Кристаллы

На рисунке 30, а показана ещё раз упаковка ионов в кристалле каменной (поваренной) соли. Изображён один элементарный куб; его грани состоят из чередующихся ионов хлора и натрия.

Попытаемся разобраться, какие плоскости выделяются здесь среди других, по каким плоскостям легче всего разломать кристалл.

Снимем один вершинный шар – обнажилась плоскость, перпендикулярная телесной диагонали. Эта плоскость состоит из одних ионов натрия (рис. 30, б). Удалим тройку натриевых ионов – следующая параллельная атомная плоскость состоит из одних ионов хлора (рис. 30, в), и так далее.

Рис. 30.

Все эти слои попеременно заряжены с разным знаком: слой хлора – отрицательно, слой натрия – положительно. Поэтому они очень сильно притягиваются друг к другу, и раскалываться по таким плоскостям кристалл не будет.

Напротив, раскалывание легко происходит параллельно грани куба. Как нетрудно сообразить, каждый из разделяемых при этом слоев содержит поровну и положительных и отрицательных ионов. Притяжение между такими в целом не заряженными слоями мало. По этим-то направлениям и проходят в кристалле каменной соли плоскости спайности.

Различие по разным направлениям хрупкости кристаллов, выражающееся в явлении спайности, бросается в глаза.

Анизотропию других свойств кристалла наблюдать несколько труднее.

Вот например, как можно показать неодинаковость теплопроводности кристалла в разных направлениях.

Отполируем грань кристалла и покроем её ровным слоем легкоплавкого воска. Концом нагретой проволоки прикоснёмся к середине грани. От конца проволоки вдоль грани распространяется тепло, и часть воска вокруг плавится. Если кристалл проводит тепло одинаково хорошо во все стороны, то этот участок должен иметь форму круга.

Что же показывает опыт?

Оказывается, если из кристалла кварца вырезать пластинку перпендикулярно главной оси симметрии, то воск расплавится по кругу (рис. 31, слева). В таком же точно опыте на боковой грани кварцевого кристалла мы получим эллипс (рис. 31, справа).

Рис. 31. Так выгладит расплавленный воск на срезе, перпендикулярном главной оси, и на боковой грани кристалла кварца.

Очевидно, можно утверждать, что вдоль главной оси симметрии и перпендикулярно к ней тепло распространяется с разной скоростью. Во всех же направлениях, перпендикулярных главной оси, теплопроводность одинакова.

Анизотропия свойств кристалла связана с его структурой. Поэтому, если все направления, перпендикулярные главной оси, равноценны для распространения тепла, то, вообще говоря, они будут равноценны и для ряда других свойств.

12. Кристаллы и свет

Гладкие грани кристаллов отражают свет подобно самому чистому зеркалу. Наряду с другими, некристаллическими телами: водой, стеклом – кристаллы также преломляют свет. То, что свет, падая из воздуха в более плотную среду, или, наоборот, из воды в воздух, преломляется, знакомо каждому. Кто не наблюдал забавной картины «переломанных» ног у человека, стоящего по колено в прозрачной воде.

Преломляясь в стекле или водяных каплях, белый свет разлагается на радужные цвета. Подобно этому свет разлагается и при преломлении в кристаллах, заставляя искусно огранённые чистые и прозрачные бриллианты «играть всеми цветами радуги».

Преломление света во многих кристаллах происходит совершенно так же, как в воде или стекле. Сюда относятся кристаллы с кубической, то есть самой высокой, симметрией, – например, алмаз и каменная соль. Наибольший интерес представляет для науки и промышленности отношение к световому лучу кристаллов не кубической симметрии.

Взглянем на окружающие нас предметы через маленькое окошко, сделанное из куска прозрачного кристалла кальцита (исландского шпата). Мы увидим странную картину – все предметы раздвоятся. На бумаге написано одно слово. Рассматривая его через кристалл, мы видим два слова (рис. 32). Подобным свойством двойного лучепреломления обладают все некубические кристаллы.

Рис. 32. Двойное лучепреломление в кристалле кальцита (исландского шпата).

Очень важно то, что два луча, на которые расщепился свет, попавший на кристалл, проходят через него в ряде случаев не одинаково легко. Иначе говоря, для одного из лучей кристалл более прозрачен, чем для другого. К таким кристаллам принадлежит, например, турмалин.

Если рассматривать написанное на бумаге слово через турмалиновую пластинку, то мы можем не увидеть раздвоения, так как один из лучей будет во много раз слабее другого.

Чем же отличаются друг от друга два луча, на которые расщепился свет после преломления в кристалле?

Прежде чем ответить на этот вопрос, нам придётся сказать несколько слов о природе света.

Напомним сначала читателю понятия электрического и магнитного полей. Мы говорим, что в некоторой части пространства имеется электрическое поле, если на внесённый туда электрический заряд действует сила. В переменном электрическом поле сила с течением времени меняется.

Совершенно так же мы говорим о магнитном поле, – но здесь действуют магнитные силы.

Свет – это быстропеременные электрическое и магнитное поля, тесно связанные между собою и образующие единое электромагнитное поле, распространяющееся волнообразно вдоль луча.

Частота изменения электрической и магнитной силы в световом луче очень велика – сотни тысяч миллиардов колебаний в секунду, скорость распространения электромагнитного поля – скорость света – составляет 300 000 километров в секунду.

Мысль о родственности световых и электрических явлений была высказана ещё в XVIII веке великим русским учёным М.В. Ломоносовым и подтверждена впоследствии многочисленными опытами. Мы не можем здесь останавливаться на том, как это было сделано на самом деле, и поэтому постараемся наглядно разъяснить некоторые особенности светового луча на примере одного воображаемого опыта. Он состоит в следующем.

Предположим, что мы могли бы наблюдать, как ведёт себя очень маленькое, меньшее чем молекулы веществ, электрически заряженное тело, помещённое на пути светового луча. Мы обнаружили бы тогда, что такое тело очень быстро колеблется. Причиною этих колебаний служит электрическая сила, действующая на заряженное тело, помещённое в луч света. Если мы попытаемся определить величину и направление этой силы, то найдём, что электрическая сила с исключительной быстротой меняется и по величине, и по направлению, причём все её возможные направления всегда расположены в плоскости, перпендикулярной лучу; некоторые из них изображены слева на рисунке 33. Какого-либо преимущественного направления в самой этой плоскости нет – электрическая сила в разные моменты времени принимает в ней любые направления.

Так обстоит дело, если электрический заряд помещён в естественный луч света.

Если же мы проведём подобное испытание лучей, разделённых двоякопреломляющим кристаллом, то обнаружим нечто новое: электрическая сила так же меняется по величине и перпендикулярна лучу, но линия направления электрической силы на протяжении всего луча и во все моменты времени остаётся параллельной самой себе (рис. 33, справа). Такие лучи называются линейно-поляризованными.

Рис. 33. Схема расщепления естественного луча света на два линейно-поляризованных луча.

Открытие это было сделано с помощью других, более сложных приёмов, без применения пробного электрического заряда, так как подобные наблюдения поведения тела в луче, конечно, практически неосуществимы, – хотя бы даже из-за слишком быстрых изменений силы.

Теперь мы поймём, в чём же состоит различие световых лучей, разделённых двоякопреломляющим кристаллом. Оказывается, что эти два луча не только линейно-поляризованы, но направления электрической силы в них взаимно перпендикулярны (см. рис. 33).

Кристаллы, подобные турмалину, кроме того ещё поглощают один из этих лучей, – то есть превращают естественный луч света в единственный линейно-поляризованный луч, или, короче, поляризуют свет.

Пропустим теперь свет, поляризованный пластинкой турмалина, через вторую такую же. Если вращать в своей плоскости одну из пластинок, то при определённом их взаимном расположении свет за второй пластинкой полностью гаснет.

Образно выражаясь, кристаллы имеют как бы «щели», и свет через кристалл может проходить лишь тогда, когда электрическая сила направлена вдоль «щели». Если «щели» двух кристаллических пластинок параллельны, то свет проходит, если «щели» скрещены, то луч гаснет (см. схему рис. 34).

Рис. 34. Схема прохождения луча света через две турмалиновые пластинки.

В случае расположения «щелей» под углом во второй пластинке произойдёт разложение по правилу параллелограмма электрической силы линейно-поляризованного луча, вышедшего из первой пластинки. При этом доля света с направлением силы, параллельным «щели», пройдёт, с перпендикулярным – поглотится.

Точно так же турмалин «разлагает» и естественный луч света, который есть не что иное, как набор линейно-поляризованных лучей со всевозможными направлениями электрической силы.

Причиной этого явления, как и всех явлений, связанных с двойным лучепреломлением, служит всё та же анизотропия кристаллов. Дело в том, что в турмалине и других подобных кристаллах есть определённое избранное направление, связанное с кристаллической решёткой, которое и служит как бы «щелью» для электрической силы.

Двоякопреломляющие кристаллы имеют исключительно широкое применение в разнообразнейших оптических установках научно-исследовательских лабораторий наших институтов и заводов. Например, при помощи поляризационного прибора – сахариметра очень быстро и точно определяется концентрация сахара в растворе.

Около 20 лет тому назад был найден недорогой материал, поляризующий свет. Этот материал может быть получен в любых размерах. Называется он поляроидом. Поляроид – это прозрачная целлулоидная плёнка, равномерно покрытая маленькими, в несколько сотых миллиметра, кристалликами сернокислого иод-хинина. Кристаллики расположены в строгом порядке, сходственными гранями в одну сторону. Благодаря такой укладке вся плёнка ведёт себя, как один кристалл.

Где и для чего применяются поляроиды? Нужда в этом материале станет понятной, если сообщить читателю, что при отражении от стекла, воды, металла свет сильно, а иногда и полностью поляризуется.

Так как поляроид пропускает поляризованные лучи лишь при «подходящем» расположении «щели», то, помещая его соответствующим образом, всегда можно погасить или ослабить отражённый свет. А это важно в очень многих случаях.

Поляроидные очки употребляют в полярных странах для того, чтобы не видеть яркого поляризованного света, отражённого от снега. Через поляроид удобно рассматривать картины в галереях: не будут мешать световые блики. Наблюдателю в перископ подводной лодки мешает поляризованный свет, отражённый от поверхности моря, его действие уничтожит поляроид. Большое значение имеет применение поляроида в фотографии и кинематографии, устраняя лишние блики, мешающий блеск и пр.

13. Пьезоэлектричество

Много своеобразных и полезных свойств имеют кристаллы. Пожалуй, к самым замечательным из них принадлежат пьезоэлектрические свойства.