Читаем Чудесные кристаллы онлайн бесплатно

Пьезоэлектричество было обнаружено более 80 лет назад. Однако лишь в 20—30-х годах нашего столетия началось его бурное внедрение в науку и технику. В настоящее время трудно назвать отрасль народного хозяйства, военного дела и промышленности, в которой бы не использовались пьезоэлектрические приборы, являющиеся составной частью многих радиоэлектронных устройств.

XXII съезд Коммунистической партии Советского Союза, подводя итоги колоссальным достижениям советских людей во всех областях жизни, определил широкие перспективы в развитии науки и техники и в частности радиоэлектроники.

Уже сейчас пьезоэлектрические приборы нашли широкое признание у инженеров, летчиков, космонавтов, моряков, металлургов и других специалистов.

Как врач выслушивает сердце человека, так и с помощью пьезоэлектричества люди выслушивают автомобильный мотор и мощную паровую турбину. Без пьезоэлектрических приборов нельзя было бы выявить в неправильно рассчитанных деталях самолетов и ракет опасные шумы, которые могут привести к разрушению корпуса.

Можно ли предупредить столкновение корабля со скалами и айсбергами, с минами и заграждениями? Можно ли измерить глубину моря, чтобы предохранить корабль от опасной посадки на мель? Да, можно. И делают это пьезоэлектрические приборы. С их помощью военные моряки обнаруживают и уничтожают вражеские подводные лодки, а ученые изучают рельеф морского дна. Эти приборы позволяют обнаруживать в море и косяки рыб, чем оказывают неоценимую услугу нашей рыбной промышленности.

Пьезоэлектричество позволяет человеку незримо присутствовать в месте взрыва бомбы и снаряда, в центре землетрясения. Впервые человек получил возможность заглянуть в такие казалось бы недоступные места, как ствол артиллерийского орудия или винтовки в момент выстрела.

Пьезоэлектричество прочно вошло и в наш быт. Так, мы часто слушаем радио, смотрим телевизионные передачи. А ведь в радиовещании и телевидении широко используются пьезоэлектрические приборы.

Мы часто проверяем свои часы по сигналам точного времени. И здесь пьезоэлектричество не забыто — самые точные часы, по которым даются радиосигналы точного времени, используют это интереснейшее явление природы.

Что же такое пьезоэлектричество? Как люди открыли и научились использовать это явление?

Слово «пьезоэлектричество» в переводе означает электричество, возникающее от давления (от греческого слова «пьезо» — давить). Но этим свойством обладает не всякое вещество, а лишь некоторые кристаллические тела, получившие название пьезокристаллов.

Поэтому пьезоэлектричество — это электричество, возникающее в результате механического давления на пьезокристаллы. Следовательно, чтобы понять явление пьезоэлектричества, нужно знать не только законы электричества, но и основные свойства и особенности кристаллов.

Человечеству давно известны электрические свойства некоторых веществ. Еще древним грекам, жившим за несколько веков до нашей эры, была известна таинственная притягательная сила, возникающая в янтаре при его натирании. Своим названием электричество и обязано янтарю, поскольку это слово происходит от слова «электрон», что по-гречески означает «янтарь».

Электрические свойства кристаллов, и в частности кристаллов турмалина, с незапамятных времен были известны на Цейлоне и в древней Индии. Было установлено, что кристалл турмалина, помещенный в горячий пепел, сначала притягивает пепел, а затем отталкивает его. Однако прошли века и даже тысячелетия, пока об этом удивительном свойстве узнали в Европе. Это было время длительных, рискованных, но выгодных походов европейских купцов в Индию за пряностями, тонкими узорчатыми тканями, диковинными камнями. Вместе с этими драгоценностями и был завезен в Европу кристалл турмалина — черный блестящий минерал.

И не столько красота, сколько таинственные свойства турмалина привлекали всеобщее внимание. «Цейлонский магнит», «пеплопритягатель» — такие забавные названия кристаллов турмалина можно встретить в старых учебниках минералогии. Было установлено, что кристалл турмалина притягивает не только горячий пепел, но и обрывки бумаги, волосы и другие легкие тела.

Был проведен такой опыт: нагретый кристалл через шелковое сито посыпали смесью порошков серы и сурика. Оказалось, что кристалл турмалина сразу разделяет смесь порошков на красный сурик и желтую серу: сера прилипает к одному концу кристалла, а сурик — к другому. При трении о шелковые нити сита порошок электризуется, причем сера получает отрицательный заряд, а сурик — положительный. Известно, что отрицательно заряженные тела притягиваются лишь к положительному заряду и, наоборот, положительно заряженные тела — только к отрицательному. Стало быть, при нагревании кристалл турмалина электризуется, причем на одном конце его появляются отрицательные электрические заряды, а на другом — положительные. Подобные опыты проводились и с другими кристаллами, которые также электризовались при нагревании.

Это явление получило название пироэлектричества, что в переводе означает электричество, возникающее от огня (от греческого слова «пирос» — огонь). Позже было установлено, что пироэлектричество тесно связано с пьезоэлектричеством. Однако потребовалось длительное время, прежде чем ученые узнали об этом.

Шли годы. В течение нескольких веков ученые многих стран шаг за шагом открывали новые удивительные свойства кристаллов. Начало кристаллографии — учению о свойствах, происхождении и выращивании кристаллов— было положено датчанином Николаем Стеноном в 1669 году. Большой вклад в эту науку внесли русские кристаллографы Федоров и Гадолин.

И только после того как были изучены основные свойства кристаллов и люди научились получать и использовать электрическую энергию, молодые французские ученые братья Пьер и Жак Кюри в 1880 году открыли явление пьезоэлектричества. Это открытие было не случайным. Своим успехом братья Кюри обязаны напряженному творческому труду многих ученых и инженеров. Интересен тот факт, что Пьер Кюри был физиком, а Жак Кюри — кристаллографом.

Чем же руководствовались братья Кюри в своем открытии? Какие свойства кристаллов их интересовали?

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить строение вещества и рассказать о свойствах кристаллов.

Известно, что окружающие нас тела состоят из мельчайших невидимых глазом частиц — атомов. Размеры атомов чрезвычайно малы: они составляют стомиллионные доли сантиметра. Атомы объединяются в молекулы, более крупные частицы.

Молекулы бывают однородными и разнородными. Однородные молекулы состоят из одинаковых атомов, а разнородные — из самых различных. Вещество, состоящее из однородных молекул, простое, его нельзя разложить на какие-либо другие вещества. Если же в состав вещества входят молекулы, построенные из разных атомов, то такие вещества называются сложными. Вода, например, сложное вещество: она состоит из кислорода и водорода, которые уже нельзя разложить на другие вещества.

Сами атомы имеют сложное строение и состоят из электрически заряженных частиц. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные частицы — электроны (рис. 1). При этом положительный заряд ядра уравновешен отрицательным зарядом электронов, и в своем обычном состоянии атом электрически нейтрален.

Если же изменить число электронов в атоме, то он выйдет из состояния равновесия. Если, например, удалить один или несколько электронов, то положительный заряд атома станет больше отрицательного и весь атом в целом окажется заряженным положительно. Такой атом называется положительным ионом. Или наоборот, если добавить один или несколько электронов, то атом приобретет отрицательный заряд и превратится в отрицательный ион.

Как располагаются атомы в веществе? Расположены ли они в определенном порядке или беспорядочно, хаотично? Ответить на этот вопрос было трудно. Ведь атомы и молекулы настолько малы, что их невозможно увидеть даже в самый мощный микроскоп. Но ученые обошлись и без этого. Им помогли рентгеновские лучи, которые показали, как расположены атомы в разных веществах.

В кристаллических веществах частицы расположены геометрически правильно, по строгим законам. Если бы мы могли уменьшить свой рост до величины атома и проникнуть внутрь кристалла, то увидели бы, что вокруг нас во все стороны, не только вправо и влево, вперед и назад, но и вверх и вниз тянутся ровные бесконечные ряды атомов. Эти правильные ряды атомов в пространстве называются пространственными решетками, так как они действительно напоминают решетки (рис. 2).

С помощью рентгеновских лучей люди узнали, что у разных кристаллических веществ пространственные решетки разные. Каждое кристаллическое вещество можно отличить от другого кристаллического вещества по его пространственной решетке. В одних кристаллах очень простые решетки, в других — сложные.

Теперь мы можем сказать, что кристаллы — это тела, в которых атомы (молекулы, ионы) расположены в пространственных решетках строгой геометрической формы.

Рентгеновские лучи обнаружили кристаллическое строение не только в известных до того времени кристаллах, но и во многих других телах. Даже сажа, человеческий волос, шерсть, шелк и т. п. оказались построенными из кристаллов.

Но во всех ли веществах атомы расположены геометрически правильно? Конечно, нет. Существуют и такие твердые тела, в которых атомы расположены в беспорядке, как в газе или в жидкостях. Подобные тела называются аморфными, что означает в переводе с греческого «бесформенный». К такой группе тел относятся стекло, смола, столярный клей.

Однако и в аморфных телах атомы с течением времени могут в одном месте или сразу в нескольких местах собраться в правильную решетку. Тогда в этих местах появляются микроскопически маленькие кристаллики. Постепенно они вырастают и заполняют всю массу тела: аморфное тело закристаллизовалось. Так можно наблюдать помутнение старого стекла. Оно становится мутным, потому что в нем образуется множество мелких непрозрачных кристаллов.

Кристаллические тела бывают двух видов. Кристаллы, имеющие природную форму многогранников — кубов, параллелепипедов, призм, пирамид, называются монокристаллами или просто кристаллами. Тела, не имеющие многогранной формы, а состоящие из множества мелких, сросшихся между собой кристалликов, называются поликристаллами.

Кристаллы различных веществ отличаются друг от друга по форме (рис. 3). Кристаллы кварца имеют форму шестигранных призм, алмаза — восьмигранника, а граната — двенадцатигранника. Столбики берилла никогда не спутаете с пластинками слюды. Самая простая форма у кристаллов поваренной соли — форма куба.

Но в природе редко встречаются кристаллы в виде правильных многогранников, чаще они неправильной формы. Это объясняется тем, что от действия воды, ветра, морозов кристаллы растрескиваются; в твердых породах кристаллы мешают друг другу расти; различные растворы разъедают кристаллы. Но все-таки свойства кристаллов остаются прежними. А что самое замечательное — остаются постоянными углы между одними и теми же гранями кристалла. Это свойство кристаллов называется законом постоянства углов, который объясняется внутренним строением кристаллов, т. е. тем, что частицы вещества расположены в геометрически правильной пространственной решетке. От ее формы и зависит форма кристалла. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим ячейку пространственной решетки кристалла поваренной соли (рис. 4). Этот кристалл состоит из молекул, каждая из которых содержит положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. Поскольку разноименно заряженные тела притягиваются друг к другу, а одноименно заряженные отталкиваются, молекулы поваренной соли группируются так, чтобы расстояния между одноименными ионами были как можно большими, а между разноименными — как можно меньшими.

Поэтому ячейка пространственной решетки поваренной соли представляет собой куб, по углам которого, чередуясь в шахматном порядке, располагаются ионы натрия и хлора, потому что такое расположение уравновешивает электрические силы ионов.

Образованная таким образом ячейка кристалла является его зародышем. Если поместить ее в среду, насыщенную ионами натрия и хлора, то ячейка со всех сторон начнет обрастать все новыми и новыми молекулами. При этом разноименные ионы будут чередоваться в таком же шахматном порядке. Следовательно, при росте кристалла его грани будут передвигаться параллельно самим себе, а значит, углы между гранями кристалла не изменятся.

Таким же образом происходит образование и рост не только кристаллов поваренной соли, но и всех других кристаллических тел.

Проще всего получить кристаллы из насыщенных растворов. Такой раствор легко приготовить, если взять стакан горячей воды и насыпать в него любой порошок кристаллического вещества: сахара или соли, медного купороса или соды. При этом нужно размешивать порошок до тех пор, пока он не перестанет растворяться. Если раствор охладить, то растворимость вещества уменьшится и раствор станет пересыщенным. А это значит, что вещества в растворе оказалось больше, чем его может раствориться при данной температуре. Поэтому лишнее вещество выделяется из раствора и оседает на дне стакана в виде кристаллов. Чтобы получить кристаллы большей величины, надо полученный осадок опустить в новый пересыщенный раствор. Проделывая это несколько раз, можно получить кристаллы значительных размеров.