Номер 5, страница 72, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 1. Строение и свойства вещества. Тепловые явления. Параграф 17. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 5, страница 72.

Условие.

• Искусственные кристаллы.

Решение.

Искусственные (или синтетические) кристаллы — это кристаллические твердые тела, выращенные в лабораторных или промышленных условиях. В отличие от природных минералов, процесс их роста полностью контролируется человеком. По своему химическому составу, кристаллической структуре и физическим свойствам они могут быть как полными аналогами природных кристаллов, так и обладать уникальными характеристиками, не встречающимися в природе.

Определение и назначение

Искусственные кристаллы создаются для удовлетворения потребностей науки и техники, которые не могут быть обеспечены природными кристаллами из-за их редкости, высокой стоимости, малых размеров или наличия дефектов и примесей. Основные цели выращивания искусственных кристаллов:

• Получение монокристаллов высокой чистоты и совершенства, необходимых для электроники (например, кремний для микросхем) и оптики (например, кварц для резонаторов).
• Создание кристаллов больших размеров, которые редко встречаются в природе.
• Введение в кристаллическую решетку специальных примесей (легирование) для придания материалу заданных свойств (например, ионы хрома в корунде для получения рубина, используемого в лазерах).
• Синтез кристаллов с новыми, уникальными свойствами, отсутствующими у природных аналогов.
• Производство ювелирных камней, которые по своим характеристикам не уступают природным, но значительно доступнее по цене.

Ответ: Искусственные кристаллы — это созданные человеком кристаллические материалы, которые производятся для нужд высоких технологий, промышленности и ювелирного дела благодаря возможности контролировать их чистоту, размер и свойства.

Методы выращивания

Существует множество методов синтеза кристаллов, выбор которых зависит от физико-химических свойств вещества (температуры плавления, растворимости и т.д.). Основные группы методов:

1. Выращивание из расплава. Этот метод применяется для веществ, которые плавятся без разложения.
   • Метод Чохральского: монокристалл "вытягивается" из расплава с помощью затравочного кристалла. Так получают кремний ($Si$), германий ($Ge$), сапфиры.
   • Метод Вернейля (метод плавления в пламени): порошок плавится в пламени горелки и капли расплава, падая на подложку, кристаллизуются. Исторически первый метод для получения рубинов ($Al_2O_3:Cr$) и сапфиров ($Al_2O_3$).
   • Метод Бриджмена-Стокбаргера (направленная кристаллизация): контейнер с расплавом медленно перемещается через зону с градиентом температур, вызывая кристаллизацию.
2. Выращивание из раствора. Используется для веществ, которые разлагаются при плавлении или имеют очень высокую температуру плавления.
   • Гидротермальный синтез: кристаллизация происходит из водных растворов при высоких температурах и давлениях. Основной метод для производства искусственного кварца ($SiO_2$).
   • Выращивание из раствора в расплаве (флюсовый метод): вещество растворяется в легкоплавком растворителе (флюсе), а затем при медленном охлаждении происходит кристаллизация.
3. Выращивание из газовой (паровой) фазы.
   • Химическое газофазное осаждение (CVD): кристалл растет на подложке в результате химических реакций между газообразными реагентами. Используется для получения алмазных пленок.
   • Физическое газофазное осаждение (PVD): вещество испаряется, а затем конденсируется на более холодной подложке, образуя кристаллический слой.

Ответ: Основные методы выращивания искусственных кристаллов основаны на контролируемой кристаллизации вещества из расплава, раствора или газовой фазы; выбор метода зависит от свойств синтезируемого материала.

Примеры и применение

• Кремний ($Si$): основа современной полупроводниковой электроники. Из сверхчистых монокристаллов кремния изготавливают подложки для интегральных микросхем, процессоров, ячеек памяти.
• Кварц ($SiO_2$): благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам используется для стабилизации частоты в электронных генераторах (кварцевые резонаторы в часах, компьютерах). Также применяется в оптике.
• Сапфир ($Al_2O_3$) и Рубин ($Al_2O_3$ с примесью $Cr^{3+}$): сапфир используется как особо прочный и прозрачный материал для защитных стекол (экраны смартфонов, иллюминаторы), подложек для светодиодов. Рубин стал первым рабочим телом для лазера и до сих пор применяется в некоторых лазерных системах и в часовых механизмах.
• Алмаз ($\text{C}$): синтетические алмазы широко используются в промышленности как абразивные и режущие материалы. Благодаря высокой теплопроводности они применяются в качестве теплоотводов в электронике. Также набирают популярность в ювелирной отрасли. Выращиваются методами высокого давления и высокой температуры (HPHT) и химического осаждения из газовой фазы (CVD).
• Арсенид галлия ($GaAs$): полупроводник, используемый в высокочастотной электронике (мобильные телефоны, спутниковая связь) и оптоэлектронике (светодиоды, лазерные диоды).
• Фианиты (кубический цирконий, $ZrO_2$): популярный синтетический материал, имитирующий алмаз в ювелирных изделиях.

Ответ: Искусственные кристаллы, такие как кремний, кварц, сапфир и алмаз, являются незаменимыми материалами в ключевых областях современной цивилизации, включая микроэлектронику, лазерную технику, оптику и промышленную обработку материалов.