Номер 4, страница 176 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

4. Где применяются кристаллы на практике?

3. Какими способами повышают прочность кристаллических тел?

Прочность кристаллических тел, особенно металлов, определяется их способностью сопротивляться деформации и разрушению. Эта прочность во многом зависит от дефектов кристаллической решетки, в первую очередь дислокаций — линейных дефектов, движение которых приводит к пластической деформации. Поэтому основные способы повышения прочности направлены на создание препятствий для движения дислокаций.
Основные способы упрочнения:
1. Измельчение зерна: Большинство конструкционных материалов являются поликристаллами, то есть состоят из множества мелких кристаллитов (зёрен). Границы между зёрнами служат эффективными барьерами для движения дислокаций. Чем меньше средний размер зерна, тем больше протяжённость границ и тем выше прочность и твёрдость материала.
2. Наклёп (холодная деформация): Это упрочнение материала в результате пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. При деформации плотность дислокаций резко возрастает, они запутываются и взаимно блокируют движение друг друга. Это приводит к увеличению прочности, но одновременно снижает пластичность.
3. Твердорастворное упрочнение (легирование): Введение в кристаллическую решётку основного металла атомов другого элемента (создание сплава). Атомы примеси, отличающиеся по размеру, создают локальные искажения и поля напряжений в решётке, которые тормозят движение дислокаций. Классический пример — сталь, которая является сплавом железа с углеродом.
4. Дисперсионное твердение: Создание в объёме основного металла мелких (дисперсных) и прочных частиц другой фазы. Эти частицы являются очень мощными препятствиями для дислокаций. Этот метод позволяет достичь очень высокой прочности, например, в дюралюминах (сплавах алюминия).
5. Термическая обработка: Для сталей широко применяют закалку с последующим отпуском. При закалке (быстром охлаждении) образуется очень твёрдая, но хрупкая структура — мартенсит. Последующий нагрев до определённой температуры (отпуск) позволяет уменьшить хрупкость, сохранив при этом высокую прочность.

Ответ: Прочность кристаллических тел повышают методами, которые затрудняют движение дефектов (дислокаций) в их структуре. К таким методам относятся: измельчение зерна, наклёп (холодная деформация), легирование (создание сплавов), дисперсионное твердение и специальная термическая обработка (например, закалка и отпуск).

4. Где применяются кристаллы на практике?

Кристаллы и кристаллические материалы являются фундаментом современной цивилизации и находят применение практически во всех сферах человеческой деятельности.
1. Электроника и вычислительная техника: Монокристаллы сверхчистого кремния — основа для производства интегральных схем, процессоров, памяти и других полупроводниковых компонентов. Кристаллы арсенида галлия используются в высокочастотной электронике и оптоэлектронике (светодиоды, лазеры).
2. Промышленность и строительство: Абсолютно все металлы и их сплавы (сталь, алюминий, медь, титан) являются поликристаллическими материалами. Они используются для создания машин, зданий, мостов, транспортных средств и многого другого.
3. Оптика и лазерная техника: Из кристаллов кварца, сапфира, флюорита делают линзы, призмы и окна для оптических приборов. Искусственные кристаллы рубина и иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) служат активной средой в твердотельных лазерах.
4. Инструментальная промышленность: Благодаря своей исключительной твёрдости, кристаллы алмаза (как природные, так и синтетические) используются для изготовления режущих, шлифовальных и буровых инструментов.
5. Часовая промышленность и связь: Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическим эффектом (способностью генерировать электрический заряд при деформации и наоборот). Это свойство используется в кварцевых резонаторах для стабилизации частоты в электронных часах, компьютерах и устройствах связи.
6. Ювелирное дело: Красивые и редкие природные кристаллы, такие как алмаз, изумруд, рубин, сапфир, являются драгоценными камнями. В ювелирном деле также широко используются их искусственно выращенные аналоги (например, фианиты).

Ответ: Кристаллы применяются повсеместно: в электронике (кремний, арсенид галлия), строительстве и машиностроении (металлы и сплавы), оптике и лазерной технике (кварц, рубин, сапфир), в качестве режущих инструментов (алмаз), в часах и устройствах связи (кварц), а также в ювелирном деле.

5. Для чего выращивают искусственные кристаллы?

Искусственные кристаллы выращивают для получения материалов, которые по своим характеристикам превосходят природные аналоги или вообще не существуют в природе, но необходимы для современных технологий.
Основные цели выращивания искусственных кристаллов:
1. Получение материалов с заданными свойствами: В процессе роста можно вводить в кристалл строго дозированное количество примесей (легирующих добавок). Это позволяет целенаправленно изменять их электрические, оптические и другие свойства. Например, легирование кремния фосфором или бором создает полупроводники n-типа и p-типа — основу всех транзисторов.
2. Достижение высокой чистоты и структурного совершенства: Для микроэлектроники, лазерной техники и прецизионной оптики требуются материалы с минимальным содержанием примесей и дефектов. Природные кристаллы практически всегда содержат посторонние включения и имеют дефекты структуры. Технологии искусственного роста позволяют получать монокристаллы сверхвысокой чистоты (например, кремний чистотой 99,9999999%) и с почти идеальной решёткой.
3. Получение кристаллов больших размеров: Многие важные для промышленности кристаллы в природе встречаются в виде мелких зёрен. Искусственные методы позволяют выращивать крупные монокристаллы (например, сапфиры, кремниевые слитки), которые затем можно разрезать на множество заготовок (например, пластин для микросхем).
4. Экономическая целесообразность и доступность: Искусственное производство часто оказывается дешевле и производительнее, чем добыча и обработка природных кристаллов. Это сделало технические алмазы, рубины, кварц и другие кристаллы массовыми и доступными материалами для промышленности.
5. Создание новых материалов: Многие используемые в технике кристаллические материалы, такие как фианиты, иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), арсенид галлия, в природе не встречаются. Их создание и производство возможно только в лабораторных и промышленных условиях.

Ответ: Искусственные кристаллы выращивают для получения материалов с заранее заданными свойствами, высокой степенью чистоты и совершенства, которых невозможно достичь в природных условиях. Это также позволяет получать крупные кристаллы, снижать стоимость производства и создавать новые материалы, не существующие в природе.

6. Каки-

Вопрос на изображении приведён не полностью. Предположительно, он мог звучать так: «Какие примеры искусственных кристаллов вы знаете и где они применяются?». Ответ на этот предполагаемый вопрос:
Существует множество видов искусственных кристаллов, которые играют ключевую роль в современной науке и технике. Вот несколько важных примеров:
• Монокристаллический кремний: «Сердце» современной электроники. Из него изготавливают полупроводниковые пластины для производства процессоров, микросхем памяти, а также фотоэлементов для солнечных батарей.
• Искусственный корунд (рубин и сапфир): Искусственные рубины стали первой рабочей средой для лазеров. Искусственные сапфиры благодаря своей твёрдости и прозрачности используются для изготовления защитных стёкол для часов и камер смартфонов, а также в качестве подложек для выращивания синих светодиодов.
• Синтетические алмазы: В больших объёмах производятся для абразивной промышленности (шлифовка, полировка) и для изготовления режущих и буровых инструментов. Их уникальная теплопроводность делает их перспективными для теплоотводов в мощной электронике.
• Искусственный кварц: Используется для изготовления высокостабильных пьезоэлектрических резонаторов, которые являются «тактовыми генераторами» в часах, компьютерах и почти всей радиоаппаратуре.
• Фианит (кубический диоксид циркония): Популярный синтетический материал, который благодаря высокому показателю преломления и твёрдости является одной из самых лучших и широко распространённых имитаций алмаза в ювелирном деле.
• Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ): Кристалл, не имеющий природного аналога. Легированный ионами неодима (Nd:YAG), является одной из самых распространённых активных сред для твердотельных лазеров, применяемых в промышленности (резка, сварка), медицине (хирургия) и научных исследованиях.

Ответ: Наиболее известными и широко применяемыми искусственными кристаллами являются: монокристаллический кремний (микроэлектроника), синтетические алмазы (инструменты, абразивы), искусственные корунды — рубин и сапфир (лазеры, оптика), искусственный кварц (стабилизаторы частоты), фианит (ювелирные изделия), ИАГ (лазеры).