Номер 6, страница 176 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

6. Какими способами получают искусственные кристаллы?

5. Для чего выращивают искусственные кристаллы?

Искусственные кристаллы выращивают для множества применений в науке и технике, поскольку они часто обладают свойствами, превосходящими природные аналоги, или являются единственным способом получения материала с нужными характеристиками. Основные цели:

1. Научные исследования: Идеальные монокристаллы необходимы для изучения фундаментальных свойств вещества, его структуры и процессов кристаллизации. Они позволяют проводить точные измерения, невозможные на образцах с дефектами.

2. Электроника и оптоэлектроника: Это одна из главных областей применения. Сверхчистые кристаллы кремния, германия и арсенида галлия являются основой для производства микросхем, транзисторов и светодиодов. Природные минералы не обладают достаточной чистотой.

3. Лазерная техника: Синтетические кристаллы, такие как рубин с примесью хрома, или алюмо-иттриевый гранат с неодимом (Nd:YAG), служат активной средой в твердотельных лазерах.

4. Оптика: Искусственный кварц используется для создания линз, призм и окон, работающих в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Синтетический сапфир, благодаря своей твёрдости и прозрачности, применяется для защиты экранов смартфонов, сканеров штрихкодов и в качестве стёкол для часов.

5. Ювелирная промышленность: Выращивание синтетических драгоценных камней (алмазов, рубинов, сапфиров) позволяет создавать более доступные и этически произведённые украшения, часто с лучшими характеристиками (меньше дефектов, крупнее размер).

6. Промышленность и механика: Сверхтвёрдые кристаллы, как синтетические алмазы, используются в качестве абразивов, а также для режущих и буровых инструментов. Искусственные рубины применяются в качестве износостойких подшипников в точных механизмах (например, в часах).

7. Стабилизация частоты: Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическим эффектом. На их основе создают кварцевые резонаторы, которые являются "сердцем" часов, компьютеров и радиоустройств, обеспечивая высокую стабильность тактовой частоты.

Ответ: Искусственные кристаллы выращивают для получения материалов с заданными, часто уникальными, свойствами (высокой чистоты, без дефектов, большого размера, с нужными примесями), которые необходимы для науки, электроники, оптики, лазерной техники, ювелирного дела и промышленности.

6. Какими способами получают искусственные кристаллы?

Способы получения искусственных кристаллов можно разделить на три основные группы в зависимости от фазы, из которой происходит рост:

1. Рост из расплава: Исходное вещество плавится, а затем медленно и контролируемо кристаллизуется.
• Метод Чохральского: Затравочный (маленький) кристалл опускается в тигель с расплавом и медленно вытягивается вверх с вращением. Расплав намерзает на затравку, образуя большой монокристалл. Так получают, например, кремний для электроники.
• Метод Бриджмена-Стокбаргера: Расплав в контейнере (ампуле) медленно перемещается через зону с градиентом температур, кристаллизация начинается с одного конца и постепенно охватывает весь объём.
• Метод Вернейля: Порошок вещества пропускается через пламя, где плавится и капает на затравку, послойно наращивая кристалл. Исторически важный метод для получения рубинов и сапфиров.

2. Рост из раствора: Кристалл растет из пересыщенного раствора вещества в подходящем растворителе.
• Метод медленного испарения: Растворитель постепенно испаряется, концентрация вещества растет, и при достижении пересыщения начинается кристаллизация.
• Метод медленного охлаждения: Насыщенный при высокой температуре раствор медленно охлаждают. Растворимость вещества падает, и излишек кристаллизуется.
• Гидротермальный синтез: Кристаллизация происходит из водных растворов при высоких температурах и давлениях в автоклавах. Этим методом получают искусственный кварц.

3. Рост из газовой (паровой) фазы: Вещество в виде газа или пара осаждается на холодной подложке, формируя кристалл.
• Метод химического газофазного осаждения (CVD): Летучие соединения исходных веществ реагируют у поверхности нагретой подложки, и продукт реакции осаждается в виде кристаллической плёнки. Широко используется для получения полупроводниковых слоёв и синтетических алмазов.
• Метод физического парофазного транспорта (PVT): Исходное вещество испаряется (сублимирует) в горячей зоне и конденсируется в виде кристалла на более холодной подложке или затравке.

Ответ: Основные способы получения искусственных кристаллов включают рост из расплава (методы Чохральского, Бриджмена), рост из раствора (методы испарения, охлаждения, гидротермальный) и рост из газовой фазы (методы CVD, PVT).

7. Какова роль кристаллов в живых организмах?

Кристаллы в живых организмах (биоминералы) играют множество жизненно важных ролей. Они образуются в процессе биоминерализации и обычно представляют собой композитные материалы, состоящие из минеральной кристаллической фазы и органической матрицы (например, белков).

1. Опорная и защитная функции:
• Кости и зубы: Основу составляет минерал гидроксиапатит ($Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$), кристаллы которого встроены в коллагеновую матрицу. Это придаёт скелету прочность и упругость. Зубная эмаль — самое твёрдое вещество в организме — почти полностью состоит из кристаллов гидроксиапатита.
• Раковины моллюсков и экзоскелеты: Состоят из кристаллов карбоната кальция ($CaCO_3$) в форме кальцита или арагонита, которые обеспечивают прочную защиту (например, перламутр).

2. Функции чувствительности и навигации:
• Отолиты: Микроскопические кристаллы карбоната кальция в внутреннем ухе позвоночных. Их смещение под действием силы тяжести и ускорения позволяет организму определять своё положение в пространстве и поддерживать равновесие.
• Магнетитовые кристаллы: В некоторых бактериях, рыбах и птицах есть кристаллы магнетита ($Fe_3O_4$), которые формируют внутренний "компас", позволяя им ощущать магнитное поле Земли для навигации.

3. Метаболические функции и хранение веществ:
• Хранение железа: Белок ферритин хранит железо в организме в нетоксичной форме, формируя внутри себя кристаллическое ядро из минерала ферригидрита.

4. Патологические образования:
• Иногда образование кристаллов в организме носит патологический характер. Примерами могут служить камни в почках (чаще всего оксалат кальция), отложения кристаллов мочевой кислоты в суставах при подагре или холестериновые камни в желчном пузыре.

Ответ: Кристаллы в живых организмах выполняют опорные и защитные функции (кости, раковины), участвуют в работе органов чувств (отолиты для равновесия, магнетит для навигации) и в обмене веществ (хранение железа), но также могут быть причиной заболеваний (камни в почках, подагра).