Тепловые свойства кристаллов

Теплоемкостью называется количество теплоты, необходимое для нагревания 1 моля (мольная теплоемкость) или 1 грамма (удельная теплоемкость) вещества на 1 градус.

Теплоемкость – это скалярное свойство, не зависящее от направления.

Теплопроводность – это явление переноса тепла, зависящее от симметрии кристалла.

Теплопроводность – тензорное свойство, описывается по закону эллипсоида. Если мысленно поместить точечный источник тепла внутрь кристалла и по разным направлениям отложить в виде векторов значения теплопроводности, то концы векторов образуют замкнутые изотермические поверхности в форме сферы для кубических кристаллов, эллипсоида вращения для кристаллов средней категории и трехосного эллипсоида – для кристаллов низшей категории. Таким образом, теплопроводность кубических кристаллов изотропна, а кристаллов средней и низшей категории – анизотропна.

(на рисунке карта теплопроводности)

Анизотропия теплопроводности связана со структурой кристаллических веществ. Наиболее плотным сеткам и рядам соответствуют большие значения теплопроводности, поэтому величина теплопроводности в слоистых и цепочечных кристаллах в разных направлениях различна. Например, в структуре графита теплопроводность в плоскости атомной сетки в несколько раз превышает теплопроводность в перпендикулярном слоям направлении.

Теплопроводность зависит от степени совершенства кристаллов, у более дефектных кристаллов она ниже. Аморфные вещества обладают, как правило, более низкой теплопроводностью, чем кристаллические

Электрические свойства кристаллов

Электрические свойства кристаллов – свойства, связанные с электрической поляризацией, или самопроизвольной, или под влиянием внешних воздействий: нагревания, приложенного электрического поля, механического воздействия.

Электропроводность

Электропроводность – свойство некоторых тел проводить электрических ток. Все вещества делятся на проводящие электрический ток (проводники), полупроводники и диэлектрики (изоляторы)

В проводниках, помещенных в электрическое поле, возникает электрический ток – направленное движение заряженных частиц. Хорошими проводниками являются металлы, с повышением температуры электропроводность металлов уменьшается. В отношении электропроводности кристалл выступает как непрерывная однородная среда.

Кристаллы-диэлектрики (ионные и ковалентные) при обычных условиях не проводят электрический ток. Их можно наэлектризовать путем различных воздействий: трением, давлением, облучением, нагреванием и т. п.

Магнитные свойства кристаллов

Магнитные свойства – это способность веществ взаимодействовать с магнитным полем, т. е. намагничиваться при помещении их в магнитное поле.

В зависимости от величины магнитной восприимчивости различают:

• диамагнитные кристаллы;

• парамагнитные кристаллы;

• ферромагнитные кристаллы;

• антиферромагнитные кристаллы.

Магнитные свойства веществ зависят те только от особенностей их кристаллической структуры, но и от природы слагающих из частиц, то есть магнетизм связан с электронным строением оболочек и ядер, а также орбитальным движением вокруг них электронов.

К диамагнетикам относятся благородные газы, металлы побочных подгрупп (медь, серебро, золото и др.),

(на рисунке изображено золото)

большинство ионных кристаллов (хлорид натрия, фторид кальция и др.) и кристаллы с преобладающей ковалентной связью (сурьма, графит и др.)

(на рисунке сурьма)

При заполнении электронных оболочек атомов электроны стремятся оставаться неспаренными (правило Хунда), поэтому существует большое количество веществ, магнитные моменты электронов в атомах которых расположены беспорядочно и при отсутствии внешнего магнитного поля в них не происходит самопроизвольная ориентация магнитных моментов. Суммарный магнитный момент, обусловленный неспаренными электронами, будет постоянным, положительным и несколько большим, чем у диамагентиков. Такие атомы называются магнитными, а вещества, состоящие из таких частиц, парамагнетиками. Например, пирит,

(на рисунке пирит)

переходные металлы: платина, титан, скандий и др.

(на рисунке платина)

При внесении таких атомов в магнитное поле разориентированные спины приобретают некоторую ориентировку, в результате чего происходит упорядочение структуры, связанное с тремя типами явлений: ферромагнетизмом, антиферромагнетизмом и ферримагнетизмом.

Пьезо- и пироэлектричество

Пироэлектричеством называется свойство, присущее многим кристаллам, — электризоваться при изменении температуры. Различные минералы электризуются при этом различно: у одних развивается электричество только одного знака (пирит), у других на различных геометрических элементах одного и того же кристалла развивается электричество различных знаков, например, у топаза на брахидиогональных ребрах развивается положительное электричество, а на макродиогональных — отрицательное.

(Гемиморфизм

(гемиморфия) — кристаллографический термин, обозначающий присутствие на кристалле половины всего числа плоскостей, требуемого симметрией той кристаллографической системы, к которой принадлежит кристалл. При этом кристалл зовется гемиморфным по отношению к какой-нибудь из его кристаллографических осей в том случае, когда совокупность плоскостей, пересекающих один конец этой оси, не может быть приведена в совмещение с совокупностью плоскостей, пересекающих другой конец той же оси, ни непосредственно, ни после замены данной совокупности плоскостей другой, ей симметричной относительно плоскости, перпендикулярной к взятой оси. Иногда и саму ось в этом случае зовут гемиморфной. Фиг. 1 представляет гемиморфный кристалл пинкита (окись цинка), здесь гексагональная пирамида встречается лишь на одном конце гексагональной призмы, полная форма имела бы вид фиг. 2.)

Фиг. 1. Фиг. 2.

Наиболее изучено пироэлектричество гемиморфных кристаллов, у них на противоположных концах осей гемиморфизма развивается электричество различных знаков. Пироэлектрические свойства впервые открыты и изучены у турмалина, и уже в начале текущего столетия благодаря Кантону, Бергману, Гаюи и А. Беккерелю были формулированы следующие законности: если турмалин держать долго при постоянной температуре, то в нем нельзя открыть и следов электричества; но если турмалин нагревать, он заряжается электричеством во время нагревания (изменения температуры), причем на двух концах главной оси развиваются противоположные электричества. Тот конец оси, на котором при нагревании появляется положительное электричество, называется аналогическим полюсом, а противоположный — антилогическим. Если температура снова становится постоянной, то, как бы она ни была высока, выделение электричества прекращается; но как только этот кристалл турмалина начнет охлаждаться, он снова электризуется, причем аналогический полюс становятся теперь отрицательным, а антилогический положительным. Не только цельные кристаллы, но и обломки турмалина владеют пироэлектрическими свойствами. Аналогичные явления наблюдаются и у других гемиморфных минералов. Гогэн (1856 г.) нашел, что общее количество электричества, выделяемое пироэлектризованным турмалином, зависит от его поперечного разреза и от тех границ, в которых изменяется температура; длина же кристалла (вдоль главной оси его) и быстрота, с которой идет изменение температуры, не оказывают влияния на количество выделяющегося электричества; при равенстве температурных пределов количества электричества, образующихся на одном и том же кристалле при нагревании и при охлаждении, равны. Каждый минерал способен обнаруживать электричество только в определенных температурных пределах, напр., турмалин при темп. выше 150° становится уже электропроводным и теряет пироэлектрические свойства. Рике и Фохт (1892) вычислили, что при изменениях температуры в 100° C напряжение электричества, выделяемого турмалином, равняется 165 электростатическим единицам С. G. S. (см. абсолютные единицы). То направление в кристалле, которое соединяет два пироэлектрические полюса, называется пироэлектрическою осью. Число осей у различных минералов различно и находится в связи со степенью геометрической симметрии кристалла; например, у кристаллов кубической системы имеются четыре тройные пироэлектрические оси, у кристаллов же ромбической системы всего одна двойная. При изучении распределения пироэлектричества до последнего времени употреблялись электрометры, причем Рисс, Розе и Ганкель один конец платиновой проволоки соединяли с исследуемым местом нагреваемого или охлаждаемого кристалла, а другой с электрометром; Фридель же соединял с электрометром маленькое металлическое полушарие, нагревал его до определенной температуры и прикладывал к холодному кристаллу. Кундт (1883) предложил способ, благодаря которому можно сразу увидеть распределение пироэлектричества в кристалле. Он нагревает исследуемый кристалл, проводит его быстро через пламя и затем, когда кристалл начнет равномерно охлаждаться, осыпает его из маленьких мехов порошком, состоящим из серы и сурика, причем сера (желтого цвета) располагается на частях с положительным электричеством, а сурик (красного цвета) на частях с отрицательным электричеством. [Этот прием для наглядного показания распределения положительного и отрицательного электричества на поверхности тел уже с прошедшего столетия известен в физике. Ф. П.] При изучении получающегося таким образом на поверхности кристалла рисунка можно сразу видеть расположение пироэлектрических осей. Нужно заметить, что на распределение пироэлектричества влияет не только основная причина — молекулярное строение данного кристалла, но и внешняя его форма, так как от нее зависит распределение температуры во время охлаждения. Для устранения этого влияния вытачивают из исследуемых кристаллов шары и уже на них изучают распределение пироэлектричества.

Пьезоэлектричеством называется свойство пироэлектрических кристаллов электризоваться при сдавливании или расширении. П.-электричество было открыто Ж. и П. Кюри в 1880 г. (турмалин, каламин, сахар, винная кислота и др.). Если сдавливать гемиморфный кристалл вдоль его пироэлектрической оси и все время изменять величину этого давления, то на двух концах оси развивается электричество противоположных знаков. Когда после разряжения кристалл начнет расширяться, то замечается снова выделение электричества, но с тою только разницею, что тот конец кристалла, который при сдавливании заряжался положительно, теперь заряжается отрицательно, и наоборот. П.-электричество развивается в каждом данном минерале по тем же направлениям, как и пироэлектричество, и по другим направлениям не обнаруживается; знак развивающегося электричества всегда при сдавливании тот же, что при охлаждении, при расширении же тот, что при нагревании. Ганкель утверждает, впрочем, что струвит и виннокаменный калий являются в этом случае исключениями. Измерения Кюри (турмалин, кварц) позволяют сделать следующие выводы: количества электричества, выделяемые при однородной деформации на двух концах пироэлектрической оси, равны и противоположного знака; количество электричества пропорционально изменению давления; при одном и том же изменении давления количество электричества будет зависать от размеров кристалла только тогда, если давление совершается не вдоль пироэлектрической оси, а по направлению, перпендикулярному ей; в этом случае количество выделяющегося электричества будет пропорционально а:b, где а обозначает протяжение кристалла вдоль пироэлектрической оси, b — протяжение кристалла по направлению, по которому сдавливают кристалл (перпендикулярному к пироэлектрической оси), Кюри нашел, что количество электричества, выделяемого турмалином при давлении в 1 кг, = 0,0531 электростатической единицы С. G. S. для турмалина и 0,063 для кварца. Кюри применил П.-электрические свойства кварца для устройства точного прибора, который выделяет по желанию экспериментатора определенное количество электричества. Липман (1881), исходя из чисто теоретических соображений, показал, что деформация и электризация кристалла суть явления обратимые, т. е., что если определенное давление вызывает в кристалле определенное распределение электричества, то и наоборот — определенное распределение электричества должно вызвать определенную деформацию кристалла. Кюри доказал это положение непосредственными измерениями, а Кундт и Рентген (1883) демонстрировали, как интерференционные кольца кварца превращаются в электрическом поле в эллиптические; явление, объяснимое только тем, что данная кварцевая пластинка испытала давление, перпендикулярное к оптической оси.

Теория пьезоэлектричества. Кюри и Рике предполагают, что разнородные атомы, входящие в состав кристаллической молекулы, заряжены электричествами противоположных знаков; если группировка этих атомов в молекуле не симметрична, то каждая единица объема находится в состоянии поляризации и это состояние должно изменяться всякий раз, как какая-нибудь деформация произведет изменение в числе или в расположении молекул, содержащихся в единице объема.

Пьезоэлектрическая теория пироэлектричества. Кюри, Рике, Рентген и Фойхт высказывают следующее соображение: так как электризация, производимая сдавливанием кристалла, всегда имеет тот же знак, что и электризация, происходящая от охлаждения, а охлаждение сопровождается уменьшением объема, то, может быть, эта деформация и является причиной выделения электричества.

Термоэлектрическая теория пироэлектричества. Гогэн еще в 1865 году сравнивал молекулы турмалина с термоэлектрическими элементами, именно с конусами висмута и сурьмы, последовательно спаянными и основаниями и вершинами. При общем и равномерном нагревании такой системы конические спаи будут нагреваться быстрее, чем базальные, и потому появятся условия для происхождения электродвигательных сил; количество их будет зависеть только от начальной и конечной температуры и от поперечного разреза системы. Другие ученые дают несколько другую форму этой теории. Кристалл, который нагревается или охлаждается, не может иметь однообразной температуры во всей своей массе, поэтому здесь всегда, в силу соприкосновения различно нагретых атомов или молекул, должны образоваться термоэлектрические силы. Появление электродвигательных сил повсюду, где температура неоднородна, доказано, во всяком случае, работами В. Томсона. В кристаллах, имеющих центр симметрии, количество этих сил между двумя точками зависит только от температуры этих точек. Распределение темп. в течение нагревания определяется формою тела, следовательно, и электродвигательные силы, и выделения электричества, производимые ими, будут в данном случае симметричны. В кристаллах же, не имеющих центра симметрии, электродвигательная сила между 2 точками зависит не только от температуры, но и от направления, в котором температура падает, поэтому на двух концах кристалла в данном случае могут появиться неравные электризации и даже различных знаков. Против всех этих теорий высказываются, впрочем, и веские возражения.

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон. 1890—1907.

Люминесценция (от лат. lumen, род. падеж luminis — свет и -escent — суффикс, означающий слабое действие) — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII веке.

Первоначально явление люминесценции использовалось при изготовлении светящихся красок и световых составов на основе так называемых фосфоров, для нанесения на шкалы приборов, предназначенных для использования в темноте. Особого внимания в СССР люминесценция не привлекала вплоть до 1948 года, когда советский учёный С. И. Вавилов на сессии Верховного совета предложил начать изготовление экономичных люминесцентных ламп и использовать люминесценцию в анализе химических веществ. В быту явление люминесценции используется чаще всего в люминесцентных лампах «дневного света» и электронно-лучевых трубках кинескопов. На использовании явления люминесценции основано явление усиления света, экспериментально подтверждённое работами В. А. Фабриканта и лежащее в основе научно-технического направления квантовой электроники, конкретно находящее своё применение в усилителях света и генераторах стимулированного излучения (лазерах).