59XIМЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
УДК 537.63
Иванова Алиса Львовна Поляков Антон Иванович Фоминых Светлана Олеговна Ivanova Alisa Lvovna Polyakov Anton Ivanovich Fominykh Svetlana Olegovna
Студент Student
К.ф.-м.н, доцент кафедры математики и физики Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor of the Department
of Mathematics and Physics ФГБОУ ВО «Чувашский государственный педагогический университет им.
И.Я. Яковлева», Чебоксары I. Yakovlev CHSPU, Cheboksary
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РОСТ КРИСТАЛЛОВ
EFFECT OF MAGNETIC FIELD ON CRYSTAL GROWTH
Аннотация. Кристаллы занимают особое место в жизни человека. Они широко используются в науке и технике. Процесс выращивания кристаллов в домашних условиях позволяет глубже понять их физические свойства. В работе исследовано влияние магнитного поля на рост кристаллов.
Abstract: Crystals occupy a special place in human life. They are widely used in science and technology. Growing crystals at home allows for a deeper understanding of their physical properties. In this work, the influence of the magnetic field on the growth of crystals is investigated.
Ключевые слова. кристаллы, поликристаллы, растворы, кристаллизация.
Key words: crystals, polycrystals, solutions, crystallization.
Из курса физики мы знаем, что все тела могут находиться в 3 агрегатных состояниях. в твердом, жидком и газообразном.
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ
В природе часто можно встретить множество твердых тел, некоторые из которых имеют форму правильных многогранников. Такие тела принято называть кристаллами. Изучение физических свойств кристаллов представляет собой весьма увлекательный процесс.
У древних греков слово «кристаллос» обозначало лед. Однако так же называли и водяно-прозрачный кварц (горный хрусталь), ошибочно считавшийся тогда «окаменевшим льдом». Чуть позже этот термин был распространен на все кристаллические тела.
Какие условия нужны для образования хорошо ограненных кристаллов? Кристаллографы подчеркивают, что для этого кристаллы должны расти свободно без постороннего вмешательства. Причем форма кристалла прежде всего зависит от его кристаллической структуры. Немалое влияние оказывает и питающая его среда.
Кристаллы могут иметь всевозможные формы и размеры. По форме все известные кристаллы можно сгруппировать в шесть видов. Некоторые из них разглядеть можно только с помощью микроскопа, а другие весят несколько килограмм.
В природе кристаллы образуются при различных геологических процессах из растворов, расплавов, газовой или твердой фазы. Значительная часть минеральных видов произошла путем кристаллизации из водных растворов.
Однако кристаллизоваться могут не только водяные пары, но и пары других веществ. Например, на фумаролах образуются кристаллы из газов.
На сегодняшний день существует несколько способов изготовления синтетических камней.
Самый простой способ - это испарение растворителя. По мере испарения в сосуд подливаются новые порции раствора. Способ выращивания таких кристаллов разработан С. Киропулосом.
XIМЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ В экспериментах, проведенных в домашних условиях, в качестве основы взяты обычная поваренная соль, лимонная кислота и медный купорос, использующийся в садоводстве.
Для приготовления перенасыщенного раствора соли в чистую посуду необходимо налить горячую воду. Затем в емкость небольшими порциями следует добавить вещество, каждый раз перемешивая и добиваясь полного растворения. Как только раствор «насытится», то его нужно оставить в помещении, где держится постоянная температура. В процессе остывания раствора до комнатной температуры возникает избыточная кристаллизация. Для наблюдения за процессом кристаллизации можно один конец нити опустить в раствор, а другой - крепко закрепить.
Для выращивания монокристаллов нужны идеальные условия: специальная посуда, чистота раствора и строгое соблюдение температурного режима. В связи с тем, что эксперименты были проведены в холодное время, раствор очень быстро остывал, поэтому не удавалось поддерживать температуру постоянной. Также приходилось периодически подогревать содержимое и дополнительно добавлять вещество в раствор. Все эти отклонения от технологии привели к образованию поликристаллов с выраженными плоскими гранями отдельных кристаллов.
Рис. 1
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ Первый эксперимент был проведен с раствором медного купороса. Периодические измерения размеров некоторых граней привели к следующим закономерностям: кристаллы растут, меняются площади граней, их форма, но углы между соответствующими гранями остаются постоянными. Но, возможно, эта закономерность присуща только данному кристаллу? Поэтому для чистоты эксперимента были выращены три разных кристалла медного купороса. Оказалось, что и для остальных кристаллов эта закономерность выполняется. Следовательно, во всех кристаллах данного вещества при одинаковых условиях углы между соответствующими гранями кристаллов постоянны. Результаты эксперимента подчиняются закону постоянства углов, т.е. закону кристаллографии, который был открыт Николаем Стеноном в 1669 году [2].
Второй эксперимент был проведен с раствором лимонной кислоты и позволил сделать следующий вывод: кристаллы разных веществ отличаются друг от друга внешней формой, но, хотя у кристаллов одного и того же вещества облик может оказаться совсем различным, размеры, формы и даже число граней могут отличаться, но углы между соответствующими гранями кристаллов одного вещества всегда постоянны [1]. Форма кристаллов лимонной кислоты - это многоугольник, а форма кристаллов медного купороса -параллелограмм. Кристалл из лимонной кислоты растет достаточно быстро, не требует пристального внимания, а процесс выращивания кристалла из соли является достаточно капризным.
Третий эксперимент был проведен с раствором медного купороса, находящимся в поле постоянного магнита. В постоянном магнитном поле в растворе медного купороса (CuSO4) анионы ^042-) и катионы (Си2+) под действием силы Лоренца начинают двигаться по спирали вдоль линий магнитной индукции (рис.2). По ходу движения они оседают в центрах кристаллизации, теряя заряд.
XIМЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
Рис. 2.
Таким образом, при кристаллизации в магнитном поле кристаллы ориентируются по линиям магнитной индукции.
Для эксперимента взяты два стаканчика с одинаковым раствором медного купороса. Внешние условия (температурный и световой режим) были
Первый раствор находился в поле постоянного магнита, а второй стаканчик - вне магнитного поля.
В стакане, находившемся в поле постоянного магнита, кристаллы появились раньше. Сравнительный анализ, проведенный через неделю, показал:
Кристалл, выращенный в магнитном поле, имеет больший размер и неправильную форму.
Кристалл, находившийся вне магнитного поля, имеет меньший размер, но более правильную форму.
Рис. 3. Слева кристалл, выращенный в магнитном поле, справа - вне совершенно одинаковы
ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Таблица 1
кристаллы физические свойства
форма цвет размер масса кристалла
Под действием магнитного поля неправильная насыщенный 3,0 см 2,5 см 6,860 г.
Вне действия магнитного поля правильная ненасыщенный 3.2 см 2.3 см 6,240 г.
Магнитное поле повлияло на расположение молекул медного купороса при образовании кристаллов. Несмотря на то, что выращивание кристаллов происходило в магнитном поле Земли, усиление магнитного поля постоянными магнитами оказало значительное влияние на форму кристалла.
Измерение плотности кристаллов показало, что плотности кристаллов примерно одинаковые, а значит, магнитное поле не влияет на плотность выросших кристаллов.
1 .Массу кристаллов измерила на электронных весах.
2.Объем определила с помощью мензурки.
3. Вычислила плотность кристаллов (р = m/V).
Масса Объем Плотность
В магнитном поле 6,860 г. 2,6 см3 2,64г/см3
Вне магнитного поля 6,240 г. 2,4 см3 2,6 г/см3
Заключение
Живя на Земле, сложенной кристаллическими породами, мы, безусловно, никак не можем отвлечься от проблемы кристалличности: 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...
Таким образом, в ходе выполнения работы я сделала следующие выводы:
XIМЕЖДУНАРОДНАЯ НА УЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
1. Для того чтобы кристалл вырос крупным и геометрически ровным, т. е. имел природную форму, необходимо довольно много времени. Обычно кристалл вырастает на 0,1 - 0,8 мм в сутки. Выращивание крупного одиночного кристалла - очень длительный и сложный процесс, требующий терпения и осторожности.
2. Форма кристаллов бывает довольно разнообразной и это зависит от кристаллической решетки вещества.
3. Магнитное поле влияет на рост и форму кристаллов, но не оказывает влияние на плотность кристаллов.
Библиографический список:
1. Брагина, В. И. Кристаллография, минералогия и обогащение полезных ископаемых : учебное пособие / В. И. Брагина ; Сибирский федеральный университет. - Красноярск : Сибирский федеральный университет (СФУ), 2012. - 152 с.
2. Илюшин, А. С. Дифракционный структурный анализ в 2 ч. Часть 1 : учебное пособие для вузов / А. С. Илюшин, А. П. Орешко. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. — 327 с.
