bigpo.ru
добавить свой файл
1


ИРКУТСКАЯ ГОРОДСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
УЧАЩИХСЯ 10-11 КЛАССОВ

"В мир поиска в мир творчества в мир науки"


ДЕФЕКТЫ И ЦЕНТРЫ ОКРАСКИ В КРИСТАЛЛАХ NaCl и LiF


Автор: Саврасова Лилия

Россия, г Иркутск, МОУ Лицей – интернат №1, 11 В класс


Научный руководитель: к.ф-м.н, доцент Чумак В.В.

Иркутский государственный университет,

учитель физики лицея=интерната № 1


2006г.


Содержание:



  1. Введение

3

  1. Теоретическая часть

4

    1. Что такое кристаллы? Типы кристаллических решеток. Решетка NaCl.

4

    1. Микродефекты.

5

    1. Точечные дефекты, их типы. Центры окраски.

6

III. Экспериментальная часть.

7

  1. Создание центров окраски в кристаллах NaCl.

7

  1. Исследование спектра поглощения кристаллов NaCl (чистых и с дефектами).

8

IV. Выводые.

11

V. Используемая литература.

11

    1. Введение.

Кристаллы встречаются нам повсюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем их в лабораториях и в заводских установках, создаем приборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в технике и науке, едим их, лечимся ими, находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог, используя приборы из кристаллов. Мне очень нравятся кристаллы, их грани. Меня заинтересовало, как же вообще растут кристаллы, и какие у них бывают дефекты. Это послужило поводом написать научную работу про дефекты кристаллов.


Цель моей работы: исследовать дефекты кристаллов NaCl.


Задачи:

  1. узнать, какие дефекты могут быть в кристаллах.

  2. изучить кристаллы с дефектами.




    1. Теоретическая часть.




  1. Что такое кристаллы? Типы кристаллических решеток.


Кристаллы – это твердые вещества с однородным химическим составом; это природные соединения, встречающиеся на земле в естественном состоянии; каждый из них обладает уникальной кристаллической структурой. Кристаллы не являются частью живой материи. Два главных свойства кристаллов – химический состав и кристаллическая структура – чаще всего их можно определить в лаборатории. Кристаллы – это вещества, в которых составляющие их частицы расположены правильным, симметричным, периодически повторяющимися рядами, сетками, решетками. Кристаллы растут из паров, растворов, расплавов и вырастают они в виде удивительно правильных симметричных многогранников.

Свойства любого вещества зависят не только от его химического состава, но и от его строения, от того, как расположены его атомы. Кристаллы не сотворены готовыми, а вырастают в форме многогранников. Внешняя форма – это проявление его физических свойств, а свойства его зависят от закономерного внутреннего строения. Не только скорость роста, но и почти все физические свойства кристаллов различны в разных направлениях. Анизотропия, то есть различие свойств по разным направлениям, - это основная, характерная особенность кристаллических веществ. Кристаллы однородны, анизотропны и симметричны. А причиной однородности, анизотропии и симметрии кристаллов является их атомная структура. Одинаковые группы атомов повторяются в кристалле, образуют бесконечные ряды. Сами эти группы атомов и их взаимное расположение одинаковы в любом участке кристалла. Кристалл однороден. Расстояние между атомами, силы связи между ними в разных направлениях различны, - поэтому и возникает анизотропия, то есть различие свойств кристалла в разных направлениях.

Атомы натрия и хлора расположены в структуре хлористого натрия, как правильная трехмерная кубическая сетка, и кристаллы вырастают правильными кубиками. Поэтому симметричная, правильная многогранная форма кристалла – это наглядное следствие анизотропии его скоростей роста. Форма кристалла записывает анизотропию, показывает, где скорость роста больше, где она меньше.

Очень многие физические свойства кристалла анизотропны, но их анизотропия не так наглядна, как у скорости роста. Тепловое расширение, теплопроводность, электропроводность кристаллов, скорость прохождения в них света и многие другие свойства кристаллов подчинены анизотропии и симметрии их структуры. Анизотропия теплового расширения может быть у некоторых кристаллов даже и такой, что в одном направлении кристалл расширяется, а в другом в то же время сжимается. Различна в разных направлениях и теплопроводность монокристаллов. Бесцветные кристаллы каменной соли прозрачны как стекло. А вот разбиваются они совсем не как стекло. Если ударить ножом или молоточком по кристаллу каменной соли, то он разбивается на кубики с ровными, гладкими, плоскими гранями. Это – явление спайности, то есть способности раскалываться по ровным, гладким плоскостям, так называемым плоскостям спайности. Спайность – это проявление анизотропии прочности кристаллов: силы сцепления между атомами в некоторых симметрично расположенных плоскостях очень малы и кристаллы легко раскалываются по этим плоскостям. Твердость кристаллов тоже зависит от направления. Это легко увидеть, если поцарапать каким–нибудь острием грань кристалла. По одним направлениям царапать легче, чем по другим, и царапины получаются разной длины и ширины. И даже на одной и той же грани кристалла твердость зависит от направления. Если соединить концы царапин, получим розетку, которая и покажет нам а
низотропию твердости.


Частицы, образующие кристалл, - это атомы, ионы, молекул. Частицы располагаются в пространстве правильными рядами, сетками, решетками. Схему кристаллической структуры, ее остов, каркас мы можем представить как бесконечную решетку, состоящую из множества одинаковых смежных параллелепипедов – ячеек Бравэ. Точки пространственной решетки – это лишь центры отдельных частиц или групп частиц, те положения равновесия, около которых колеблются частицы.

Кристаллы каменной соли имеют кубическую структуру, которая состоит из гранецентрированной решетки Na и гранецентрированной решетки Cl, сдвинутых относительно друг друга на половину диагонали куба. Решетка схематически изображена на рис. 1

Кубики каменной соли обладают девятью плоскостями симметрии. Плоскость симметрии – это один из элементов симметрии кристалла каменной соли. В кубике каменной соли очень много осей симметрии: 3 оси 4 – ого порядка,4 оси 3 – ого порядка и 6 осей 2 – ого порядка. Есть и еще один элемент симметрии – это центр симметрии. Аналогичную структуру имеют кристаллы фтористого лития LiF.


2. Микродефекты.


По Ван – Бюрену дефекты классифицируются следующим образом:

  1. нульмерные, подразделяемые на атомные или точечные (вакансии межузельные атомы, центры окраски); электронные (экситоны, избыточные электроны, дырки); энергетические (фононы, магноны, поляроны, плазмоны).

  2. одномерные или линейные дефекты – дислокации.

  3. двумерные или поверхностные дефекты – границы зерен и двойников, межфазные границы, сама поверхность кристалла.

  4. трёхмерные или объемные дефекты – лакуны (пустоты), включения второй фазы.


3. Точечные дефекты, их типы. Центры окраски.


К точечным дефектам относятся, прежде всего, вакансии. Пара вакансий различных знаков называется дефектом Шоттки. Смещение атома или иона из узла решетки создает дефект в виде межузельного атома. Сочетание межузельного атома и вакансии называют дефектом Френкеля.





Рис 2. Схематическое
представление атомных дефектов:1.вакансии 2.межузельный атом; а) дефект Шоттки; б) дефекты Френкеля; в) F – центр; г) Vk – центр.

Чужеродные атомы примесей могут также локализоваться в межузлии (дефект внедрения) или в вакансии. В последнем случае имеет место изоморфное замещение. Центры окраски в кристаллах представляют комплекс точечных дефектов, обладающих собственной частотой поглощения света. Простейшим центром окраски является F – центр, состоящий из анионной вакансии и электрона.Vk – центр образуется парой отрицательных ионов, захватившей дырку, и в устойчивом состоянии может быть представлен как отрицательный ион молекул галогена; F2 – центр из двух соседних F – центров.

В кристаллах NaCl возможно образование F-центров. Для этого необходимо выбить ион Cl- из решетки кристалла, образовавшаяся анионная вакансия, захватившая электрон и будет представлять F-центр. В кристаллах LiF, F-центр образуется при выбивании из решетки иона F- и захвате электрона, образовавшейся вакансией.


    1. Экспериментальна часть.




  1. Создание центров окраски в кристаллах NaCl.


Для создания центров окраски нами были выбраны образцы природных кристаллов NaCl, взятые из ФГУП «Тыретский Солерудник». Кристаллы представляли собой прозрачные образцы. Для создания дефектов было решено использовать установку СВЧ плазменного разряда (Рис.3).


Рис. 3. Установка сверхвысокого плазменного разряда, применяемая для облучения образцов Nacl.

При этом основным фактором, влияющим на создание дефектов, в этом случае, является ультрафиолетовое излучение плазмы.

Мы поместили кристалл (без дефектов) в экспериментальную установку, дождались, пока кристалл не приобрел окраску. Через 15 минут мы увидели, что кристалл поменял окраску и стал из прозрачного - желтым. Для исследования дефектов в кристалле LiF использовались искуственно выращенные образцы, центры окраски в которых создавались при облучении электронами.


2.Исследование спектров пропускания и поглощения.


Для исследования спектров поглощения образцов применялся спектрофотометр СФ – 46. Образцы устанавливались в держптель камеры образцов. Для каждой длины волны, выбранного нами спектрального диапазона, мы измеряли интенсивность света I0, проходящего по пустому окну (без кристалла), а затем интенсивность света I, проходящего через кристалл. Установка сама производит расчет коэффициента пропускания по формуле τ= I/I0. По полученным данным была в программе EXEL вычислена оптическая плотность образцов для каждой длинны волны по формуле D=lg(I0/I). Полученные данные для облученного и необлученного кристаллов были занесены в таблицу. По данным построены соответствующие графики.


Рис.3. Спектрофотометр СФ-46, на котором измерялись спектры пропускания образцов.

Таблица 1. Зависимость оптической плотности, исследуемых образцов от длины волны


Длина волны, нм

Оптическая плотность

Nacl облученный

Nacl не облученный

LiF, облученный электронами

360

0,76

0,81

0,11

370

0,76

0,81

0,15

380

0,81

0,81

0,14

390

0,81

0,81

0,11

400

0,84

0,79

0,11

410

0,86

0,79

0,16

420

0,89

0,79

0,38

430

0,94

0,79

1,00

440

0,97

0,79

1,85

450

1,00

0,78

1,92

460

1,02

0,78

1,17

470

1,02

0,76

0,67

480

1,00

0,76

0,41

490

0,97

0,76

0,31

500

0,94

0,76

0,27

510

0,89

0,76

0,28

520

0,86

0,75

0,3

530

0,86

0,75

0,26

540

0,86

0,75

0,22

550

0,86

0,74

0,17


Р

ис. 4 Спектры кристаллов.


Представленные спектры показывают, что после облучения кристаллов NaCl в установке СВЧ разряда в них появляется полоса поглощения с максимумом в области с λmax=470 нм. Это синяя область спектра. В результате того, что при прохождении через кристалл поглощается синяя часть спектра, он окрашивается в желтый цвет.

Изучение литературы показало, что аналогичная полоса поглощения при комнатной температуре λmax=466 нм, по данным Саломатова В.Н., принадлежит в кристаллах NaCl F-центру. Следует заметить, что приведенные в работе результаты получены для искусственно выращенных кристаллов, а в нашем случае мы использовали природные кристаллы.

В спектрах облученного кристалла LiF в видимой области спектра так же наблюдается ярко выраженный пик поглощения с максимумом при 450нм. Несмотря на близость и похожесть полос поглощени в кристаллах хлористого натрия и фтористого лития, поглощение в области 450 нм. в LiF обусловлено F2-центрами а не F-центром как в кристаллах NaCl.


Выводы:

Таким образом установлено, что в природных кристаллах NaCl под воздействием ультрафиолетового излучения плазмы СВЧ разряда образовались центры окраски, которые могут быть отнесены к F –центрам.

В различных кристаллах могут наблюдаться полосы поглощения имеющие близкие максимумы, но принадлежащие к различным типам центров окраски.


V. Используемая литература.


  1. М.С. Мецик «Введение в физику твердого тела».

  2. М.П. Шаскольская «Очерки о свойствах кристаллов».

  3. Е. Трибис «Камни и минералы».

  4. Натела Ярошенко «Азбука природы».

  5. С.А.Тихомирова «Физика в школе».