Анизотропия кристаллов. Введение, анизотропность - общие свойства кристаллов
Знаменитое изречение академика А. Е. Ферсмана”Почти весь мир кристалличен. В мире царит кристалл и его твердые прямолинейные законы”полностью согласуется с неугасающим научным интересом ученых всего мира и всех областей знания к данному обьекту исследования.
В течение долгих столетий геометрия кристаллов казалась таинственной и неразрешимой загадкой. Вплоть до XVII в. дальше описаний “удивительных угловатых тел”дело не шло. Датский геолог,кристаллограф Николаус Стеной(1638-1686)впервые сформулировал основные понятия о формировании кристаллов:”Рост кристалла происходит не изнутри,как у растений, но путем наложения на внешние плоскости кристалла мельчайших частиц, приносящихся извне некоторой жидкостью”. Эта идея о росте кристаллов в результате отложения на гранях все новых и новых слоев вещества сохранила свое значение и до сих пор. Ученый открыл закон постоянства углов,но написал он его очень кратко. Этот закон окончательно утвердился в науке после выхода в свет “Кристаллографии”(1783г.)французского естествоиспытателя Ж. Б, Роме де Лиля (1736-1790):”Грани кристалла могут изменяться по своей форме и относительным размерам,но их взаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода кристаллов”. Закон постоянства углов явился надежным фундаментом для развития геометрической кристаллографии и лег в основу специальных методов Е. С. Федорова,А. К. Болдырева. Эти методы позволяют по углам между гранями,т. е. по внешней форме кристаллов,определять их вещество.
Закон постоянства углов. Внешняя форма кристаллов одного вида может быть различной,но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными.
Рассматривая выращенный кристалл и измеряя углы между гранями мы можем проверить закон постоянства углов. Существенным свойством кристалла является анизотропность. Анизотропия кристаллов воспринимается теоретически очень трудно,поэтому с помощью практической работы можно увидеть и пронаблюдать анизотропию кристаллов.
Глава 1. Кристаллы. Кристаллическая решетка.
Большинство окружающих нас твердых тел – вещества в твердом состоянии. Специальная область физики-физика твердого тела-занимается изучением строения и свойств твердых тел. Эта область физики является ведущей во всех физических исследованиях. Она составляет фундамент современной техники. Знать свойства твердых тел жизненно необходимо.
В любой отрасли техники используются свойства твердого тела:механические,тепловые,электрические,оптические и т. д. Все большее применение в технике находят кристаллы. Ученые,лауреаты Ленинской и Нобелевской премий А. М. Прохоров и Н. Г. Басов разработали квантовый генератор(лазер). Действие лазеров основано на использование свойств монокристаллов
Кристаллы-это твердые тела,атомы или молекулы которых занимают определенные,упорядоченные положения в пространстве.
В начале 19 века впервые было высказано предположение,что внешне правильная форма кристаллов обусловлена внутренне правильным расположением частиц,из которых состоят кристаллы. На основании исследований немецкого физика-теоретика М. Лауэ посредством рентгеновских лучей было выяснено,что это предположение справедливо.
Кристаллы характеризуются наличием значительных сил межмолекулярного взаимодействия, вследствие чего они сохраняют постоянными не только свой обьем,но и форму. Кристаллы различных веществ имеют различную форму.
Для наглядного представления внутренней структуры кристалла применяется способ изображения его с помощью пространственно- кристаллической решетки,узлы которой совпадают с центрами атомов или молекул в кристаллах.
Кристаллы могут иметь форму различных призм и пирамид,в основании которых могут лежать только правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник. Представления о периодической структуре кристаллов и симметрии расположения атомов в них в настоящее время имеют строгое экспериментальное подтверждение. Наглядные картины расположения атомов в кристалле удается получать с помощью электронного микроскопа и ионного проектора.
Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Монокристаллом называют одиночный кристалл,имеющий макроскопическую упорядоченную кристаллическую решетку. Монокристаллы обычно обладают геометрически правильной формой. Существенным свойством монокристалла является анизотропия-неодинаковость его свойств по различным направлениям.
Большинство встречающихся в природе и получаемых в технике твердых тел представляют собой множество расположенных беспорядочно мелких кристаллов,которые срослись между собой. Такие тела называются поликристаллами. В отличие от монокристаллов поликристаллы изотропны,т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях. Обьясняется это тем,что кристаллы,из которых состоит поликристаллическое тело,ориентированны друг по отношению к другу хаотически. В результате ни одно из направлений не отличается от других.
Существуют четыре типа кристаллов:молекулярные,ковалентные (атомные),ионные и металлические.
Алмаз-кристаллическое вещество с атомной кристаллической решеткой. Каждый атом в кристалле алмаза связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами (рис. 3 кристаллическая решетка алмаза). Это обусловливает исключительную твердость алмаза. Алмаз широко применяют для обработки особо твердых материалов:для резки стекла,при буровых работах в геологии,в полупроводниковых схемах. Алмаз практически не проводит электрический ток,плохо проводит тепло. Прозрачные образцы алмаза сильно преломляют лучи света и при огранке красиво блестят,из таких алмазов делают украшения (бриллианты).
Графит-пример кристалла с так называемой слоистой структурой,у него различие структуры вдоль слоев и поперек них бросается в глаза. В кристаллической решетке графита атомы углерода расположены слоями,состоящими из шестичленных колец. Расстояние между слоями сравнительно велико:примерно в два раза больше,чем длина стороны шестиугольника. Поэтому связи между слоями менее прочны,чем связи внутри них.
Графит мягок,легко расслаивается, непрозрачен, электропроводен и не похож на драгоценный камень. А между тем и алмаз,и графит-это чистый углерод. Различие свойств алмаза и графита связано только с различием кристаллических решеток. При определенных условиях возможен переход вещества из одной кристаллической модификации в другую. Если нагреть графит до температуры 2000-2500 К под давлением 109 Па,то произойдет перестройка кристаллической решетки. в результате чего графит превращается в алмаз. Так получают искусственные алмазы.
Различие в строении кристаллических решеток двух разновидностей углерода (графита и алмаза) обьясняет различие в их физических свойствах:мягкость графита и твердость алмаза; графит-проводник электричества, алмаз-диэлектрик(нет свободных электронов).
Вывод: Частицы, составляющие кристаллы, расположены друг относительно друга в определенном порядке,на определенных расстояниях друг от друга. Совокупность узлов,т. е. точек,соответствующих средним положениям частиц,составляющих кристалл,называют пространственной решеткой этого кристалла Все физические свойства,благодаря которым кристаллы так широко применяются,зависят от их строения-их пространственной кристаллической решетки.
Глава 2. Анизотропия кристаллов.
Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям неодинаковы. Поэтому механические,тепловыек,электрические и оптические свойства кристаллов по разным направлениям оказываются различными. Это свойство кристаллов называется анизотропией.
В кристаллической решетке различно число частиц,приходящихся на одинаковые по длине,но разные по направлению отрезки, т. е. плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям не одинакова,что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений.
Простейший пример анизотропии кристаллов –неодинаковая их механическая прочность по разным направлениям. Кристаллы легче всего раскалываются с образованием кусков,ограниченных плоскими гранями,пересекающимися под определенными углами.
Например,кристаллы слюды,имеющие вид тонких пластинок,очень легко разделяются на еще более тонкие пластинки. Если разбить кристаллы соли,то получатся более мелкие кристаллы той же формы. Тела,состоящие из одного или нескольких одинаково расположенных кристаллов,легче деформируются в одном направлении,чем в другом. Это, например, относится к кускам льда. По своим механическим свойствам брусок из льда похож на стопу стеклянных пластин, соединенных не вполне затвердевшим клеем.
Бесцветные кристаллы каменной соли прозрачны,как стекло. Если ударить ножом или молоточком по кристаллу,он разбивается на кубики с ровными,гладкими,плоскими гранями. Это явление спайности,т. е. способности раскалываться по ровным,гладким плоскостям,так называемым плоскостям спайности. Кристаллы кальцита тоже обладают спайностью: при ударе они всегда разбиваются вдоль одной из его диагоналей.
Спайность-это проявление анизотропии прочности кристаллов:силы сцепления между атомами в некоторых симметрично расположенных плоскостях очень малы, и кристаллы раскалываются по этим плоскостям.
Теплопроводность некоторых кристаллов по различным направлениям также не одинакова. У графита теплопроводность вдоль слоев в четыре раза больше, чем по нормали к слоям: тепло легче передается в тех плоскостях и направлениях,где атомы плотно упакованы.
Иногда кристаллы образуются прямо из паров,а не из жидкости. В этом случае они бывают особенно правильны. Примером этого является образование инея и снежинок из водяных паров воздуха. Одна снежинка-это группа кристалликов,образованная более чем из двухсот ледяных частичек. Снежные кристаллы образуются из расположенных в безупречном порядке молекул воды. Но почему они всегда шестиугольные?
Каждая снежинка формируется из шестиугольной молекулы воды. Один атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода(два через атомные связи и два через водородные мостики). Затем появляются другие такие же молекулы,все они присоединяются к первой.
Главная особенность,определяющая форму кристалла (снежинок),это крепкая связь между молекулами воды,подобная соединению звеньев в цепи. Отсюда и симметрия. Симметрия-это свойство кристаллов совмещаться друг с другом в различных положениях путем поворотов,отражений,параллельных переносов.
Вывод:Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не одинакова по различным направлениям. Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям также неодинаковы. Это приводит к зависимости свойств кристаллов от направления-анизотропии.
Глава 3. Кристаллическая решетка поваренной соли.
Простой пример кристаллической решетки представляет решетка кристалла хлористого натрия. Молекула этого вещества состоит из одного атома хлора и одного атома натрия(NaCl). Кристаллическая решетка хлористого натрия состоит из чередующихся ионов хлора и натрия. Каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора,расположенными по трем взаимно перпендикулярным направлениям, а каждый ион хлора в свою очередь окружен шестью ионами натрия. У хлористого натрия расстояние между соседними ионами равно 2,81*10-10 м.
В решетке поваренной соли раскалывание происходит легче всего по плоскостям,параллельным АА или ВВ. Поэтому,ударив молотком по кубику кристалла поваренной соли мы разобьем его снова на правильные кубики.
В кубической структуре кристалла Na Cl ,в котором расстояния между ионами одинаковы по трем направлениям,в других направлениях свойства кристаллов сильно отличаются. Происходит это не только потому,что в других направлениях между атомами расстояния другие,но и вследствие иного рспределения сил связи между атомами. Рассмотрим,для примера,направление обьемной диагонали в кристалле NaCl. Перпендикулярно ей чередуются плоскости,образующие грани октаэдра. Каждая из этих плоскостей состоит только из одного типа ионов,из Na+или Cl-. Силы притяжения,возникающие между такими плоскостями,в пять раз больше,чем силы между плоскостями,параллельными граням куба,в каждой из которых лежат и те и другие ионы,и Na+,и Cl-. Вот почему кристалл Na Cl гораздо легче расколоть по плоскостям куба,чем по плоскостям октаэдра. Поэтому он и кристаллизуется,образуя кубы.
Симметрия внешней формы и симметрия физических свойств вызваны симметрией внутреннего строения кристалла,то есть расположением атомов(ионов) в твердом теле.
Кубическая форма у NaCl вызвана правильным расположением в пространстве ионов Na+ и Cl-.
Глава 4. Практическая работа ”Выращивание кристалла поваренной соли “.
Цель работы:наблюдение за процессом роста кристалла хлористого натрия и сравнение полученных кристаллов с моделями кристаллических решеток,проверить анизотропию прочности путем раскалывания.
Ход работы:
Чтобы вырастить кристаллы в домашних условиях,нужно приготовить перенасыщенный раствор соли. В качестве исходного вещества выбрали соль,которые использует человек очень часто, это поваренная соль.
Налила в стакан горячей воды и посыпала в него поваренную соль,все время помешивая. Сыпала до тех пор,пока соль не перестала растворяться и на дне образовался осадок,не исчезающий при помешивании. Затем взяла кусочек тонкой проволоки и обмотала его шерстяной ниткой. На стакан сверху положила палочку и к ней подвесила обмотанную проволочку на нитке. Рассол постепенно остыл,потом вода из него начала испаряться. Через три дня (можно дольше) вытянула проволочку. Соль осела на шерстинках маленькими правильными кубиками.
Нужно периодически измерять размеры некоторых граней. Грани кристалликов изменяют свои размеры,они растут,углы между соответственными гранями остаются постоянными.
Сравнили формы полученных кристаллов с формами моделей кристаллических решеток. У поваренной соли NaCl грани должны иметь форму квадратов,а кристаллы –кубов. Выращенный кристалл соответствует этим требования
Выбрала наиболее удобный, приемлемый способ выращивания кристаллов в домашних условиях и вырастила кристаллы поваренной соли. По мере роста кристаллов проводила наблюдение. Сравнила формы полученных кристаллов с формами их кристаллических решеток,они соответствуют формам кристаллам-кубам.
Силы притяжения,возникающие между плоскостями состоящие только из одного типа ионов Na+ или Cl-(образующие грани октаэдра) в пять раз больше чем между плоскостями параллельными граням куба,в каждом из которых лежат и те и другие ионы, и Na+,и Cl-. Вот почему кристалл Na Cl гораздо легче расколоть по плоскостям куба,чем по плоскостям октаэдра. Поэтому он и кристаллизуется,образуя кубы. Кристалл фактически состоит из ионов противоположных знаков.
Заключение
Монокристаллы - твердые тела,частицы которых образуют единую кристаллическую решетку.
Внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной,но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными. Это закон постоянства углов сформулировал французский естествоиспытатель Ж. Б. Роме де Лиля. Он сделал важный вывод: правильная форма кристаллов связана с закономерным размещением частиц, образующих кристалл. Монокристаллами являются большинство минералов. Однако крупные природные монокристаллы встречаются довольно редко. В настоящее время многие монокристаллы выращиваются искусственно.
Кристаллы характеризуются наличием значительных сил межмолекулярного взаимодействия. Силы взаимодействия между атомами в кристаллах по разным направлениям неодинаковы Силы притяжения,возникающие между плоскостями образующие грани октаэдра в кристаллах поваренной соли состоящих из ионов одного типа,в пять раз больше,чем силы между плоскостями,параллельными граням куба,в каждой из которых лежат и те и другие ионы,и Na+,и Cl-. В этом можно проследить действие закона анизотропии. Суть его в том, что многие свойства твердых тел зависят от направления,в котором эти свойства измеряются. Мы исследовали анизотропию прочности на поваренной соли. Если кристаллы поваренной соли,имеющие кубическую форму,раскалывать,то мелкие осколки будут иметь преимущественно форму прямоугольных параллелепипедов. Это значит,что в направлениях, параллельных граням,прочность кристалла поваренной соли гораздо меньше,чем в диагональных и других направлениях. Исследовать другие физические свойства мы не смогли из-за ограниченности приборов и материалов. Например,теплопровдность кристалла,измеренная в различных направлениях,может оказаться неодинаковой. Она будет одинаковой лишь в параллельных и симметричных направлениях. То же можно сказать об электропроводности,твердости, и других свойствах. Иначе говоря,симметрия внешней формы сопровождается и симметрией физических свойств кристаллов.
АНИЗОТРОПИЯ (от греч. anisos-неравный и tropos-образ, оборот), особенность тел, заключающаяся в том, что свойства их в различных направлениях неодинаковы. Грубой А. обладает, напр., дерево: простым глазом видно, что оно состоит из волокон, вытянутых в одном направлении; поэтому, оно легко раскалывается в этом направлении, а в направлении перпендикулярном может быть только перепилено или перерублено. А. обладает большинство кристаллов, в к-рых она вызывается особым, упорядоченным расположением атомов. А. может проявиться в любых физ. свойствах тела; так, по разным направлениям может оказаться различная упругость, различная сжимаемость, различная теплопроводность и электропроводность. Особенно резко сказывается А. в оптических свойствах тела. Такая оптическая А. свойственна всем кристаллическим системам за исключением т. н. правильной. Луч света, попадая в анизотропный кристалл, распадается на два совершенно разных луча: «обыкновенный» (поляризованный в плоскости главного сечения) и «необыкновенный» (поляризованный перпендикулярно к ней). Оказывается, что скорость распространения света в «необыкновенном» луче сильно зависит от направления. Если в пространстве изобразить скорости света в виде стрелок, направленных из одной точки в различные стороны, и если величину каждой стрелки взять пропорциональной скорости света в данном направлении, то концы всех стрелок будут лежать на некотором эллипсоиде (Гюйгенса). В животных тканях оптическая А. встречается нередко. Примером могут служить: поперечнополосатые мышечные волокна, в к-рых правильно чередуются темные анизотропные участки со светлыми изотропными; костная ткань, дающая ясную картину крестов при исследовании в поляризованном свете, и пр. При растяжении А. может быть обнаруживаема и в таких образованиях, где она в покоющемся состоянии не выступает ясно, например, в клейдающих волокнах соединительной ткани. Подробности А. в животных тканях-см. по отно-ношению к каждой отдельной ткани. Анизотропное вещество мыш-ц ы. Скелетные мышцы состоят из волокон, к-рые под микроскопом обнаруживают чередование светлых и темных поперечных полос. Последние анизотропны, т. е. их вещество имеет различные свойства в разных направлениях. В зависимости от этого, темные полосы обнаруживают при исследовании в поляризованном свете двойное лучепреломление. Мышцы по отношению к поляризованному свету таковы, какими они долиты были быть, если бы они были построены из одноосных положительных кристаллов с длинной осью параллельно оси мышечного волокна. Гладкие мышцы также обнаруживают двойное преломление. Сократимость мышцы связана с анизотропным веществом; доказано, что сократимость и двоякое преломление в мышце появляются при развитии мышечного волокна одновременно. АНИ30ХР0МИЯ (от греч. anisos - неравный и chroma-краска), различная интенсивность окраски эритроцитов, зависящая от неодинакового содержания в них НЬ; А. можно наблюдать на неокрашенных и окрашенных мазках крови, в которых, на ряду с интенсивно окрашенными эритроцитами (гиперхромия), можно встретить красные шарики с нормальным содержанием пигмента или с очень бледно окрашенной периферической зоной (гипохромия). Неравномерное распределение НЬ может встречаться в одном и том же эритроците, - при этом периферия бледно окрашена, а центр представляет интенсивно окрашенный диск, соединенный с периферией тонким мостиком окрашенной плазмы. А. встречается при недостаточности кроветворения или при чрезмерности его после предварит, потери крови.Плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Вследствие этого в различных плоскостях и направлениях решётки многие свойства(химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления решётки.
Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях наз. анизотропией .
Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов, аморфные тела(стекло) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность упаковки атомов и поэтому одинаковые свойства в различных направлениях. Аморфные тела изотропны .
Технические металлы состоят из большого количества по разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов и являютсяполикрис-таллами . Кристаллы неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому и поэтому свойства во всех направлениях получаются усред-нёнными (одинаковыми). Эта кажущаяся независимость свойств от направления наз. квазиизотропией (мнимая изотропность).
Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если все кристаллиты имеют одинаковую ориентировку в каком-то направлении. Эта ориентированность или текстура создаётся в результате значительной холодной деформации, например прокатки. Тогда поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств (вдоль и поперёк прокатки).
§ 8. Особенности кристаллического строения реальных кристаллов.
Виды несовершенств.
Реальный кристалл, в отличие от идеального, всегда имеет структурные несовершенства или дефекты. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на три типа:
точечные (нуль-мерные), - размеры которых малы во всех трёх измерениях;
линейные – размеры которых малы в двух направлениях (одномерные);
поверхностные – размеры которых малы только в одном измерении (двухмерные).
К точечным дефектам относятсявакансии или “дырки” (дефекты Шотки), т.е. узлы решётки, в которых атомы отсутствуют. Это происходит потому, что атомы колеблются возле точек равновесия (узлов решётки) и чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. В кристалле всегда имеются атомы, которые обладают энергией, значительно превышающей среднюю. Такие атомы имеют не только амплитуду колебаний больше, чем средняя, но и они могут ещё перемещаться с одного места в другое (например из узла в междоузлие, из грани кристалла наружу).
Вышедший из узла решётки атом наз. дислоцированным . Место, где находился такой атом, остаётся в решётке незаполненным, оно наз.вакансией .
При данной температуре в кристалле образуются не только одиночные вакансии, но и двойные, тройные и т.д.
Вакансии образуются и в процессе пластической деформации, а также при бомбардировке металла атомами или частицами высоких энергий(в атомном реакторе).
Межузельные атомы (дефекты Френкеля) образуются в результате перехода атома из узла решётки в междоузлие. В плотноупакованных решётках, характерных для большинства металлов, энергия образования межузельных атомов в несколько раз больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому вакансии в таких кристаллах являются основными точечными дефектами.
Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решётки. Они оказывают влияние на некоторые физические свойства металла (электропроводимость, магнитные свойства) и предопределяют процессы диффузии в металлах и сплавах.
Линейные дефекты. Клинейным несовершенствам относятсядислока-ции , которые бываюткраевые и винтовые.
Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решётки, вызванное наличием в ней “лишней” атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа.
Н
Вектор сдвига
Рис. Сдвиг, создавший краевую дислокацию
- положительная
дислокация
Отрицательная дислокация
Рис. Схемы расположения атомов у дислокации.
Кристаллическая решётка вокруг дислокации упруго искажена на несколько атомных расстояний. Длина линии дислокации может составлять несколько тысяч параметров решётки.
Винтовые дислокации . В отличие от краевых расположены параллельно направлению сдвига. При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности.
Образование дислокаций может происходить в процессе кристаллизации, при пластической деформации, термической обработке и др. процессах. С помощью дислокаций можно объяснить многие явления, связанные с прочностью металлов, особенностями фазовых превращений, протекающих в сплавах, и др. явления.
Поверхностные дефекты . Эти несовершенства связанны с границами зерен. На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объёме зёрна. Каждое зерно металла состоит из отдельныхблоков илисубзёрен , образующих так называемуюмозаичную структуру илисубструктуру . Зёрна металла разориентированы относительно друг друга на величину, достигающую от нескольких долей градуса до нескольких градусов или их десятков.
Блоки, или субзёрна, также повёрнуты по отношению друг другу на угол от несколько секунд до нескольких минут. В пределах каждого блока решётка почти идеальная, если не считать точечных дефектов. По границам зёрен скапливаются дислокации, а также примеси и включения. По границам зёрна расположены менее правильно, т. к. решётка одного кристалла, имеющего определённую кристаллографическую ориентацию, переходит в решётку другого кристалла, имеющего другую кристаллографическую ориентацию.
С увеличением угла разориентировки блоков или субзёрен и уменьшения их величины плотность дислокаций в металле увеличивается. Вследствие того, что в реальном поликристаллическом металле протяжённость границ блоков и зёрен очень велика, количество дислокаций в таком металле огромно (10 4 – 10 12 см -2).
АНИЗОТРОПИЯ (от греческого ανισος - неравный и...тропия), зависимость физических свойств вещества (механических, электрических, магнитных, оптических) от направления (смотри Магнитная анизотропия, Оптическая анизотропия, а также Анизотропная среда).
Анизотропия — наиболее характерная особенность кристаллов, связанная с их симметрией и проявляющаяся тем сильнее, чем ниже симметрия кристаллов. При нагревании шара из изотропного вещества происходит его равномерное расширение по всем направлениям, то есть он остаётся шаром. Шар из кристаллического вещества при нагревании изменяет свою форму (рисунок). Не все свойства кристаллов анизотропны; например, их плотность и удельная теплоёмкость не зависят от направления (то есть изотропны).
Изменение формы шара из кристаллического вещества (изображён пунктиром) при нагревании: а - шар расширяется в одном направлении и сжимается в другом, перпендикулярном ему; 6 - шар неравномерно расширяется в обоих направлениях.
Анизотропия механических свойств кристаллов состоит в различии твёрдости, вязкости, упругости в разных направлениях. Анизотропию упругих свойств оценивают по главным значениям модулей упругости. Кубические монокристаллы характеризуются тремя главными значениями модулей упругости (вдоль трёх осей куба). Для кристаллов более низкой симметрии необходимо знание большего числа компонент модулей упругости. Анизотропию многих свойств кристалла, в том числе коэффициентов линейного теплового расширения и электрического сопротивления, характеризуют значениями соответствующих констант вдоль главной оси симметрии и перпендикулярно ей.
Анизотропные свойства кристаллов математически описываются векторами и тензорами, в отличие от изотропных свойств, описываемых скалярными величинами. Для задания векторной величины, например, средней намагниченности кристалла, необходимо знание трёх проекций вектора на оси координат. Электрическая проводимость, теплопроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемости описываются симметричными тензорами 2-го ранга (необходимо знание 6 компонент).
Причиной анизотропии кристаллов является упорядоченное расположение частиц в них, при котором расстояние между соседними частицами, а, следовательно, и силы связи между ними различны в разных направлениях. Анизотропия жидких кристаллов связана с асимметрией и определённой ориентацией самих молекул. Поликристаллические материалы, состоящие из большого числа случайно ориентированных мелких монокристаллов, изотропны. Анизотропия свойств в них может быть искусственно вызвана внешним воздействием, например, отжигом, прокаткой и т.п. (смотри Текстура).
Анизотропия широко распространена в природе. Например, анизотропия является диагностическим признаком ряда минералов, многие из которых имеют различную твёрдость по разным направлениям (кианит, алмаз), обладают плеохроизмом (кордиерит, турмалин), спайностью (слюды), двойным лучепреломлением (исландский шпат) и др. С анизотропией связана возможность обработки алмаза алмазным инструментом и т.п.
Смотри также статью Минерал.
Лит.: Современная кристаллография. М., 1981. Т. 1: Симметрия кристаллов.
, показателя преломления , скорости звука или света и др.) по различным направлениям внутри этой среды; в противоположность изотропии .
В отношении одних свойств среда может быть изотропна , а в отношении других - анизотропна ; степень анизотропии также может различаться.
Частный случай анизотропии - ортотропия (от др.-греч. ὀρθός - прямой и τρόπος - направление) - неодинаковость свойств среды по взаимно перпендикулярным направлениям.
Примеры
Анизотропия является характерным свойством кристаллических тел (точнее - лишь тех, кристаллическая решетка которых не обладает высшей - кубической симметрией). При этом свойство анизотропии в простейшем виде проявляется только у монокристаллов. У поликристаллов анизотропия тела в целом (макроскопически) может не проявляться вследствие беспорядочной ориентировки микрокристаллов, или даже не проявляется, за исключением случаев специальных условий кристаллизации, специальной обработки и т. п.
Причиной анизотропности кристаллов является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния (а также некоторые не связанные с ними прямо величины, например, поляризуемость или электропроводность) оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул. Макроскопически эта неодинаковость проявляется, как правило, лишь если кристаллическая структура не слишком симметрична.
Помимо кристаллов, естественная анизотропия - характерная особенность многих материалов биологического происхождения, например, деревянных брусков.
Во многих случаях анизотропия может быть следствием внешнего воздействия (например, механической деформации, воздействия электрического или магнитного поля и т.д.). В ряде случаев анизотропия среды может в какой-то степени (а в некоторой слабой степени - часто) сохраняться после исчезновения вызвавшего ее внешнего воздействия.
Обменная анизотропия
Обменная анизотропия - особенность петель гистерезиса перемагничивания магнитных материалов, проявляющаяся в несимметричном расположении петли относительно оси ординат .
Анизотропия времени
- Выражается в существовании необратимых процессов.
- Философская и естественнонаучная проблема, исторически связанная с началами термодинамики и понятием энтропии .
- В классической механике время является абсолютной величиной; законы Ньютона инвариантны по отношению к направлению времени.
- также см. Направленность времени .
Примечания
См. также
Ссылки
1. Физическая энциклопедия, под ред. Прохорова А.М., 1988, Москва,"Советская энциклопедия", том 1, стр 83
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Анизотропия" в других словарях:
Анизотропия … Орфографический словарь-справочник
Анизотропия - – жбк. неодинаковость свойств (механических) по разным направлениям. [СНиП 2.03.01 84] Анизотропия – неодинаковость физических свойств материала или вещества по различным направлениям. [Терминологический словарь по строительству на 12 … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Современная энциклопедия
Анизотропия - (от греческого anisos неравный и tropos направление), характеристика физического тела, заключающаяся в том, что различные его свойства (например, механические, электрические, магнитные) в разных направлениях проявляются количественно неодинаково … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (от греч. anisos неравный и tropos направление) зависимость свойств среды от направления. Анизотропия характерна, напр., для механических, оптических, магнитных, электрических и др. свойств кристаллов … Большой Энциклопедический словарь
Разл. значение физ. свойств г. п. и м лов по разным направлениям; характерна для слоистых г. п., а также для п. с неравномерной структурой, при условии, что чередующиеся слои или зерна м лов имеют разл. физ. свойства. А. м лов обусловливается… … Геологическая энциклопедия
- (от греч. anisos неравный и tropos направление), зависимость физ. св в (механич., оптич., магн., электрич. и т. д.) в ва от направления. Естеств. А. характерная особенность кристаллов; напр.. пластинка слюды легко расщепляется на тонкие листочки… … Физическая энциклопедия
анизотропия - Неодинаковость физических свойств материала или вещества по различным направлениям [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] анизотропия Неравномерность плотности материала мембраны в её поверхностном… … Справочник технического переводчика
- (от греч. anisos неравный и tropos направление) в ботанике, способность разных органов одного и того же растения принимать разл. положения при одинаковом воздействии факторов внеш. среды. Напр, при одностороннем освещении растений, верхушки… … Биологический энциклопедический словарь
Сущ., кол во синонимов: 3 анизотропность (1) макроанизотропия (1) неод … Словарь синонимов
Анизотропия - Анизотропия: неодинаковость свойств среды по различным направлениям внутри этой среды...
