Какими же еще свойствами обладают кристаллы?
Если ударить по кристаллу, то он расколется на маленькие кристаллики — осколки, которые по форме окажутся такими же, как и большой кристалл до удара. Кристалл поваренной соли, например, расколется на правильные кубики, а кристаллы слюды можно расщепить только в одном направлении — в виде тонких лепестков.
Это свойство кристаллов называется спайностью, а плоскости, по которым кристалл раскалывается, — плоскостями спайности. Поэтому кристаллы легко отличить от аморфных тел, прочность которых одинакова по всем направлениям.
Твердость кристаллов также зависит от направления. Поцарапайте кристалл иглой и вы заметите, что в одном направлении это сделать легче, чем в другом.
Если из кристаллического вещества выточить шар и опустить его в пересыщенный раствор такого же вещества, то уже через несколько часов на шаре появятся ровные площадки граней, которые будут увеличиваться, пока шар снова не превратится в многогранник. Следовательно, скорость роста в кристаллах тоже зависит от направления, иначе шар никогда бы не превратился в многогранник.
Известно, что при нагревании вещества расширяются. Если же нагреть шар, выточенный из кристалла, то расширяться он будет по разным направлениям по-разному. Например, кристалл кварца в одном из перпендикулярных направлений при нагревании расширяется вдвое больше. Другие физические свойства кристаллов — теплопроводность, электропроводность, оптические свойства — тоже зависят от направления. Это свойство называется анизотропией, что в переводе означает неравносвойственность.
Анизотропными свойствами обладают не только кристаллы. Вам не раз приходилось колоть дрова, и вы, конечно, заметили, что кусок дерева легко расколоть в одном направлении и очень трудно в другом. Стало быть, дерево тоже обладает анизотропными свойствами.
В отличие от кристаллических тел свойства аморфных тел не зависят от направления. Это свойство называется изотропией. Слово «изотропный» означает одинаковый по всем направлениям.
Чем же объясняются анизотропные свойства кристаллов? Если посмотреть на пространственную решетку какого-нибудь кристалла и мысленно провести в одном направлении линию, то она пересечет определенное число атомов, отстоящих друг от друга на определенных расстояниях. Если провести линию в другом направлении, то она пересечет уже другое число атомов, отстоящих друг от друга на иных расстояниях. Это и является причиной анизотропии кристаллов.
Возьмите большой кристалл кварца и от противоположных концов его одинаковыми по силе ударами отколите небольшие кусочки. Вы убедитесь, что с обоих концов по одинаковым плоскостям отколются равные по величине кусочки. Следовательно, прочность кристалла одинакова в разных местах. Можно провести ряд других опытов и показать, что и другие свойства кристалла одинаковы в разных местах, но различны в разных направлениях. Это свойство, тоже общее для всех кристаллов, называется однородностью. Однородность кристаллов, как и анизотропия, является следствием внутреннего строения кристаллов.
Кристаллы обладают еще одним общим свойством — они симметричны Посмотрите на кристаллы воды — снежинки. Они состоят из нескольких совершенно одинаковых частей. Такие тела называются симметричными, а плоскости, разделяющие одинаковые части, — плоскостями симметрии. Примерами симметричных геометрических фигур могут служить круг, квадрат, параллелограмм (рис. 5).
Для симметричных тел свойственно понятие центра симметрии. У круга он находится в центре, у параллелограмма — в точке пересечения его диагоналей. Однако у многих кристаллов центра симметрии нет.
Понятие центра симметрии у кристаллов гораздо шире, чем у прочих симметричных тел. Если до этого мы рассматривали симметрию различных тел только по форме, то симметрия кристаллов заключается не столько в форме, сколько в физических свойствах — прочности, твердости, электропроводности и других. Так, например, если разрезать кристалл кварца по плоскостям симметрии на разные части, то каждая из них будет похожа на другую не только по форме, но и по своим физическим свойствам.
Благодаря свойству симметрии ученые распределили все существующие в природе кристаллы по классам и системам, что очень помогает при описании и изучении их. Оказалось, что по симметрии кристаллы делятся на 32 класса. При этом только 12 классов имеют центр симметрии, а остальные 20 его не имеют.
Но самым примечательным оказалось то, что только кристаллы, не имеющие центра симметрии, обладают пьезоэлектрическими свойствами. Только они в результате механического воздействия способны выделять электрические заряды.
Какова же природа пьезоэлектричества? Почему пьезоэлектричество наблюдается только у кристаллов, не имеющих центра симметрии, и не может наблюдаться у других?
ОТКРЫТИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Вскоре после открытия электрического тока стало известно, что все окружающие нас вещества можно разделить на две большие группы. Вещества первой группы проводят электрический ток, почему и получили название проводников. К ним относятся, например, все металлические тела. Другие вещества вообще тока не проводят — их назвали изоляторами, или диэлектриками. К ним относятся фарфор, стекло, мрамор и др. Между этими группами веществ находится еще одна большая группа — полупроводники.
Почему металл проводит ток, а диэлектрик не проводит? Ведь и тот и другой состоит из атомов, т. е. из ядер, окруженных электронными оболочками. Дело в том, что в проводниках электроны слабо связаны со своими ядрами. Если металлический проводник расположить между отрицательным и положительным полюсами электрической батареи, то электроны под действием электрического поля легко оторвутся от своих ядер и устремятся к положительному полюсу. Такое движение свободно заряженных частиц (зарядов) и называется электрическим током.
Совсем другое наблюдается в диэлектриках. В них электроны крепко связаны со своими ядрами и даже сильное электрическое поле не может их разъединить. А раз нет движения свободных электрических зарядов, то нет и электрического тока. Однако в диэлектриках происходит другое интересное явление, получившее название поляризации диэлектриков. На этом явлении необходимо остановиться подробнее, так как оно лежит в основе пьезоэлектричества.
Поляризация диэлектриков заключается в образовании внутри вещества так называемых электрических диполей. Электрическим диполем называют частицу вещества, содержащую два разноименных заряда, находящихся на некотором расстоянии один от другого (рис, 6). Поэтому электрический диполь — своего рода маленький заряженный конденсатор с двумя разноименными полюсами. От греческого слова «полюс» и произошло название явления поляризации.
Как же происходит образование электрических диполей в диэлектриках?
Вы уже знаете, что отрицательно заряженные частицы атома — электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Центр тяжести вращающихся электронов находится в центре орбит, по которым они вращаются, т. е. в центре положительного ядра. А это означает, что положительные и отрицательные заряды как бы сосредоточены в одной точке. Но поскольку заряды всех вместе взятых электронов и ядра по величине равны, то они нейтрализуют друг друга. Вот почему мы и говорим, что в обычном состоянии атом электрически нейтрален.