению молекул. Увеличение угла ?,

характеризующего закручивание осей n в пространстве, и вызывает уменьшение

шага холестерической спирали по мере увеличения температуры.

Выше описанное явление лежит в основе широкого применения

холестериков в качестве простых и эффективных термоиндикаторов для

медицинской диагностики, отыскания повреждений в сложных электронных

схемах, контроля температурного поля в лопатках турбин и т. п. Сейчас

синтезированы холестерические вещества, в которых весь спектр цветов, от

красного до синего, наблюдается при изменении температуры всего на 0,01

градуса, что говорит о большой чувствительности устройств на их основе. Шаг

холестерической спирали также очень чувствителен к содержанию примесей в

холестерике, и поэтому эти вещества могут служить надёжными индикаторами

загрязнений в атмосфере.

Нематические жидкости нашли широкое применение и в совсем другом плане.

Оказывается, полимерные нити, получаемые из хорошо ориентированного

нематического раствора полимерных молекул, приобретают огромную прочность.

Это объясняется тем, что в таких нитях практически все молекулы хорошо

«подогнаны» друг к другу, то есть их главные оси параллельны между собой, а

это многократно усиливает межмолекулярные сцепления. Такие полимерные нити

служат прекрасным средством упрочнения самых ответственных узлов в

механизмах, машинах и аэрокосмических конструкциях, работающие при очень

высоких температурах и нагрузках.

7.7 Оптические свойства.

В 1669 году ученый Э.Бартолин сообщил о своих опытах с необычными

прозрачными кристаллами, привозимыми моряками из Исландии. Он обнаружил,

что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча. Так

было обнаружено явление двойного лучепреломления. Через 20 лет Х. Гюйгенс

исследовал свойства исландского шпата и дал объяснение этого явления на

основе волновой теории света. Он вёл понятие оптической оси кристалла,

превращение вокруг которой отсутствует анизотропия. Дальнейшие исследования

Гюйгенса подвели к открытию явления поляризации света. Французские физики

Э.Маллюса-Брюсса в 1808 году, опираясь на корпускулярную теорию света

Ньютона ввели понятия – поляризованный свет. Для исследования

электромагнитной волны с определённой волной используют поляризатор. В их

роли выступает тот же кристалл исландского шпата или турмалина.

Для исследования строения кристаллов используют явления дифракции

рентгеновских лучей и нейтронов. Длина волны рентгеновского излучения

соизмерима с межатомными. Если на кристалл направить рентгеновские лучи, то

возникнет дифракционная картина, которую в 1912 году наблюдал Лауэ.

VIII. ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Проведём эксперимент по выращиванию кристаллов из пересыщенного

раствора путём охлаждения зимой.

Приготовим насыщенный раствор, и в домашних условиях будем выращивать

кристалл из каменной соли:

1. Нагреем воду до кипения и выльем 1 литр воды в ёмкость и растворим 2

кг соли.

2. Отфильтруем раствор.

3. Остудим раствор до комнатной температуры(15°С), где после остывания

будет находиться 100 г избыточного количества соли.

4. Из соли выберем самый большой и прозрачный кристалл, прикрепим к

искусственной ёлке.

5. Опустим эту ёлочку в наш раствор. И исследуем.

Рассмотрим такую таблицу:

|дни | Температура °С |Кол-во воды в л.| наблюдения |

|1 день | 15 | 0,9 |Появились кристаллики на верхушке|

| | | |елки. |

|2 день | 15 | 0,8 |Кристаллики появляются ещё в |

| | | |некоторых местах. |

|3 день | 10 | 0,8 |Кристаллизация прекратилась. |

|4 день | 10 | 0,75 |кристаллизация не наблюдалась |

|5 день | 10 | 0,7 |Кристаллизация началась с |

| | | |верхушки. |

|6 день | 15 | 0,6 |Интенсивно началась |

| | | |кристаллизация. |

|7 день | 15 | 0,65 |Кристаллизация началась сверху |

| | | |вниз. |

|8 день | 20 | 0,55 |Начался кристаллизоваться низ |

| | | |елки. |

|9 день | 20 | 0,45 |Отчетливо видны кристаллики. |

|10 день | 20 | 0,3 |Вся елка была в кристаллах. |

|11 день | 20 | 0,2 |Кристаллики стали увеличиваться. |

|12 день | 15 | 0,2 |Кристаллизация прекратилась. |

|13 день | 15 | 0,15 |Кристаллики начали увеличиваться,|

| | | |но незначительно. |

|14 день | 15 | 0,1 |Кристаллизация почти |

| | | |прекратилась. |

|15 день | 15 | - |Кристаллизация прекратилась. |

Теперь проведём такой же опыт летом с медным купоросом. 200мл воды

добавим 350г медного купороса. При температуре 25°С кристалл вырос за

сутки.

Можем сделать вывод, что растворимость любах веществ зависит от

температуры. Растворимость с повышением температуры увеличивается, а с

понижением – уменьшается.

Но так как эти опыты проводились в лабораторных условиях, то

кристаллики были с дефектами. Для создания более совершенных кристаллов,

необходимо обеспечить другие условия, такие как: повышенную температуру,

определённую влажность и давление.

КРИСТАЛЛЫ В ЖИЗНИ

Оптика. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный

бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и

полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими

свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том

числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления

искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не

отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ,

пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор

применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Диэлектрики. Один из способов контроля ответственных деталей

механизмов и машин – ультразвуковая дефектоскопия. Главный элемент УЗД

дефектоскопа – кварцевая пластинка. Отраженная дефектом звуковая волна

создает переменное электрическое поле (Эффект Холла). Пьезоэлектрический

эффект в сильной степени проявляется в кристаллах титана, свинца, его

производных. Такие кристаллы – основа пьезоэлектрических микрофонов и

телефонов. Они преобразуют давление в электродвижущую силу в манометрах,

служат для стабилизации частоты радиопередатчиков, измерения механических

напряжений и вибраций.

Сегнетоэлектрики. Кристаллические вещества, обладающие уникальными

свойствами, например, способностью к самопроизвольной электрической

поляризации, которая может возникать даже в отсутствии внешнего поля.

Впервые это свойство было обнаружено И.В. Курчатовым и П.П.Кобяко при

исследовании кристаллов сегнетовой соли (NaKC4H4O6*4H2О). Сегнетоэлектрики

характеризуются анизотропией. Температура, ограничивающая область

сегнетоэлектрических свойств – точка Кюри. Причина таких свойств

сегнетоэлектриков – взаимодействие входящих в них кристаллы молекул

приводит к самопроизвольной поляризации диэлектриков. Важное практическое

значение - емкость конденсатора пропорциональна ? диэлектрика, помещенного

между обкладками. Поэтому используя диэлектрик с большой ? можно получить

малогабаритные конденсаторы. В технике применяют сегнетоэлектрические

конденсаторы на основе титаната бария, у которого точка Кюри примерно

133°С, диэлектрическая проницаемость ? примерно равна 6000 – 7000.

Полупроводниковые кристаллы позволяют создавать сложные электронные

полупроводниковые приборы, интегральные схемы. Новая область техники

называют твердотельной электроникой.

Лазерная технология. В 1955 году Басов, Прохоров, Таунсон (США)

создают генератор квантов электромагнитного излучения (мазер)

сантиметрового диапазона. А в 1960г. Мейманом запущен первый генератор

оптического диапазона. Важнейшую роль в получении лазерного луча играл

кристалл рубина (Al2O3) с добавкой хрома. Лазеры нашли широкое применение в

промышленности для различных видов обработки материалов, сверление

отверстий, сварки тонких изделий. Основная область применения маломощных

импульсных лазеров с микроэлектроникой, в электровакуумной промышленности,

машиностроении, медицине.

В настоящее время электронная промышленность предъявляет к

(германию, кремнию, антимонид индию, антимонид галлию, арсенид галлию,

гранатам, лейкосапфирам) материалам очень высокие требования: необходимо

монокристаллы с малой радиальной и осевой неоднородностью распределение

легирующей примеси с плотностью дислокаций. Производство подобных

материалов в наземных условиях затрудняется из-за неконтролируемого

характера гравитационной конвекции, температурных напряжений, влияния

стенок тигля. Именно поэтому мы можем ждать существенного улучшения свойств

кристаллов при их выращивании в невесомости.

Для проведения технологических экспериментов с материалами в

космосе созданы специальные электронагревательные установки.

Список литературы

1.Банн Ч.Кристалл. Их роль в природе и науке.-М.,1970г.

2.Вейль Г.Симметрия.-М.,1968г.

3.Шубников А.В. и Парвов В.Ф. Зарождение и рост кристаллов.-М.,1999г.

4.Китайгородский А.И. и Федин Э.И. Атомное строение и свойства твёрдых

тел.-М.,1963г.

5.Даниленко В.М. Что такое твёрдое тело?-Киев,1983г.

6.Холден А. Что такое ФТТ. Основы современной физики твёрдого тела.-

М.,1971г.

7.Ходаков Ю.В.Архитектура кристаллов.-М.,1980г.

8.Детлаф А.А.Курс физики.-М.,1973г.

9.Бушманов Б.Н., Хромов Ю.А. Физики твёрдого тела.-М.,1971г.

10.Вайнберг Д.В., Писаренко Г.С.Механические колебания и их роль в технике-

М.,1977г.

11.Уэрт Ч., Томсон Р.Физика твёрдого тела.-М.,1989г.

12.Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М.Фейнмановские лекции по физике.-М.,1966г.

13.Киренский Л.В.Магнетизм.-М.,1992г.

14.Карцев В.П. Магнит за три тысячилетия.-М.,1968г.

15.Вонсовский С.В. Мегнетизм.Современные представления.-М.,1993г.

16.Кабардин О.Ф. Факультативный курс физики.-М.,1974г.

17.Пикин С. Жидкие кристаллы.-М.,1981г.

18.Галиулин Р.В. Как устроены кристаллы.-М.,1983г.

19.Брук Ю.М.,ГеллерБ.И. Белые карлики-кристаллические звезды.-М.,1987г.

20.Осипьян Ю.Я., Никитенко В.И. Дислокационная физика твердого тела.-

М.,1985г.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7