вдвое.
Разумеется, в технике применяются не ювелирные алмазы, а тем более не
бриллианты. В дело идут рядовые алмазы — крошка, «борт», а также черная
разновидность алмазов — «карбонадо». С каждым годом растет потребление
искусственных алмазов, поскольку природные месторождения не удовлетворяют
сейчас и половины запросов промышленности.
С алмазом по твердости соперничает рубин, имеющий твердость 9 по шкале
Мооса, или 2000 кг/мм. Этот минерал является прекрасным абразивом. Хорошо
известны твердые абразивные шлифовальные круги, порошки, пасты. В
производстве используются не ювелирные рубины и сапфиры, а невзрачный
корунд. В настоящее время широко применяется искусственный корунд —
электрокорунд, или алунд, получаемый путем электроплавки высококачественных
алюминиевых руд — бокситов.
Всем хорошо известно выражение «часы на 17 (или на 23) камнях». Эти камни
в часах есть не что иное, как вкладыши из рубина, в которых вращаются оси
шестеренок. Вы можете увидеть эти красноватые рубины, открыв крышку часов.
Качество ручных или карманных часов зависит, в частности, от того, сколько
шестеренок вращается на рубиновых подшипниках. Рубиновые камни определяют
долговечность часов.
Еще один «замечательный минерал», или точнее минералы, используется в
абразивной промышленности — гранат. Эта группа минералов содержит много
разновидностей. В качестве абразива обычно применяют железистый гранат
-—альмандин. Твердость этого минерала по шкале Мооса равна 7, а
количественно составляет 11ОО кг/мм2. Из гранатов изготовляют шлифовальные
порошки, точильные круги, шкурки. Иногда они заменяют в приборостроении
рубин.
Список замечательных минералов, используемых из-за их твердости в
промышленности, можно было продолжить. Но уже из того, что мы перечислили,
можно понять, что твердость, являющаяся необходимым свойством драгоценных
камней и определяющая их долгую жизнь в качестве украшений — качество,
необходимое и для промышленных целей.
Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства.
В Индии и на Цейлоне с древних времен, было известно, что кристаллы
турмалина, положенные в горячую золу, сначала притягивали, а затем
отталкивали частицы золы. Это явление стало известно в Европе в 1703 г.,
когда голландские купцы привезли кристаллы турмалина с Цейлона. Карл Линней
в 1747 г. дал турмалину научное название — электрический камень (tapis
elektricus). Позже это явление было названо пироэлектричеством. Оно
заключается в появлении электрических напряжений на гранях кристалла при
нагревании. Проявления пьезоэлектрических свойств кристаллов впервые были
установлены в 1880 г. Сущность этого явления заключается в том, что если к
граням таких кристаллов подвести электрическое напряжение, кристаллы
деформируются: сжимаются или растягиваются. И наоборот, если сжимать или
растягивать пьезокристалл, на его гранях возникают электрические
напряжения. Как правило, все пироэлектрические кристаллы являются пьезо-
злектриками, но не все пьезоэлектрики обладают пироэлектрическими
свойствами.
Среди замечательных минералов основными пьезоэлектриками являются
монокристаллы кварца и турмалина. Из многочисленных кристаллографических
модификаций кварца в качестве пьезо-электрика используется чаще всего
низкотемпературный а-кварц, устойчивый до температуры 573°С.
Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства кристаллов используются в
технике уже много лет. Одно из применений пьезо-электриков известно
буквально каждому. Это звукосниматели в наших проигрывателях, которые
превращают механические колебания иглы на граммофонной пластинке в
электрические токи, которые затем усиливаются и подаются на динамик.
На аналогичной основе пьезоэлектрические свойства кристаллов используются
в ультразвуковой гидроакустике, дефектоскопии, при изучении свойств газов,
жидкостей и твердых тел, для измерения давлений и вибраций, при
изготовлении стабилизаторов и фильтров радиочастот. Предложено даже
использовать пьезокристалл для лампы-вспышки при фотографировании. По
замыслу и расчетам изобретателя при механическом ударе по кристаллу
выделяется количество энергии, достаточное для вспышки электрической
лампочки.
Современные технические требования к пьезокристаллам очень высоки:
требуется, чтобы в кристалле был участок размером не менее 12Х12Х1,5 мм без
всяких дефектов, трещинок, включений и т. д. Поскольку в природных
кристаллах редко удается найти подобные участки, в технике все более и
более используются искусственные кристаллы кварца и других минералов.
Оптические свойства. Из различных оптических свойств замечательных
минералов в технике ценятся почти те же самые, которые определяют
использование этих минералов в качестве украшений: прозрачность,
двупреломление, поляризующие свойства и т. д.
Каждый из нас хорошо знает искусственное «горное солнце» — аппарат,
широко применяемый в медицине. При включении этот аппарат излучает
удивительный свет — ультрафиолетовый. Лампа в аппарате сделана не из
обычного стекла, а из кварцевого, которое в отличие от обычного пропускает
инфракрасную, а особенно ультрафиолетовую части спектра света. Эти лучи
поистине являются целебными, а кроме того, придают загар человеческой коже.
Применение кварцевой лампы не ограничивается только медициной. Она
используется в органической химии, минералогии и других отраслях для
изучения веществ в ультрафиолетовых лучах. Даже филателисты при изучении
марок прибегают к помощи этой лампы: она позволяет отличать фальшивые марки
от настоящих.
Кварц употребляется в технике и для других целей. Чистые бездефектные
кристаллы горного хрусталя идут на изготовление призм, спектрографов,
поляризующих пластинок.
Другим замечательным минералом, применяемым в оптике, является флюорит.
Это чистые прозрачные бесцветные или слабо окрашенные кристаллы. Их ценными
свойствами являются изотропность, незначительная дисперсия, низкий
коэффициент преломления и, так же как у Горного хрусталя, высокая
способность пропускать инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Флюорит
используется для изготовления линз телескопов и микроскопов, для
изготовления призм спектрографов и в других оптических приборах.
Но, пожалуй, самое большое значение имеет использование оптических
свойств замечательных минералов, связанное с изобретением лазера —
оптического квантового генератора. Слово «лазер» представляет собой
сокращение английских слов Ughf amplification by stimulated emission of
radiation — усилитель света при вызванном излучении. Принцип работы лазера
достаточно сложен, для генерации электромагнитного излучения в нем
используется энергия, которая возникает при переходе атомов или электронов
из одного энергетического состояния в другое.
Первый лазер бал создан в 1960 г. на рубине, в котором незначительная
часть ионов Al3 была замещена ионами хрома. Этот лазер излучал яркий свет с
длиной волны 694,3 нм. С помощью рубинового лазера было проведено точное
определение (локация) расстояния от Земли до Луны. Затраты энергии при этом
не превышали энергии сгорания десятка спичек. В настоящее время применение
лазеров в технике все более расширяется. Они используются для изучения
физики плазмы, при хирургических операциях, в телевидении для съемок и
передачи изображения, для сверления и сварки металлов и т. д. И xoтя в
последнее время появились лазеры и на других веществах, например газовые
или полупроводниковые лазеры, минерал рубин по-прежнему остается одним из
наиболее употребительных материалов. Преимущества рубина заключаются в его
выдающихся механических свойствах, о которых мы говорили раньше: в его
твердости, теплотоупорности и устойчивости в сильно агрессивных условиях.
Из других кристаллических веществ для лазеров используются алюминиево-
иттриевые гранаты, флюорит и ряд других преимущественно искусственных,
кристаллов.
Этими примерами можно было бы закончить наш короткий рассказ о применении
минералов в технике. Но области применения минералов, все более
расширяются, дальнейшее развитие науки продолжает выявлять в них все новые
и новые свойства. Рубиновые стекла в иллюминаторах и приборах космических
кораблей, световоды из горного хрусталя, позволяющие практически мгновенно
передавать с помощью лазерного луча громадное количество информации, алмазы
в качестве детекторов ядерных излучений — даже простое перечисление
показывает, что замечательные минералы находятся на самом переднем крае
науки и техники.
Рост потребления минералов не обеспечивается природными месторождениями,
поэтому все более и более расширяется синтез минералов, их искусственное
производство на заводах.
Лабораторная работа №1
Выращивание кристаллов
Оборудование: поваренная соль, дистиллированная вода, воронка,
стеклянная палочка, вата, стаканы.
Существуют два простых способа выращивания кристаллов из пересыщенного
раствора: путем охлаждения насыщенного раствора или путем его выпаривания.
Первым этапом при любом из двух способов является приготовление насыщенного
раствора. В условиях школьного физического кабинета проще всего выращивать
кристаллы алюмокалиевых квасцов.
Растворимость любых веществ зависит от температуры. Обычно с
повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением
температуры — уменьшается.
При охлаждении насыщенного при 40° С раствора до 20° С в нем будет
находиться около 15 г избыточного количества квасцов на 100 г. воды. При
отсутствии центров кристаллизации это вещество может оставаться в растворе,
т. е. раствор будет пересыщенным.
С появлением центров кристаллизации избыток вещества выделяется из
раствора, и при каждой данной температуре в растворе остается то количество
вещества, которое соответствует коэффициенту растворимости при этой
температуре. Избыток вещества пз раствора выпадает в виде кристаллов, число
которых тем больше, чем большее число центров кристаллизации содержится в
растворе. Центрами кристаллизации могут служить загрязнения на стенках
посуды с раствором, пылинки, мелкие кристаллики квасцов. Если дать выпавшим
кристалликам подрасти в течение суток, то среди них найдутся чистые и
совершенные по форме экземпляры. Они могут служить затравками для
выращивания крупных кристаллов.
Для выращивания крупного кристалла в тщательно отфильтрованный
насыщенный раствор вносят кристаллик — затравку, заранее прикрепленный на
волосе или топкой леске, предварительно обработанной спиртом.
Можно вырастить кристалл и без затравки. Для этого волос или леску
обрабатывают спиртом и опускают в раствор так, что бы конец висел свободно.
На конце волоса или лески может начаться рост кристалла.
Если для выращивания приготовлен крупный затравочный кристалл, то его
лучше вносить в слегка подогретый раствор. Раствор, который был насыщенным
при комнатной температуре, при температуре на 3—5° С выше комнатной будет
ненасыщенным. Кристалл-затравка начнет растворяться в нем и потеряет при
этом верхние, поврежденные и загрязненные слои. Это приведет к увеличению
прозрачности будущего кристалла. Когда температура станет комнатной,
раствор вновь станет насыщенным, и растворение кристалла прекратится. Если
стакан с раствором прикрыть так, чтобы вода из раствора могла испаряться,
то вскоре раствор станет пересыщенным и начнется рост кристалла. Во время
роста кристалла стакан с раствором лучше всего держать в теплом сухом
месте, где температура в течение суток остается постоянной. На выращивание
крупного кристалла в зависимости от условий эксперимента может
потребоваться от нескольких дней до нескольких недель.
Порядок выполнения работы:
1. Я тщательно вымыл 2 стакана и воронку и подержал их над паром
2. Налил 100 гр. Дистиллированной воды в стакан и нагрел ее до 300С.
Приготовил насыщенный раствор соли и слил его через ватный фильтр в
чистый стакан. Закрыл стакан крышкой. Подождал пока раствор остынет до
комнатной температуры и открыл стакан. Через некоторое время началось
выпадание кристаллов.
3. Через сутки слил раствор через ватный фильтр в чистый стакан. Среди
множества кристаллов оставшихся на дне первого стакана выбрал самый
чистый кристалл правильной формы. Прикрепил кристалл – затравец к
нитке и подвесил его в раствор. Поставил стакан в теплое место.
4. Рост кристалла происходил в течение 61 дня. Кристалл – затравка имел
вытянуто – овальную форму. После помещения затравки в раствор рост
кристалла не происходил, а наоборот он растворялся, так как
температура была на 3 – 90С выше комнатной и раствор стал не
насыщенным, при этом он потерял верхние, поврежденные слои, что
привело к увеличению прозрачности будущего кристалла. Когда
температура стала комнатной, раствор вновь стал насыщенным, и
растворение кристалла прекратилось. Начался рост кристалла. За счет
испарения воды из раствора темп роста кристалла увеличивался.
К выступающим частям кристалла – вершинкам и ребрам – вещество
поступает в большем, чем к серединам граней количестве, поэтому
градиенты концентрации (пресыщения) возникают и вдоль поверхности.
Пока размеры кристалла невелеки, малы и гридиенты пересыщений,
кристалл обычно растет плоскогранным. Причина этого заключается в том,
что слои роста имеют повышенные скорости продвижения по поверхности по
сравнению со скоростью возникновения новых слоев. Однако, с
увеличением кристалла градиенты пересыщений вдоль граней возрастают и
кристалл растет по всей своей площади.
В дальнейшем рост кристалла соли происходил нормально.
5. В конце срока выращивания я вынул кристалл соли из раствора, тщательно
осушил салфеткой и измерил его. Кристалл соли увеличился в три раза от
начальных размеров затравки. На этом выращивание кристалла соли
завершено.
Выращенный кристалл имеет пирамидальную форму с небольшими
отклонениями. Стороны кристалла ровные, имеют форму прямоугольников.
Первоначальное ощущение – что это срослось множество квадратиков и
прямоугольников, такой вид имел кристалл.
Исходя из этого я пришел к выводу, что атомы кристаллов имеют
правильную геометрическую форму, и когда они сращиваются в один
кристалл, тот приобретает так же правильную геометрическую форму с
небольшими отклонениями.
Вывод: в этой лабораторной работе я научился выращивать кристаллы
поваренной соли и узнал, что этим способом можно выращивать кристаллы
любых других простых веществ, а так же, что необходимо для выращивания
и как происходит рост кристаллов.
Лабораторная работа №2
Изготовление прикладного гониометра
и измерение углов между гранями кристаллов.
Оборудование: две линейки, транспортир, кристаллы поваренной соли.
Для измерения углов между гранями кристаллов служит прибор называемый
прикладным гониометром. Самодельный гониометр можно изготовить из двух
линеек.
Цель работы: изготовление самодельного гониометра и измерение углов между
гранями поваренной соли.
Порядок выполнения работы.
1. Я изготовил прикладной гониометр. Для этого скрепил две линейки с
помощью винта и гайки.
2. Приложил кристалл к одной из линеек у точки крепления так, Чтобы грань
кристалла была перпендикулярна плоскости линейки. Повернул вторую
линейку так, чтобы вторая грань кристалла была перпендикулярна
плоскости второй линейки. Закрепил взаимное положение линеек винтом и
измерил величину угла между ними с помощью транспортира.
3. Таким же образом измерил величину угла между другими пересекающимися
гранями того же кристалла, а так же между гранями других кристаллов.
4. Результаты измерений занес в отчетную таблицу.
|Образец |Углы между гранями |
| |1 |2 |3 |4 |5 |6 |
|Поваренная соль № 1 |90 |86 |90 |87 |88 |89 |
|Поваренная соль № 2 |87 |88 |90 |90 |89 |88 |
Вывод: в этой лабораторной работе я изготовил самодельный гониометр и
измерил углы между гранями поваренной соли. Сравнив результаты всех
измерений, я пришел к выводу, что кристаллы имеют примерно одинаковую форму
граней (при этом не важно какую форму имеет сам кристалл). Все грани имеют
одинаковые размеры углов (88 – 900), т.е. грани имеют прямые углы, что дает
им правильную геометрическую форму. Один образец поваренной соли имеет
форму пирамиды с небольшими отклонениями. Второй образец поваренной соли
так же имеет форму пирамиды с небольшими отклонениями.
