Кристаллическая решетка. Примеры и описания

Человек встречается с твердыми кристаллами повсюду: употребляет в пищу соль и сахар, любуется искрящимся снегом в ясную зимнюю погоду и, вообще, живет в поражающем своим многообразием мире кристаллов.

Слово «кристалл» произошло от греческого «krystallos» и во времена Гомера означало «лед». Кристаллы привлекают совершенством и красотой геометрических форм. Причиной геометрически правильной внешней формы кристалла является пространственная решетка.

Внутренняя структура кристалла представляет собой бесконечные симметричные ряды, сетки и решетки из периодически чередующихся частиц. Всегда можно выбрать простейшую пространственную ячейку, при многократном повторении которой и образуется пространственная решетка кристалла.

Это означает, что в любом месте решетки окружение выбранных для рассмотрения атомов будет одинаковым. Причем это окружение будет одинаковым на любом расстоянии от выбранного атома (и вблизи, и вдали). Поэтому говорят, что в кристалле существуют ближний и дальний порядки.

Закономерность расположения частиц, их природа, силы взаимодействия между ними определяют физические свойства кристалла.

Рассмотрим плоскую сетку, которая является фрагментом пространственной решетки (рис. 1). Пусть в узлах этой сетки расположены атомы или ионы, из которых состоит кристалл. Проведя прямые через разные узлы этой сетки (0—1, 0—2, 0—3), нетрудно заметить, что расстояния между узлами (читай: «атомами») на этих прямых будут разными. Разными будут и силы взаимодействия между частицами, а следовательно, и некоторые физические свойства кристалла. Зависимость физических свойств кристалла от выбранного направления получила название анизотропии.

Свойство анизотропии присуще каждому твердому кристаллу. Например, слюда расщепляется на параллельные пластины, только вдоль плоскости с одной определенной ориентацией, а вдоль других плоскостей расщепить ее не удается.

Анизотропной является и скорость роста кристалла. Если бы скорость роста была во всех направлениях одинаковой (т. е. изотропной), то кристалл принимал бы форму шара. Именно вследствие того, что скорость роста кристалла различна в разных направлениях, кристалл имеет форму симметричных правильных многогранников. Внешняя форма кристалла отражает анизотропию его скоростей роста.

Анизотропными являются и другие свойства кристалла — оптические, электрические, магнитные. У кристаллов имеется еще много интересных свойств, но для нас наиболее важным является анизотропия.

Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, совершают колебания. С повышением температуры твердого кристалла амплитуда таких колебаний все время увеличивается, и при определенной температуре атомы покидают «свое» место и привычная для твердого кристалла решетка «разваливается».

Температура, при которой это происходит, называется температурой (точкой) плавления. При этой температуре кристалл переходит в жидкость. Поскольку дальний порядок в расположении атомов исчезает, то в жидкости нет каких-то выделенных направлений и все свойства жидкости во всех направлениях одинаковы, т. е. жидкость изотропна.

Между молекулами жидкости существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. Притяжение молекул проявляется в том, что без вмешательства извне молекулы не покидают объем жидкости. Силы взаимного отталкивания можно «наблюдать», пытаясь сжать жидкость.

Она практически несжимаема, что нашло применение в различных гидравлических устройствах. Среди свойств жидкостей необходимо отметить такие, как текучесть, вязкость, смачивание или несмачивание твердых поверхностей. Некоторые из этих свойств будут необходимы при рассмотрении свойств жидких кристаллов.

Наиболее характерное молекулярное свойство жидкости — поверхностное натяжение. Оно обусловлено тем, что молекулы в поверхностном слое находятся в особом состоянии по сравнению с молекулами внутри жидкости. Последние равномерно окружены соседями, а молекулы на поверхности — нет. Поэтому равнодействующая сил сцепления стремится втянуть внутрь молекулы поверхностного слоя (рис. 2). Поверхностный слой играет роль упругой пленки, которая в условиях равновесия занимает определенную площадь.

Разные жидкости взаимодействуют с поверхностями разных твердых тел неодинаково. Посмотрите, как будет вести себя капля воды на чистом стекле и на поверхности, покрытой воском. В первом случае говорят, что вода смачивает стекло (рис. 3, а), во втором — не смачивает воск (рис. 3, 6). Можно сказать и так: сильно притягивающие молекулы стекла побуждают воду растекаться. Молекулы воды во втором случае испытывают со стороны соседних молекул воска меньшее притяжение, чем со стороны соседних молекул воды.

Еще одно проявление поверхностного натяжения — капиллярность. Если смачиваемая жидкость попадает в узкую щель между твердыми поверхностями, то она начинает продвигаться вдоль этой щели (рис. 4). В этом случае жидкость имеет вогнутую поверхность, но упругие силы изогнутой пленки стремятся сократить ее поверхность, вследствие чего центральная часть пленки продвигается в щель.

Края пленки стремятся к большему контакту с твердой поверхностью, а соответственно и центральная часть продвигается вперед. Такое движение жидкости происходит под действием капиллярных сил. Именно так происходит заполнение жидкокристаллических индикаторов, к чему мы вернемся несколько позже.

При движении жидкости в трубке (рис. 5) скорость течения центрального слоя наибольшая, а по мере удаления от оси трубки она уменьшается. Изменение скорости возникает из-за трения между слоями, которое в жидкости называется вязким. Согласно молекулярно-кинетической теории вязкость жидкостей вызвана передачей импульса от молекул быстро движущегося слоя к молекулам медленно движущегося слоя. Передача импульса происходит при перемешивании молекул соседних слоев вследствие теплового движения.

В случае медленного ламинарного течения характер течения полностью определяется наличием вязкости жидкости. Если на пути такого потока встретится препятствие, то слои жидкости будут плавно огибать его (рис. 6, а).

На поверхности предмета (препятствия) жидкость почти неподвижна. По мере удаления от предмета скорость жидкости постепенно увеличивается, пока не станет такой, какой она была, когда не было препятствия. Распределение скоростей определяется внутренним трением жидкости — вязкостью. Внутреннее трение создает действующую на предмет силу, которая пропорциональна скорости течения.

Когда скорость течения увеличивается, трение в жидкости уже не определяет полностью характер процесса. Линии тока при встрече с предметом расходятся, но за ним уже полностью не смыкаются (рис. 6, б).

Позади предмета линии закручиваются и образуют вихри (водовороты). Такое течение называют турбулентным. Частицы жидкости совершают неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию молекул слоев жидкости.

Вихри могут возникнуть в жидкости и без встречи потока с препятствием — при конвекции. Явление конвекции возникает при нагревании нижнего слоя жидкости. Холодные, а значит, и более плотные верхние слои будут опускаться вниз, а более теплые, следовательно, более легкие будут подниматься вверх. Вследствие такого перемещения и возникают вихри.