Міжнародний фестиваль«Зірки Нового Століття» - 2016

Природні науки (від 8 до 10 років)

Вирощування кристалів у домашніх умовах

Щербаков Савелій, 8 років

учень 1-го класу

Керівник роботи:

Вступ................................................. .............................................. 3

Глава 1. Що таке кристал............................................ ..................... 4

1.1. Поняття кристал, його види…………………………….…….4

1.2. Де застосовують кристали................................ ….……...6

Глава 2. Вирощування кристалів у домашніх умовах.............. 7

2.1. Анкетування однокласників на тему роботи............... 7

2.2. Практична частинароботи………...………….….....………..8

Висновок................................................. ......................................... 10

Список використаної литературы............................................... 11

Додаток………………..……………………………………...………12

Вступ

Актуальність дослідження полягає в тому, що вирощування кристалів - цікаве заняття і, мабуть, найдоступніше для молодих фізиків.

Хто з нас не милувався формою та кольором дорогоцінного каміння, ідеальною та неповторною формою сніжинок? У чому причина цієї краси та напрочуд точної форми?
Давно було помічено, деякі тверді тіла зустрічаються у природі як кристалів – тіл, грані яких є правильні багатокутники. Однак дрібнокристалічні речовини зустрічаються дуже часто. Так, наприклад, майже всі гірські породи: граніт, піщаник та вапняк – кристалічні.

Цільнашого дослідження – навчиться вирощувати кристали мідного купоросу.

Для досягнення цієї мети нам потрібно вирішити наступні завдання:

1. Дізнатися, що таке кристали;

2. Вивчити процес вирощування кристалів;

3. Виростити кристал із мідного купоросу.

Гіпотеза:ми припускаємо, що кристали мідного купоросу можна виростити вдома.

Об'єкт дослідження:кристали.

Предмет дослідження:вирощування кристалів мідного купоросу

Методи дослідження:

- теоретичний:вивчення інформаційних джерел;

- емпіричний:анкетування, проведення експерименту;

- математичний: спостереження та узагальнення отриманих даних.

Розділ 1. Що таке кристали

Кристал - це тверде тіло природного походження або освічене лабораторних умов, Що має форму правильного багатогранника Правильність форми кристала заснована на його внутрішній структурі - частинки речовини, з яких складається кристал (молекули, атоми та іони), розташовуються в ньому в певній закономірності і утворюють тривимірне просторове укладання, що періодично-повторюється, інакше звану «кристалічної решіткою».

1.1. Поняття кристал, його види

У природі часто зустрічаються тверді тіла, що мають форму правильних багатогранників. Такі тіла назвали кристалами. Поверхня таких фігур обмежена досконалими площинами - гранями, що перетинаються прямими лініями ребрах. Крапки перетину ребер утворюють вершини.

Види та типи кристалів

Вчені, які займаються вивченням кристалів, розрізняють такі поняття, як «кристал ідеальний» та «кристал реальний».

Ідеальний кристал – це якась абстрактна математична моделькристала, в якій йому приписується абсолютно правильна форма, що відповідає його кристалічній решітці, повна симетрія та ідеально рівні грані. Простіше кажучи, ідеальний кристал - це кристал з повним наборомвсіх якостей, властивостей та характеристик, властивих даному видукристалів.

Реальний кристал – це той кристал, що існує насправді. На відміну від ідеального, він має деякі дефекти внутрішньої структури, грані його не бездоганні, а симетрія знижена. Але за всіх цих недоліках у реальному кристалі зберігається те головне властивість, що робить його кристалом – частки у ньому розташовуються у закономірному порядку.

Поняття "рідкий кристал"

Все частіше ми стали зустрічатися з терміном рідкі кристали. Ми всі часто з ними спілкуємось, і вони грають чимало важливу рольу нашому житті. Багато сучасні приладита пристрої працюють на них. До таких відносяться годинник, термометри, дисплеї, монітори та інші пристрої. Що ж це за речовини з такою парадоксальною назвою "рідкі кристали" і чому до них проявляється такий значний інтерес? В наш час наука стала продуктивною силою, і тому, як правило, підвищена науковий інтересдо того чи іншого явища або об'єкта означає, що це явище або об'єкт представляє інтерес для матеріального виробництва. У цьому плані є винятком і рідкі кристали. Інтерес до них, перш за все, обумовлений можливостями їх ефективного застосуванняу ряді галузей виробничої діяльності. Використання рідких кристалів означає економічну ефективність, простоту, зручність.

Походження кристалів:

· Природні (натуральні) кристали зароджуються і виростають у надрах Землі протягом тривалого часу в умовах надвисоких температур та величезного тиску.

· Штучні кристали люди навчилися вирощувати у лабораторіях, а й у домашніх умовах.

Найбільші кристали знайшли в 2000 році в Печері кристалів у шахтовому комплексі Найка, в мексиканському штаті Чіуауа. Деякі зі знайдених там кристалів гіпсу досягають 15 метрів завдовжки, а завширшки - 1 метр. Відомий своїми гігантськими, метровими, кристалами сподумен, в 1914 було опубліковано повідомлення, що в руднику Етта, Південна Дакота колись був знайдений кристал сподумена завдовжки 42 фути (12,8 м) і вагою 90 тонн.

1.2. Де застосовують кристали

Потреба у кристалах у світі дуже висока. Десятки тисяч тонн різноманітних кристалів вирощуються щороку.

Область застосування кристалів дуже велика:

1. У комп'ютерах та мобільних телефонах;

2. Аудіо- та відеотехніка;

3. Без кристалів не можуть працювати багато складних сучасних пристроїв для обробки, передачі та зберігання інформації;

4. Кристали застосовуються для трансформації одного виду енергії на інший;

5. Кристали потрібні для створення когерентних та керування лазерним випромінюванням;

6. Пишність кристалів з давніх-давен надихає людей на створення найкрасивіших ювелірних прикрас та декоративних виробів;

7. Кристали необхідні обробки поверхонь;

8. Рідкі кристали застосовуються в різноманітних керованих екранах, оптичних затворах, плоских телевізійних екранах.

Розділ 2. Вирощування кристалів у домашніх умовах

Вирощування кристалів – процес дуже цікавий, але досить довгим.

2.1. Анкетування однокласників на тему роботи

Перед тим, як розпочати практичну частину роботи, нам стало цікаво – а що мої однокласники знаю про кристали.

Нами була складена анкета, яка включала наступні питання:

1. Чи траплялося вам чути слово кристал?

2. Які кристали вам знайомі?

3. Чи можна кристали виростити вдома?

В опитуванні брали участь 23 учні нашого класу.

На 1 запитання «Чи траплялося Вам чути слово кристал» 20 хлопців відповіли «так», а 3 – «ні». Дані наведено у Додатку 1.

На 2 питання «Які кристали Вам знайомі» 19 хлопців відповіли смарагд та діамант, 18 – алмаз та 16 – рубін. Дані наведено у Додатку 2.

На 3 питання «Чи можна виростити кристали будинку?» 15 хлопців відповіли «так», а 8 – «ні». Дані наведено у Додатку 3.

Вивчаю отримані дані, можна дійти невтішного висновку, що багато хлопці нашого класу знайомі з поняттям кристал і знають, що можна виростити кристали в домашніх умовах.

2.2. Практична частина роботи

Самостійно виростити кристали можна з наступних речовин:

Ø сіль кухонна;

Ø сіль кухонна з додаванням розчину діамантової зелені (зеленки);

сіль морська;

Ø мідний купорос;

Ø залізний купорос.

Для нашої роботи ми вибрали мідний купорос.

Мідний купорос відноситься до речовин, кристали якого легко виростити в домашніх умовах. Вирощування кристалів мідного купоросу - процес, що не потребує якогось особливого обладнання та спеціальної технічної підготовки.

Весь процес вирощування можна поділити на кілька етапів.

Етап 1: Приготування розчину.

У підігріту воду поступово додаємо порошок мідного купоросу. Додаємо порошок доти, доки не будемо впевнені, що він уже не розчиняється (такий розчин називається насичений).

УВАГА! Концентрований розчин мідного купоросу не повинен попадати на руки, тому використовуйте рукавички. Розчин не можна пити. Якщо розчин потрапить на руки, помийте це місце під краном з водою, не допускайте попадання в очі. Якщо потрапить – промийте під водою та зверніться до лікаря.

Рис. 1 – приготування насиченого розчину мідного купоросу.

DIV_ADBLOCK420">

День другий: кристал зріс довжиною понад 1 см. День третій: кристал збільшився завдовжки до 2 см.

Рис. 4 – День другий Мал. 5 – День третій.

Такі кристали можна використовувати як прикраси, наприклад, рамки для фотографій або інших предметів.

Висновок

При виконанні цієї роботи ми з'ясували, що світ кристалів гарний та різноманітний. В результаті проведених досліджень гіпотеза повністю підтверджується: нам удалося виростити кристали мідного купоросу в домашніх умовах.

Кристал росте тому, що вода з насиченого розчину поступово випаровується, а кристалічна речовина переходить з рідкого стану в тверде, тому що «цеглинки» притягуються один до одного і самостійно займають своє місце. Для того щоб виростити великі та красиві кристали, не можна при зростанні без особливої ​​причини виймати їх із розчину. Не можна допускати попадання сміття в насичений розчин, це може сповільнити зростання кристала (або кристал взагалі не виростить). При вирощуванні кристалів необхідно дотримуватись правил техніки безпеки, користуватися рукавичками, окулярами і виконувати всі операції під наглядом дорослих. Адже більшість речовин, що використовуються при вирощуванні кристалів, є отруйними.

Використана література:

1. Вирощування кристалів у домашніх умовах. Режим доступу: http:///

2. Кристали. Режим доступу: https://ua. Wikipedia. org/wiki/

3. Застосування кристалів. Режим доступу: http://www. /presentations/

4. Як виростити гарні кристали у себе вдома. Режим доступу: http://www. domsovetof. ru/

Програми

Додаток 1 – Результати відповіді на 1 запитання «Чи траплялося Вам чути слово кристал».

Додаток 2 - Результати відповідей на 2 питання "Які кристали Вам знайомі"

Додаток 3 – Результати відповідей на 3 запитання «Чи можна кристали виростити вдома»

Кристали та кристалічні матеріали знаходять застосування у багатьох приладах та пристроях, з якими ми стикаємося щодня. Кристали використовуються: У комп'ютерах та мобільних телефонах, Аудіо- та відеотехніці. Без кристалів не можуть працювати багато складних сучасних пристроїв для обробки, передачі та зберігання інформації. Кристали застосовуються для трансформації одного виду енергії в інший . Кристали необхідні обробки поверхонь. Потреба в кристалах у світі дуже висока Десятки тисяч тонн різноманітних кристалів вирощуються щорічно, і фахівці зі зростання та дослідження кристалів постійно потрібні як у нас у країні, так і за кордоном. Роботи зі створення технологій кристалічних матеріалів входять до Переліку Пріоритетних напряміврозвитку науки, технологій та техніки Російської Федерації, Затверджений Президентом РФ.

Використання алмазів Так виглядають діамантові різці для обробки контактних лінз. У промисловості часто використовують інструменти, покриті алмазним порошком. Міцність алмазу робить його найбільш підходящим матеріалом, який застосовується при виготовленні тонкого дроту, зокрема ниток розжарювання електричних ламп.

Хоча майже всі дорогоцінні камені дряпають скло, успішно відрізати смужку скла можна тільки алмазом. Алмазний склоріз Два ребра кристала сходяться під гострим кутом. Цим вимогам найкраще відповідають два ребра ромбододекаедра. .

Лазер Лазер (англ.) – це посилення світла внаслідок вимушеного випромінювання. Основа лазера – рубіновий стрижень. Торці його строго паралельні один до одного. Працює в імпульсному режимі на довжині хвилі 694 мм (темно-вишневе світло), потужність випромінювання може досягати імпульсу 106-109 Вт.

Найважливішу роль отриманні лазерного променя грає кристал рубіна (Al2O3) з добавкою хрому. На схемі позначено:1. Робоче середовище2. Енергія накачування лазера3. Непрозоре дзеркало4. Напівпрозоре дзеркало5. Лазерний промінь Лазери знайшли широке застосування в промисловості для різних видівобробки матеріалів: Свердління отворів зварювання тонких виробів. Основна сфера застосування малопотужних імпульсних лазерів з мікроелектронікою: В електровакуумній промисловості Машинобудування Медиці.

Невеликий лазер, проте може пропалити матеріали різного типуі на досить великій відстані. Як джерело живлення використовується 8 досить немаленьких батарейок. Їх вистачить на 100 пострілів. Потужність вихідного потоку – 3 Дж/с.

Кварцовий годинник - годинник, в якому в якості коливальної системи застосовується кристал кварцу. Висока твердість рубінів, чи корундів, зумовила їх широке застосування у промисловості. З 1 кг синтетичного рубіну виходить близько 40 000 опорних каменів для годинника. Незамінними виявилися рубінові стрижні-нитководці на фабриках з виготовлення хімічного волокна. Вони практично не зношуються. Ниткопровідники з самого твердого скла при протяжці через них штучного волокна зношуються за кілька днів.

Рідкі кристали. Це незвичайні речовини, які поєднують у собі властивості кристалічного твердого тіла та рідини. Подібно до рідин вони текучи, подібно кристалам володіють анізотрепією. .

Будова молекул рідких кристалів така, що кінці молекул дуже слабо взаємодіють один з одним, водночас бічні поверхнівзаємодіють дуже і можуть міцно утримувати молекули у єдиному ансамблі. Рідкі кристали: смектичні (ліворуч) і холестеричні (праворуч) Рідкі кристали було відкрито ще 1888 року. Але практичне застосуваннявони знайшли лише тридцять років тому. «Рідкокристалічним» називають перехідний стан речовини, при якому вона набуває плинності, але при цьому не втрачає свою кристалічну структуру.

Найбільший інтерес для техніки представляють рідкі холестеричні кристали. Вони напрям осей молекул у кожному шарі трохи відрізняється друг від друга. Кути повороту осей залежать від температури, а від кута повороту залежить фарбування кристала. Ця залежність використовується в медицині: можна безпосередньо спостерігати розподіл температури поверхнею людського тіла. Рідкокристалічний термометр у вигляді колірної індикаторної смужки.

Літерно-цифрові індикатори електронного годинника, мікрокалькуляторів. Потрібна цифра чи літера відтворюється за допомогою комбінації невеликих осередків, виконаних у вигляді смужок. Кожна комірка заповнена рідким кристалом і має два електроди, на які подається напруга. Залежно від величини напруги, «загоряються» ті чи інші осередки.

труктура рідких кристалів - розчинів має значення для життєдіяльності організму: для циркуляції крові перенесення нею кисню функціонування клітин мозку до роботи різноманітних клітинних мембран. Дефекти структур мембрани призводять до захворювання організму. Утворення холестеричних і рідкісних смектичних кристалів у крові викликає серцево-судинні захворювання. При несприятливій концентрації різних компонентівв жовчі утворюються спочатку не повністю тверді кристали, а потім і каміння.

Рідкі кристали застосовуються в різноманітних керованих екранах, оптичних затворах, плоских телевізійних екранах. Екран ЖК-телевізора є, якщо можна так висловитися, багатошаровий «сендвіч».

Напівпровідники Багато кристалів є хорошими провідниками електрики, як метали, та їх можна віднести і до діелектрикам, т.к. вони не є хорошими ізоляторами. Це напівпровідники. 4/5 маси земної кори: германій, кремній, селен та ін, безліч мінералів, різні оксиди, сульфіди - є напівпровідниками.

Напівпровідники в мікроелектроніці Під впливом температури, освітлення змінюється питома електричний опірнапівпровідник. На цьому явищі засновано роботу термісторів, фоторезисторів. Виготовляють фоторезистори із сірчистого свинцю, сірчистого кадмію, селенистого кадмію, що мають кристалічну структуру. Фоторезистори знаходять широке застосування: 1.Контроль за запиленістю та задимленістю приміщень 2.Автоматичні вимикачі вуличного освітлення 3.Турнікети в метрополітені 4.Сортування та рахунок готової продукції 5.Контроль якості та готовності різних деталей.

Винятково малі розміри напівпровідникових приладів (іноді всього декілька міліметрів), довговічність, пов'язана з тим, що їх властивості мало змінюються з часом, можливість легко змінювати їх електропровідність дають широкі можливості для використання напівпровідників. Терморезистор нового покоління бездоганно забезпечує спрацьовування за заданої температури.

Інтегральні мікросхеми Це сукупність великої кількостівзаємопов'язаних компонентів – транзисторів, діодів, резисторів, конденсаторів, сполучних проводів, виготовлених однією кристалі. На пластинку з напівпровідника (кристали кремнію) послідовно наносяться шари домішок, діелектриків, напилюються шари металу. На одному кристалі формується кілька тисяч електричних приладів. Розміри такої мікросхеми зазвичай 5,5 мм, а окремих мікроприладів – близько 10-6 м. Сучасний процесор Pentium-4 складається з 42 млн транзисторів. .Інтегральні мікросхеми-(дві фотографії зліва), і частина ядра Pentium ММХ (фотографія праворуч)

П'єзоефект Якщо з кристала кварцу (кварц-діелектрик) вирізати певним чином пластинку і помістити її між двома електродами, то при стисканні кварцової пластинки на електродах з'являться рівні за величиною, але різні за зарядами. П'єзоелектричний ефект у сильного ступеняпроявляється у кристалах титану, свинцю, його похідних. Такі кристали – основа п'єзоелектричних мікрофонів та телефонів. Вони перетворять тиск на електрорушійну силув манометрах, служать для стабілізації частоти радіопередавачів, вимірювання механічних напруг та вібрацій.

Джерела світла У сучасних світлових джерелах холодне світло від прожектора по кабелях скловолокна проходить до світлового наконечника (кристалу), який дає спрямований потік світла, вільного від ультафіолетового та інфрачервоного випромінюванняі, отже, сприятливого на око. Для декоративного світлового відображення застосовуються грановані кристали, що мають гострі, напівкруглі та круглі форми.

Ітак..... На сьогоднішній день можна сміливо стверджувати: без кристалів більша частинасфер діяльності людини стане неможливим, у зв'язку з величезною областю їх використання. Одні кристали використовують для чіпів, лазерів, ювелірні виробидля нано електронних пристроїв. З інших роблять термо індикатори, рецептори, імплантати, підшипники, годинні скла, скальпелі, оптичні стекла. Треті призначені для оптичних комп'ютерів, люмінофорів, сцинтиляторів, дисплеїв ноутбуків.

Кристали - сині, зелені, червоні, прозорі, з металевим блиском, самосвітлі, магнітні, електричні, що звучать, що вібрують, надтверді і навіть рідкі, надміцні і пластичні, проникні, як сито, що змінюють свій колір і форму, ограновані, пластинчасті і навіть волокнисті і деревоподібні. Все це фізика твердого тіла та багатогранники!

Застосування кристалів у науці та техніці

Застосування кристалів у науці та техніці настільки численні та різноманітні, що їх важко перерахувати. Тому обмежимося декількома прикладами.

Найтвердіший і рідкісний із природних мінералів - ал-маз. Сьогодні алмаз насамперед камінь-працівник, а не камінь-прикраса.

Завдяки своїй винятковій твердості алмаз грає величезну роль у техніці. Алмазними пилками розпилюють каміння. Алмазна пилка - це великий (до 2-х метрів в діаметрі) сталевий диск, що обертається, на краях якого зроблені надрізи або зарубки. Дрібний порошок алмазу, змішаний з якоюсь клейкою речовиною, втирають у ці надрізи. Такий диск, обертаючись із великою швидкістю, швидко розпилює будь-який камінь.

Колосальне значення має алмаз під час буріння гірських порід, в гірничих роботах.

У граверних інструментах, ділильних машинах, апаратах для випробування твердості, свердлах для каменю та металу вставлені алмазні вістря.

Алмазним порошком шліфують і полірують тверді камені, закаленную сталь, тверді і надтверді сплави. Сам алмаз можна різати, шліфувати та гравірувати теж лише алмазом. Найбільш відповідальні деталі двигунів в автомобільному та авіаційному виробництві обробляють алмазними різцями та свердлами.

Рубін і сапфір відносяться до найкрасивіших і найдорожчих дорогоцінного каміння. У всіх цих каменів є й інші якості, скромніші, але корисні. Криваво-червоний рубін і блакитно-синій сапфір - це рідні брати, це взагалі один і той же мінерал - корунд, окис алюмінію А12О3. Різниця в кольорі виникла через дуже малі домішки в окисі алюмінію: нікчемна добавка хрому перетворює безбарвний корунд на криваво-червоний рубін, окис титану - на сапфір. Є корунди та інших кольорів. Є в них ще зовсім скромний, непоказний брат: бурий, непрозорий, дрібний корунд - наждак, яким чистять метал, з якого роблять наждачну шкірку. Корунд з усіма його різновидами - це один з найтвердіших каменів на Землі, найтвердіший після алмазу. Ко-рундом можна свердлити, шліфувати, полірувати, точити камінь та метал. З корунду та наждака роблять точильні круги та бруски, шліфувальні порошки.

Вся годинна промисловість працює на штучних рубінах. На напівпровідникових заводах найтонші схеми малюють рубіновими голками. У текстильній та хімічної промисловостірубінові ниткопровідники витягують нитки зі штучних волокон, з капрону, з нейлону.

Нове життярубіна – це лазер або, як його називають у науці, оптичний квантовий генератор (ОКГ), чудовий прилад наших днів. У 1960р. було створено перший лазер на рубіні. Виявилося, що кристал рубіну посилює світло. Лазер світить яскравіше за тисячу сонців.

Потужний лазерний промінь величезний потужністю. Він легко пропалює листовий метал, зварює металеві дроти, пропалює металеві труби, свердлить найтонші отвори в твердих сплавах, алмазі. Ці функції виконує твердий лазер, де використовується рубін, гранат з неодитом. В очній хірургії застосовується найчастіше неодинові лазери та лазери на рубіні. У наземних системах ближнього радіусу дії часто використовуються інжекційні лазери на арсеніді галію.

З'явилися нові лазерні кристали: флюорит, гранати, арсенід галію та інших.

Сапфір прозорий, тому з нього роблять пластини для оптичних приладів.

Основна маса кристалів сапфіру йде у напівпровідникову промисловість.

Кремінь, аметист, яшма, опал, халцедон - все це різновиду кварцу. Дрібні зернятка кварцу утворюють пісок. А найкрасивіша, найчудовіша різновид кварцу - і є гірський кришталь, тобто. прозорі кристали кварц. Тому з прозорого кварцу роблять лінзи, призми та ін. деталі оптичних приладів.

Особливо дивовижні електричні властивості кварцу. Якщо стискати чи розтягувати кристал кварцу, на його гранях виникають електричні заряди. Це - п'єзоелектричний ефект у кристалах.

У наші дні як п'єзоелектрики використовують не тільки кварц, але і багато інших, в основному штучно синтезовані речовини: синетову сіль, титанат барію, дигідрофосфати калію та амонію (КДР і АДР) та багато інших.

П'єзоелектричні кристали широко застосовуються для відтворення, запису та передачі звуку.

Існують і п'єзоелектричні методи вимірювання тиску крові в кровоносних судинахлюдини і тиск соків у стеблах і стовбурах рослин. П'єзоелектропластинками вимірюють, наприклад, тиск у стовбурі артилерійської зброї при пострілі, тиск у момент вибуху бомби, миттєві тиску в циліндрах двигунів при вибуху в них гарячих газів.

Едектрооптична промисловість - це промисловість кристалів, які мають центру симетрії. Ця промисловість дуже велика і різноманітна, на її заводах вирощують і обробляють сотні найменувань кристалів для застосування в оптиці, акустиці, радіоелектроніці, в лазерній техніці.

У техніці знайшов своє застосування полікристалічний матеріал поляроїд.

Поляроїд - це тонка прозора плівка, яка заповнена цілісінькими прозорими голчастими кристаликами речовини, що двозаломлює і поляризує світло. Всі кристали розташовані паралельно один одному, тому всі вони однаково полярізують світло, що проходить через плівку.

Поляроїдні плівки застосовуються в поляроїдних окулярах. По-ляроїди гасять відблиски відбитого світла, пропускаючи все інше світло. Вони незамінні для полярників, яким постійно доводиться дивитися на сліпуче відображення сонячних променіввід заледенілого снігового поля.

Поляроїдні скла допоможуть запобігти зіткненням зустрічних автомобілів, які дуже часто трапляються через те, що вогні зустрічної машини засліплюють шофера, і він не бачить цієї машини. Якщо ж вітрове скло автомобілів і скло автомобільних ліхтарів зробити з поляроіда, причому повернути обидва поля-роіда так, щоб їх оптичні осі були зміщені, то вітрове скло не пропустить світла ліхтарів зустрічного автомобіля, "погасить його".

Кристали зіграли значної ролі у багатьох технічних новинках 20 в. Деякі кристали генерують електричний заряд під час деформації. Першим значним застосуванням було виготовлення генераторів радіочастоти зі стабілізацією кварцовими кристалами. Змусивши кварцову пластинку вібрувати в електричному полі радіочастотного коливального контуру, можна цим стабілізувати частоту прийому чи передачі.
Напівпровідникові прилади, що революціонізували електроніку, виготовляються з кристалічних речовин, головним чином кремнію та германію. При цьому важливу роль відіграють легуючі домішки, які вводяться в кристалічні ґрати. Напівпровідникові діоди використовуються в комп'ютерах та системах зв'язку, транзистори замінили електронні лампи в радіотехніці, а сонячні батареї, що розміщуються на зовнішній поверхні космічних літальних апаратів, перетворять сонячну енергіюв електричну. Напівпровідники широко застосовуються також у перетворювачах змінного струмуу постійний.
Кристали використовуються також у деяких мазерах для посилення хвиль НВЧ - діапазону та в лазерах для посилення світлових хвиль. Кристали, що мають п'єзоелектричні властивості, застосовуються в радіоприймачах і радіопередавачах, в головках звукознімачів і в гідролокаторах. Деякі кристали модулюють світлові пучки, інші генерують світло під дією прикладеного напруги. Перелік видів застосування кристалів досить довгий і безперервно зростає.

Що таке кристали

Кристалом (від грец. krystallos- "прозорий лід") спочатку називали прозорий кварц (гірський кришталь), що зустрічався в Альпах. Гірський кришталь приймали за лід, що затвердів від холоду настільки, що він уже не плавиться. Спочатку головну особливістькристала бачили в його прозорості, і це слово вживали до всіх прозорих природних твердих тіл.

Пізніше стали виготовляти скло, яке не поступалося у блиску та прозорості природним речовинам. Предмети з такого скла теж називали «кристальними». Ще й сьогодні скло особливої ​​прозорості називається кришталевою, «магічна» куля ворожок – кришталевою кулею.

Дивовижною особливістю гірського кришталю та багатьох інших прозорих мінералів є їх гладкі плоскі грані. Наприкінці 17 ст. було помічено, що є певна симетрія у тому розташуванні. Було встановлено також, що деякі непрозорі мінерали мають природне правильне огранювання і що форма огранювання характерна для того чи іншого мінералу. Виникла гіпотеза, що форма може бути пов'язана з внутрішньою будовою. Зрештою, кристалами стали називати всі тверді речовини, що мають природне плоске огранювання.

Маючи на увазі можливість прямого дослідження внутрішньої структури, багато хто займається кристалографією стали вживати термін «кристал» у застосуванні до всіх твердих речовин з упорядкованою внутрішньою структурою.

Атоми, з яких складаються гази, рідини та тверді речовини, мають різний ступінь упорядкованості. У газі атоми та невеликі групи атомів, з'єднані в молекули, перебувають у постійному безладному русі. Якщо охолоджувати газ, то досягається температура, за якої молекули зближуються одна з одною, наскільки це можливо, і утворюється рідина. Але атоми та молекули рідини все-таки можуть ковзати відносно один одного. При охолодженні деяких рідин, наприклад води, досягається температура, при якій молекули застигають відносної нерухомості кристалічного стану. Ця температура, різна всім рідин, називається температурою замерзання. (Вода замерзає при 0 ° С; при цьому молекули води впорядковано з'єднуються один з одним, утворюючи правильну геометричну фігуру.) У кожної частинки речовини (атома або молекули), що знаходиться в кристалічному стані, оточення точно таке ж, як і в будь-якої іншої частинки того ж типу у всьому кристалі. Інакше кажучи, її оточують цілком певні частки, що є цілком певних відстанях від неї. Саме це впорядковане тривимірне розташування характерне для кристалів та відрізняє їх від інших твердих речовин.

Дивовижне поруч

Напевно, звичайнісіньким і в той же час дивовижними кристалами є сніжинки. Кожної зими ми спостерігаємо мільярди цих маленьких кристаликів. А які візерунки утворюються на вікнах (якщо, звичайно, вони у вас не пластикові).

Сніжинка - складна симетрична структура, що складається із кристаликів льоду, зібраних разом. Варіантів складання безліч — досі не вдалося знайти серед сніжинок двох однакових. Дослідження, проведені в лабораторії Ліббрехта, підтверджують цей факт. кристалічні структуриможна виростити штучно чи спостерігати у природі.

Кристалографія в даний час активно розвивається у зв'язку з потребами електроніки та фізики твердого тіла— зокрема, властивості напівпровідників, які використовуються в наших повсякденних електронних приладах, значною мірою залежать від характеристик кристалів, що використовуються в них. Ще один крок у вивченні якостей найбільш відомих природних кристалів — сніжинок — зроблений професором фізики Кеннетом Ліббрехтом (Kenneth Libbrecht) із Каліфорнійського технологічного інституту.

У лабораторії професора Ліббрехта сніжинки вирощуються штучно. «Я намагаюся з'ясувати динаміку формування кристалів на молекулярному рівні, – коментує професор. — Це непросте завдання, і крижані кристали приховують багато секретів». Для вивчення характеристик сніжинок професор Ліббрехт з 2001 року почав робити фотографії сніжинок, що утворилися природним чином, і проводити їх порівняльну класифікацію. Структура та зовнішній виглядсніжинок, як з'ясувалося, залежить від того, де саме їх спостерігали. На думку Ліббрехта, найкрасивіші та найскладніші за структурою сніжинки випадають там, де клімат суворіший — наприклад, на Алясці, а ось у Нью-Йорку, де клімат м'якший, структури снігових кристаликів набагато простіші.

Давайте помилуємося цим чудом

Застосування кристалів

Застосування кристалів у науці та техніці настільки численні та різноманітні, що їх важко перерахувати.

Найтвердіший і рідкісний із природних мінералів - алмаз. Сьогодні алмаз насамперед камінь-працівник, а не камінь-прикраса.

Завдяки своїй винятковій твердості алмаз грає величезну роль у техніці. Алмазними пилками розпилюють каміння. Алмазна пилка - це великий (до 2-х метрів у діаметрі) сталевий диск, що обертається, на краях якого зроблені надрізи або зарубки. Дрібний порошок алмазу, змішаний з якоюсь клейкою речовиною, втирають у ці надрізи. Такий диск, обертаючись із великою швидкістю, швидко розпилює будь-який камінь.

Колосальне значення має алмаз при бурінні гірських порід, у гірничих роботах. У граверних інструментах, ділильних машинах, апаратах для випробування твердості, свердлах для каменю та металу вставлені алмазні вістря.

А лмазним порошком шліфують і полірують тверді камені, загартовану сталь, тверді та надтверді сплави. Сам алмаз можна різати, шліфувати та гравірувати теж лише алмазом. Найбільш відповідальні деталі двигунів в автомобільному та авіаційному виробництві обробляють алмазними різцями та свердлами.

рубін

сапфір

Рубін і сапфір відносяться до найкрасивіших і найдорожчих з дорогоцінного каміння. У всіх цих каменів є й інші якості, скромніші, але корисні. Криваво-червоний рубін і блакитно-синій сапфір - це рідні брати, це взагалі один і той же мінерал - корунд, окис алюмінію А1 2 О 3 . Різниця в кольорі виникла через дуже малі домішки в окисі алюмінію: нікчемна добавка хрому перетворює безбарвний корунд на криваво-червоний рубін, окис титану - на сапфір. Є корунди та інших кольорів.

Є ще зовсім скромний, непоказний брат: бурий, непрозорий, дрібний корунд - наждак, яким чистять метал, із якого роблять наждачную шкірку. Корунд з усіма його різновидами - це один з найтвердіших каменів на Землі, найтвердіший після алмазу. Корундом можна свердлити, шліфувати, полірувати, точити камінь та метал. З корунду та наждака роблять точильні круги та бруски, шліфувальні порошки.

Вся промисловість працює на штучних рубінах. На напівпровідникових заводах найтонші схеми малюють рубіновими голками. У текстильній та хімічній промисловості рубінові ниткопровідники витягують нитки зі штучних волокон, з капрону, з нейлону.

Нове життя рубіну – це лазер або, як його називають у науці, оптичний квантовий генератор (ОКГ), чудовий прилад наших днів. У 1960р. було створено перший лазер на рубіні. Виявилося, що кристал рубіну посилює світло. Лазер світить яскравіше за тисячу сонців.

Сапфір прозорий, тому з нього виготовляють пластини для оптичних приладів.

Основна маса кристалів сапфіру йде у напівпровідникову промисловість.

яшма

аметист

кремінь

Кремінь, аметист, яшма, опал, халцедон — це різновиди кварцу. Дрібні зернятка кварцу утворюють пісок. А найкрасивіший, найчудовіший різновид кварцу - це і є гірський кришталь, тобто. прозорі кристали кварц. Тому із прозорого кварцу роблять лінзи, призми та ін. деталі оптичних приладів.

Особливо дивовижні електричні властивості кварцу. Якщо стискати чи розтягувати кристал кварцу, з його гранях виникають електричні заряди. Це – п'єзоелектричний ефект у кристалах.

Нині як п'єзоелектриків використовують як кварц, а й багато інших, переважно штучно синтезовані речовини: синетову сіль, титанат барію, дигидрофосфаты калію і амонію (КДР і АДР) і ще.

П'єзоелектричні кристали широко застосовуються для відтворення, запису та передачі звуку.

Едектрооптична промисловість - це промисловість кристалів, які мають центру симетрії. Ця промисловість дуже велика і різноманітна, на її заводах вирощують та обробляють сотні найменувань кристалів для застосування в оптиці, акустиці, радіоелектроніці, лазерній техніці.

У техніці знайшов своє застосування полікристалічний матеріал поляроїд.

Поляроїд - це тонка прозора плівка, яка заповнена цілісінькими прозорими голчастими кристаликами речовини, що двозаломлює і поляризує світло. Всі кристали розташовані паралельно один одному, тому всі вони однаково поляризують світло, що проходить через плівку.

Поляроїдні плівки застосовуються в поляроїдних окулярах. Поляроїди гасять відблиски відбитого світла, пропускаючи все інше світло. Вони незамінні для полярників, яким постійно доводиться дивитися на сліпуче відображення сонячних променів від замерзлого снігового поля.

Поляроїдні скла допоможуть запобігти зіткненням зустрічних автомобілів, які дуже часто трапляються через те, що вогні зустрічної машини засліплюють шофера, і він не бачить цієї машини. Якщо ж вітрове скло автомобілів і скло автомобільних ліхтарів зробити з поляроіда, причому повернути обидва поляроіди так, щоб їх оптичні осі були зміщені, то вітрове скло не пропустить світла ліхтарів зустрічного автомобіля, "погасить його".

Кристали зіграли значної ролі у багатьох технічних новинках 20 в. Деякі кристали генерують електричний заряд під час деформації.

Напівпровідникові прилади, що революціонізували електроніку, виготовляються із кристалічних речовин, головним чином кремнію та германію.
Перелік видів застосування кристалів досить довгий і безперервно зростає.

Кристали та здоров'я

Існує досить багато методів застосування кристалів у терапії. Найпростіший – контактне лікування. Ви прикладаєте до хворого місця камінь або носите прикрасу з нього. Такі прикраси для лікувальної мети можна застосовувати протягом доби в залежності від вашого захворювання.

Зелене каміння

Усі камені зеленого кольору заспокоюють, позбавляють безсоння.

Смарагд сприяє зміцненню зору та може вилікувати кашель.

Нефрит – корисний при захворюваннях нирок. Його треба носити протягом року на попереку.

Малахіт зміцнює імунітет, допомагає роботі підшлункової залози, нирок та селезінки. Вважається, що кулон з малахіту в мідній оправі виліковує ревматизм та радикуліт. Дуже добре працює малахіт зі сріблом.

Синє та фіолетове каміння

Ці тони знімають запалення, борються з інфекціями, корисні для тих, хто проводить багато часу за комп'ютером, при захворюваннях легень. Камені синього кольорузнижують апетит.

Бірюза служить індикатором здоров'я: якщо ви носите прикрасу з бірюзи і бачите, що вона потемніла, - це вірна ознака хвороби, що починається.

Штучні кристали

З давніх-давен людина мріяла синтезувати камені, настільки ж дорогоцінні, як і зустрічаються в природних умов. До 20 століття такі спроби були безуспішними. Але в 1902 вдалося отримати рубіни і сапфіри, що мають властивості природного каміння. Нині такі мінерали виробляються мільйонами карат щороку!

Пізніше, наприкінці 1940-х років були синтезовані смарагди, а в 1955 фірма «Дженерал електрик» та Фізичний інститутАН СРСР повідомили про виготовлення штучних алмазів

Багато технологічних потреб у кристалах стали стимулом до дослідження методів вирощування кристалів із заздалегідь заданими хімічними, фізичними та електричними властивостями. Праці дослідників не зникли задарма, і було знайдено способи вирощування великих кристалів сотень речовин, багато з яких немає природного аналога. У лабораторії кристали вирощуються в ретельно контрольованих умовах, що забезпечують необхідні властивості, і лабораторні кристали утворюються, як і в природі - з розчину, розплаву або з пари.

Застосування штучних кристалів

Застосування кристалів у науці та техніці настільки численні та різноманітні, що їх важко перерахувати. Тому обмежимося кількома прикладами.

Найтвердіший і рідкісний із природних мінералів - алмаз. Сьогодні алмаз насамперед камінь-працівник, а не камінь-прикраса. Завдяки своїй винятковій твердості алмаз грає величезну роль у техніці. Алмазними пилками розпилюють каміння. Алмазна пилка - це великий (до 2-х метрів у діаметрі) сталевий диск, що обертається, на краях якого зроблені надрізи або зарубки. Дрібний порошок алмазу, змішаний з якоюсь клейкою речовиною, втирають у ці надрізи. Такий диск, обертаючись із великою швидкістю, швидко розпилює будь-який камінь. Колосальне значення має алмаз при бурінні гірських порід, у гірничих роботах. Алмазним порошком шліфують і полірують тверде каміння, загартовану сталь. Сам алмаз можна різати, шліфувати та гравірувати теж лише алмазом. Найбільш відповідальні деталі двигунів в автомобільному та авіаційному виробництві обробляють алмазними різцями та свердлами.

Рубін і сапфір відносяться до найкрасивіших і найдорожчих з дорогоцінного каміння. У всіх цих каменів є й інші якості, скромніші, але корисні.

Є ще зовсім непоказний брат: бурий, непрозорий, дрібний корунд - наждак, яким чистять метал, із якого роблять наждачную шкірку. Корунд з усіма його різновидами - це один з найтвердіших каменів на Землі, найтвердіший після алмазу. Корундом можна свердлити, шліфувати, полірувати, точити камінь та метал. З корунду та наждака роблять точильні круги та бруски, шліфувальні порошки.

Вся промисловість працює на штучних рубінах. Нове життя рубіну – це лазер, чудовий прилад наших днів. У 1960р. було створено перший лазер на рубіні. Виявилося, що кристал рубіну посилює світло. Лазер світить яскравіше за тисячу сонців. Потужний промінь - величезний потужністю. Він легко пропалює листовий метал, зварює металеві дроти, пропалює металеві труби, свердлить найтонші отвори у твердих сплавах, алмазі. Ці функції виконує твердий лазер, де використовується рубін та гранат. В очній хірургії застосовується найчастіше лазери на рубіні.

Сапфір прозорий, тому з нього виготовляють пластини для оптичних приладів.

Кремінь, аметист, яшма, опал, халцедон – все це різновиди кварцу. Дрібні зернятка кварцу утворюють пісок. А найкрасивіший, найчудовіший різновид кварцу - це і є гірський кришталь, тобто. прозорі кристали кварц. Тому із прозорого кварцу роблять лінзи, призми та ін. деталі оптичних приладів. Особливо дивовижні електричні властивості кварцу. Якщо стискати чи розтягувати кристал кварцу, з його гранях виникають електричні заряди.

Також кристали широко застосовуються для відтворення, запису та передачі звуку. Існують і кристалічні методи вимірювання тиску крові в кровоносних судинах людини і тиску соків у стеблах і стовбурах рослин. Електрооптична промисловість – це промисловість кристалів. Вона дуже велика і різноманітна, на її заводах вирощують та обробляють сотні найменувань кристалів для застосування в оптиці, акустиці, радіоелектроніці, лазерній техніці.

У техніці знайшов своє застосування полікристалічний матеріал поляроїд. Поляроїдні плівки застосовуються в поляроїдних окулярах. Поляроїди гасять відблиски відбитого світла, пропускаючи все інше світло. Вони незамінні для полярників, яким постійно доводиться дивитися на сліпуче відображення сонячних променів від замерзлого снігового поля.

Поляроїдні скла допоможуть запобігти зіткненням зустрічних автомобілів, які дуже часто трапляються через те, що вогні зустрічної машини засліплюють шофера, і він не бачить цієї машини. Якщо ж вітрове скло автомобілів і скло автомобільних ліхтарів зробити з поляроїду, то вітрове скло не пропустить світла ліхтарів зустрічного автомобіля, "погасить його".