Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Концепция современного естествознания» студентки I курса института национальной и мировой экономики группы ?2 Колобекова Алла Владимировна
Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
Государственная Академия Управления имени С. Орджоникидзе
Институт национальной и мировой экономики
Москва
1998 год
Ум человеческий открыл много диковинного в природе и откроет еще больше, увеличивая тем свою власть над ней.
В. И. Ленин «Материализм и эмпириокритицизм»
Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся ими...
Что же такое кристаллы?
В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Это многогранники с плоскими гранями и прямыми ребрами. Правильные и совершенные формы этих камней, безукоризненная гладкость их граней поражают нас. Трудно поверить, что такие идеальные многогранники образовались сами, без помощи человека. Вот эти-то камни с природной симметричной многогранной формой и называются кристаллами.
Кристаллы, залегающие в земле, бесконечно разнообразны. Размеры их достигают подчас человеческого роста. Встречаются кристаллы-лепестки тоньше бумаги и кристаллы-пласты в несколько метров толщиной. В музее Горного Института в Санкт-Петербурге хранится кристалл горного хрусталя высотой около метра и весом больше тонны, который много лет служил тумбой у ворот одного из домов в Свердловске.
Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром говорят: « кристально чистый».
Чешский писатель Карел Чапек в своих «Записках из Англии» пишет: «...Есть кристаллы огромные, как колоннада храма, нежные, как плесень, острые, как шипы; чистые, лазурные, зеленые, огненные, черные; математически точные, совершенные, похожие на конструкции сумасбродных, капризных ученых... Есть кристаллические пещеры, чудовищные пузыри минеральной массы... И в человеке таится сила кристаллизации...»
Рассмотрим кристаллы разных веществ. Как отличить их друг от друга? По цвету? По блеску? Нет, это признаки ненадежные. К примеру, кристаллы кварца могут быть бесцветными, золотистыми, коричневыми, черными, сиреневыми, лиловыми. В музее в Санкт-Петербурге хранится коллекция кристаллов природного корунда сорока различных цветов и оттенков: Кроваво-красный рубин, лазорево-синий или голубой сапфир, бесцветный лейкосапфир, черный наждак- все это один и тот же минерал корунд или окись алюминия.
Приглядевшись к кристаллам внимательнее, нетрудно увидеть их гораздо более характерную особенность: кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами.
Давно прошли те времена, когда считали, что кристаллы - это только естественные многогранники, и поэтому думали, что кристаллы встречаются редко, считали их игрой природы. Кристаллы не надо специально искать. Наоборот, не найдешь таких металлов и почти не встретишь таких камней, которые не были бы кристаллическими. Но в большинстве своем камни и металлы - это поликристаллы, т.е. сростки многих мелких кристаллических «зерен», и в этих сростках уже неразличимы многогранные формы отдельных монокристаллов. Да и не только неразличимы: этих форм просто нет, и не вырастает монокристальное зерно многогранником потому, что со всех сторон теснят его такие же монокристаллы. Поэтому в очертаниях зерна уже не остается следов многогранника.
Нередко образуется поликристалл столь мелкозернистый, что ни в лупу, ни в микроскоп нельзя различить в нем отдельные кристаллики. Как же убедиться в его кристаллическом строении? Каков же самый характерный, самый основной признак кристалла?
Ответ гласит: самая характерная особенность кристалла - это его атомная структура, правильное, симметричное, закономерное расположение атомов.
Кристаллы построены правильно, строго закономерно. И в них тоже атомы, ионы, молекулы не находятся в покое, но частицы не сталкиваются друг с другом, потому что все они расположены правильным строем и каждая может колебаться около определенного положения. Эти правильные ряды частиц в пространстве, трехмерные решетки из атомов, образуют кристаллическую структуру.
Структура всех кристаллических веществ периодична и закономерна. Во всех кристаллах частицы выстраиваются симметричными правильными рядами, плоскими сетками, трехмерными решетками.
Во всех кристаллах, во всех твердых веществах частицы расположены правильным четким строем, выстроены симметричным, повторяющимся узором. Пока есть этот порядок - существует твердое тело, кристалл. Нарушен порядок, рассыпался строй частиц - значит, кристалл расплавился, превратился в жидкость или испарился, перейдя в пар.
Одинаков ли порядок, строй атомов в разных твердых телах? Конечно, нет. Природа бесконечно разнообразна и не любит повторений. Строй атомов железа совсем не похож на постройку атомов в кристалле льда. В каждом веществе есть именно свой, характерный узор и порядок расположения атомов. И от того, каков этот порядок, зависят свойства вещества. Одни и те же атомы одного «сорта», располагаясь по-разному, образуют вещества совсем разных свойств.
Посмотрим, например, на атомы углерода.
Сажа или копоть, - мягкий черный порошок, собирающийся на дне кастрюли или в печной трубе, - это углерод.
Уголь, древесный или каменный, - это тоже углерод.
Графит, мягкий стержень карандаша, выдерживает очень высокие температуры, это кристалл, сложенный из атомов углерода.
Есть и другая форма кристаллов углерода - алмаз, самый дорогой и самый красивый из драгоценных камней. Алмаз очень твердый, тверже всех камней на Земле. Им можно резать, шлифовать и сверлить любые твердые камни и металлы.
Трудно поверить, что алмаз и графит сложены из одних и тех же атомов углерода. Графит мягкий, непрозрачный, черный. Алмаз - твердый, прозрачный, искрящийся всеми цветами радуги. Графит огнеупорный, алмаз легко горит.
Структура кристалла определяет свойства вещества и его форму. А правильная многогранная форма - это следствие атомной структуры. Плоские грани кристалла отвечают плоским сеткам кристаллической решетки, острые прямые ребра - рядам атомов в решетке.
Каждое кристаллическое вещество можно отличить от другого по его атомной структуре. В одних кристаллах решетки очень простые, в других - сложные. В разных веществах различны расстояния между частицами в решетке. Но все эти расстояния очень малы, это стомиллионные доли сантиметра (ангстремы).
Во всех кристаллических веществах атомы, ионы, молекулы образуют симметричные ряды, сетки и решетки. Правильное повторяющееся расположение частиц обязательно для кристаллов, оно является их основной особенностью, отличающей их от некристаллов. На вопрос, что же такое кристаллы, ответ таков: кристаллы - это вещества, в которых составляющие их частицы расположены строго периодически, образуя геометрически закономерную кристаллическую структуру.
Кристаллическая структура обнаружена не только в природных многогранниках камней, в кристаллических горных породах и в металлах, но и в очень многих других телах. Уж на что, казалось бы, глина не похожа на кристаллы, но и она состоит из мельчайших кристаллических частичек. Даже в таких веществах, как человеческие кости, волосы, волокна шерсти, шелк, обнаружено кристаллическое строение.
Громадное большинство твердых веществ на Земле являются кристаллическими. Только кристаллы - большей частью не те прекрасные многогранники, которыми мы любуемся в музеях, а крохотные, подчас невидимые глазом зернышки. Однако внутреннее строение этих невзрачных зерен столь же красиво и удивительно закономерно, как и строение чудесных больших многогранников.
С самых ранних времен человеческой культуры люди ценили красоту драгоценных камней.
Алмаз! Это название известно каждому. С ним ассоциируются представления о несравненном блеске и непревзойденной твердости. Со вторым свойством связано и название минерала, которое происходит или от арабского слова «ал-мас» («твердейший») или от греческого « адамас» («непреодолимый, несокрушимый»).
Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений и большое валютное значение. Прозрачные бесцветные или красиво окрашенные кристаллы алмаза, пригодные для огранки, являются драгоценными камнями 1-го класса, так же как сапфир, рубин, изумруд, александрит, эвклаз. Ювелиры разделяют алмазы почти на 1000 сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин, минеральных включений и некоторых других признаков.
С конца XIX века алмазы начинают применяться на производстве. В настоящее время экономический потенциал наиболее развитых государств в значительной мере связывается с использованием ими алмазов. Достаточно напомнить, что по оценкам западных экономистов промышленный потенциал США в случае отказа от импорта алмазов упадет в 2-3 раза. Применение алмазного инструмента существенно повышает чистоту обработки деталей, а производительность труда возрастает при этом в среднем на 50 %.
Массу алмазов принято измерять в каратах. Каратом в Древней Греции называли семена рожкового дерева, по форме напоминающие крупную горошину. После высушивания семена имели сравнительно постоянную массу - от 150 до 220 мг.
В промышленности используются преимущественно алмазы, непригодные для огранки: непрозрачные, с многочисленными включениями, трещинами, мелкозернистые сростки, алмазная крошка и т.п. Единой классификации технических алмазов не существует, поскольку каждая отрасль промышленности предъявляет свои требования к их сортировке.