В. Рачков - Чудесные кристаллы

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.

Рис. 5. Все симметричные тела имеют центр симметрии: а — круг; б — квадрат; в — параллелограмм; г — кристаллы воды — снежинки

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?

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.

Рис. 6. Электрический диполь напоминает заряженный конденсатор с разноименными полюсами

Но стоит только поместить диэлектрик в электрическое поле, как связанные и неотделимые друг от друга положительные и отрицательные заряды (электроны и ядра) словно по команде смещаются относительно друг друга: электрон — в сторону положительного полюса, ядро — в противоположную. При этом орбита электрона слегка вытягивается (рис. 7).

В результате смещения зарядов центры тяжести разноименно заряженных частиц уже не будут совпадать. А это значит, что образовался электрический диполь. Поскольку в диэлектрике образуется множество таких диполей и все они своими полюсами направлены! в одну сторону, то это равносильно тому, что весь диэлектрик превратился в электрически заряженный конденсатор. Это- явление и называется поляризацией диэлектрика.

В природе, оказывается, существуют такие вещества, которые и без воздействия электрического поля имеют дипольную структуру. Они получили название полярных диэлектриков, к которым и относятся пьезокристаллы.

Каждая ячейка пространственной решетки любого пьезокристалла представляет собой электрический диполь. Этот диполь образован центрами тяжести групп отрицательных и групп положительных частиц, составляющих ячейку. Центры тяжести групп разноименно заряженных частиц в ячейке не совпадают потому, что пьезокристаллы не имеют центра симметрии.

Таким образом, пьезокристаллы полярны из-за отсутствия центра симметрии. Кристаллы, имеющие центр симметрии, неполярны и поэтому не могут быть пьезоэлектрическими.

Рис. 7. Смещение ядер и электронов в диэлектрике, помещенном в электрическое поле, приводит к образованию электрических диполей

Посмотрите на ячейку-кубик кристалла поваренной соли. Она представляет собой правильный куб с шестью квадратными гранями. Центр симметрии такого куба находится в точке пересечения диагоналей. В вершинах куба расположены четыре отрицательных иона хлора и четыре положительных иона натрия. Как положительные, так и отрицательные ионы расположены одинаково относительно центра куба. А это значит, что центры тяжести положительных и отрицательных групп ионов находятся в одной точке — в центре куба, т. е. в центре его симметрии.

Попробуйте мысленно сжать ячейку-кубик кристалла поваренной соли. Кубик превратится в параллелепипед (рис. 8). Но и в этом случае центры тяжести положительных и отрицательных групп ионов будут лежать в одной точке. Следовательно, и в нормальном состоянии, и при механическом воздействии кристалл поваренной соли не имеет дипольной структуры, значит, он не полярный.

В кристаллах, не имеющих центра симметрии, вы будете наблюдать другую картину. Если подвергать такие кристаллы сжатию или растяжению, то под воздействием механической силы электрические диполи будут занимать определенное положение, в результате чего возникает электрическая поляризация (рис. 9).

Рис. 8. Если сжать ячейку кристалла поваренной соли, то центры тяжести положительно и отрицательно заряженных ионов останутся в одной точке — центре симметрии
Рис. 9. Под воздействием механической силы диполи занимают определенное положение

Итак, причиной поляризации кристаллов является отсутствие центра симметрии, или дисимметрия кристаллов. К этому выводу и пришли братья Кюри, изучая поляризацию кристаллов.