Физические свойства твердых тел, и в первую очередь их электрические свойства, определяются не тем, как образовались зоны, а тем, как они заполнены. С этой точки зрения все кристаллические тела можно разделить на две принципиально различные группы.

Проводники . В первую группу входят тела, в энергетическом спектре которых над целиком заполненными зонами располагается зона, заполненная частично (рис. 10, а). Как мы видели, частичное заполнение зон наблюдается у щелочных металлов, у которых верхняя зона образуется из незаполненных атомных уровней, а также у кристаллов щелочноземельных элементов, верхняя зона которых благодаря перекрытию заполненных и пустых зон является гибридной. Все тела, входящие в первую группу, являются проводниками.

Полупроводники и диэлектрики . Во вторую группу объединяются тела, у которых над целиком заполненными зонами располагаются совершенно пустые зоны (рис. 10, б, в). В эту группу входят и кристаллы, имеющие структуру алмаза, такие, как кремний, германий, серое олово, собственно алмаз и др. К этой группе относятся и многие химические соединения - окислы металлов, карбиды, нитриды металлов, корунд (Аl 2 O 3) и др. Вторая группа твердых тел объединяет полупроводники и диэлектрики. Самая верхняя заполненная зона в группе этих кристаллов называется валентной зоной, а находящаяся над ней первая пустая зона - зоной проводимости. Самый верхний уровень валентной зоны называется потолком валентной зоны и обозначается (индекс υ происходит от английского слова valency - валентность). Самый нижний уровень зоны проводимости называется дном зоны проводимости и обозначается W c (индекс с происходит от английского слова conductivity - проводимость).

Принципиальной разницы между полупроводниками и диэлектриками нет. Деление их в пределах второй группы довольно условно и определяется шириной зоны запрещенных энергий W g , отделяющей целиком заполненную зону от пустой. Тела, имеющие ширину запрещенной зоны эВ, относят в подгруппу полупроводников. Типичными представителями их являются германий кремний арсенид галлия антимонид индия InSb (W g ≈ 0,2 эВ).

Тела, у которых W g > 3 эВ, относят к диэлектрикам. Широко известными диэлектриками являются корунд (W g ≈ 7 эВ), алмаз (W g > 5 эВ), нитрид бора и др.

Условность деления твердых тел в пределах второй группы на диэлектрики и полупроводники подчеркивается тем, что многие общепризнанные диэлектрики в настоящее время начинают использоваться в технике как полупроводники. Так, уже сегодня в полупроводниковых устройствах применяется карбид кремния с шириной запрещенной зоны около 3 эВ. И даже такой классический представитель группы диэлектриков, как алмаз, в последнее время изучается в плане возможного использования его в полупроводниковой технике.

Степень заполнения зон электронами и проводимость кристаллов . Рассмотрим свойства кристалла с частично заполненной верхней зоной при абсолютном нуле температуры (Т = 0). В этих условиях в отсутствие внешнего электрического поля все электроны займут самые нижние уровни в зоне, располагаясь на них попарно в соответствии с принципом Паули.

Создадим теперь в кристалле внешнее электрическое поле с напряженностью Е. Поле это будет действовать на каждый электрон с силой F = -eE. Приобретение ускорения электроном означает увеличение его энергии, что должно сопровождаться переходом электрона на более высокие уровни. Поскольку в частично заполненной зоне имеется много свободных энергетических уровней, то такие переходы оказываются вполне возможными. А так как энергетическое расстояние между уровнями очень мало, то даже ничтожные электрические поля вызывают переход электронов на более высоко расположенные уровни. Таким образом, в твердых телах с частично заполненной зоной внешнее электрическое поле увеличивает скорость движения электронов в направлении действия силы со стороны этого поля, что и означает появление электрического тока. Именно такие тела мы называем проводниками.

В отличие от проводников тела, характеризующиеся наличием только заполненных или пустых зон, не способны проводить электрический ток. Внешнее поле в таких твердых телах не может создать направленное движение электронов, так как приобретение электроном дополнительной энергии за счет действия поля означало бы переход его на более высокий уровень; между тем уровни валентной зоны все заняты. В пустой же зоне проводимости, хотя и много свободных мест, нет электронов, а практически используемые электрические поля оказываются не способными сообщить электронам такую энергию, чтобы перевести их из валентной зоны в зону проводимости (здесь исключаются из рассмотрения электрические поля, способные вызвать пробой диэлектрика). В силу всех этих причин даже в полупроводниках внешнее поле не может вызвать появление электрического тока. Вот почему при температуре, соответствующей абсолютному нулю, полупроводник в отношении электропроводности ничем не отличается от диэлектрика.

Электрические свойства. Алмаз относится к изоляторам: его удельное электрическое сопротивление очень велико. Некоторые кристаллы, однако, имеют низкое удельное сопротивление и обладают свойствами полупроводников. Удельное электрическое сопротивление алмазов (полупроводниковые) составляет 1 - 10 Ом/см, других алмазы - до 1010 Ом/см.

Прочие свойства

Прочие свойства. Алмаз - минерал весьма устойчивый. Он не поддается воздействию самых сильных кислот и их смесей (соляной, серной, азотной, плавиковой, «царской водки»), даже доведённых до температуры кипения. Не реагирует он и со щелочами.

Однако алмаз легко окисляется и сгорает в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой. В порошке он сгорает на платиновой проволочке с образованием двуокиси углерода (СО 2).

Расплавленные карбонаты щелочей при 1000-1200?С также окисляют алмаз. При нагревании до 800?С в присутствии железа или сплавов на его основе алмаз растворяется, поэтому алмазные резцы не применяются при обработке стали и чугуна.

Диагностика алмаза

Диагностика алмаза. Для того, чтобы отличить настоящий алмаз от его имитации, используется специальный «алмазный щуп», измеряющий теплопроводность исследуемого камня. Алмаз имеет намного более высокое значение теплопроводности, чем его заменители. Кроме того, используется хорошая смачиваемость алмаза жиром: фломастер, заправленный специальными чернилами, оставляет на поверхности алмаза сплошную черту, тогда как на поверхности имитации она рассыпается на отдельные капельки. алмаз кимберлит лампроит порода

Алмаз — самый твёрдый минерал, кубическая полиморфная (аллотропная) модификация углерода(C), устойчивая при высоком давлении. При атмосферном давлении и комнатной температуре метастабилен, но может существовать неограниченно долго, не превращаясь в стабильный в этих условиях графит. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Сингония алмаза кубическая, пространственная группа Fd3m. Элементарная ячейка кристаллической решетки алмаза представляет собой гранецентрированный куб, в котором в четырех секторах расположенных в шахматном порядке, находятся атомы углерода. Иначе алмазную структуру можно представить как две кубических гранецентрированных решетки, смещенных друг относительно друга по главной диагонали куба на четверть её длины. Структура аналогичная алмазной установлена у кремния, низкотемпературной модификации олова и некоторых других простых веществ.

Кристаллы алмаза всегда содержат различные дефекты кристаллической структуры (точечные, линейные дефекты, включения, границы субзерен и тп.). Такие дефекты в значительной степени определяют физические свойства кристаллов.

СВОЙСТВА

Алмаз может быть бесцветными водянопрозрачным или окрашенным в различные оттенки желтого, коричневого, красного, голубого, зеленого, черного, серого цветов.
Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное. Под действием рентгеновских, катодных и ультрафиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться (люминесцировать) голубым, зелёным, розовым и др. цветами. Характеризуется исключительно высоким светопреломлением. Показатель преломления (от 2,417 до 2,421) и сильная дисперсия (0,0574) обуславливают яркий блеск и разноцветную «игру» огранённых ювелирных алмазов, называемых бриллиантами. Блеск сильный, от алмазного до жирного.Плотность 3,5 г/см 3 . По шкале Мооса относительная твердость алмаза равна 10, а абсолютная — в 1000 раз превышает твёрдость кварца и в 150 раз — корунда. Она самая высокая как среди всех природных, так и искусственных материалов. Вместе с тем довольно хрупок, легко раскалывается. Излом раковистый. С кислотами и щелочами в отсутствие окислителей не взаимодействует.
На воздухе алмаз сгорает при 850° С с образованием СО 2 ; в вакууме при температуре свыше 1.500° С переходит в графит.

МОРФОЛОГИЯ

Морфология алмаза очень разнообразна. Он встречается как в виде монокристаллов, так и в виде поликристаллических срастаний («борт», «баллас», «карбонадо»). Алмазы из кимберлитовых месторождений имеют только одну распространенную плоскогранную форму — октаэдр. При этом во всех месторождениях распространены алмазы с характерными кривогранными формами — ромбододекаэдроиды (кристаллы похожие на ромбододекаэдр, но с округлыми гранями), и кубоиды (кристаллы с криволинейной формой). Как показали экспериментальные исследования и изучение природных образцов в большинстве случаев кристаллы в форме додекаэдроида возникают в результате растворения алмазов кимберлитовым расплавом. Кубоиды образуются в результате специфического волокнистого роста алмазов по нормальному механизму роста.

Синтетические кристаллы, выращенные при высоких давлениях и температурах, часто имеют грани куба и это является одни их характерных отличий от природных кристаллов. При выращивании в метастабильных условиях алмаз легко кристаллизуется в виде пленок и шестоватых агрегатов.

Размеры кристаллов варьируют от микроскопических до очень крупных, масса самого крупного алмаза «Куллинан», найденного в 1905г. в Южной Африке 3106 карат (0,621кг).
На изучение огромного алмаза было потрачено несколько месяцев и в 1908 году он был расколот на 9 крупных частей.
Алмазы массой более 15 карат — редкость, а массой от сотни карат — уникальны и считаются раритетами. Такие камни очень редки и часто получают собственные имена, мировую известность и своё особое место в истории.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Хотя при нормальных условиях алмаз метастабилен, он в силу устойчивости своей кристаллической структуры может существовать неопределенно долго, не превращаясь в устойчивую модификацию углерода — графит. Алмазы, которые вынесены на поверхность кимберилитами или лампроитами кристаллизуется в мантии на глубине 200 км. и более при давлении более 4 Гпа и температуре 1000 — 1300 ° С. В некоторых меторождениях встречаются и более глубинные алмазы, вынесенные из переходной зоны или из нижней мантии. Наряду с этим, они выносятся к поверхности Земли в результате взрывных процессов, сопровождающих формирование кимберлитовых трубок, 15-20% которых содержит алмаз.

Алмазы встречаются также в метаморфических комплексах сверхвысоких давлений. Они ассоциируют с эклогитами и глубокометаморфизованными гранатовыми гнейсами. Мелкие алмазы в значительных количествах обнаружены в метеоритах. Они имеют очень древнее, досолнечное происхождение. Также они образуются в крупных астроблемах — гигантских метеоритных кратерах, где переплавленные породы содержат значительные количества мелкокристаллического алмаза. Известным месторождением такого типа является Попигайская астроблема на севере Сибири.

Алмазы редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет алмазы добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовая трубка, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях. Кроме этого алмазы были найдены в коровых породах в ассоциациях метаморфизма сверхвысоких давлений, например в Кокчетавском массиве в Казахстане.

И импактные, и метаморфические алмазы иногда образуют весьма масштабные месторождения, с большими запасами и высокой концентрацией. Но в этих типах месторождений алмазы настолько мелкие, что не имеют промышленной ценности. Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, приуроченными к древним кратонам. Основные месторождения этого типа известны в Африке, России, Австралии и Канаде.

ПРИМЕНЕНИЕ

Хорошие кристаллы подвергаются огранке и используются в ювелирном деле. Ювелирными считаются около 15% добываемых алмазов, еще 45% считаются околоювелирными, то есть уступают ювелирным по размеру, цвету или чистоте. В настоящее время общемировой объем добычи алмазов составляет порядка 130 миллионов карат в год.
Бриллиант (от франц. brillant — блестящий), — алмаз, которому посредством механической обработки (огранки) придана специальная форма, бриллиантовая огранка, максимально раскрывающая такие оптические свойства камня, как блеск и цветовая дисперсия.
Совсем мелкие алмазы и осколки, непригодные для огранки, идут в качестве абразива для изготовления алмазного инструмента, необходимого для обработки твёрдых материалов и огранки самих алмазов. Скрытокристаллическая разновидность алмаза чёрного или тёмно-серого цвета, образующая плотные или пористые агрегаты, носит название Карбонадо , обладает более высоким сопротивлением истиранию, чем у кристаллов алмаза и благодаря этому особенно ценится в промышленности.

Мелкие кристаллы также в больших количествах выращиваются искусственным путём. Синтетические алмазы получают из различных углеродсодержащих веществ, главным образом из графита, в спец. аппаратах при 1200-1600°С и давлениях 4,5-8,0 ГПа в присутствии Fe, Co, Сr, Мn или их сплавов. Они пригодны для использования только в технических целях.

Алмаз (англ. Diamond) — C

КЛАССИФИКАЦИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Красота драгоценных камней пленяет. Особенно ценятся экземпляры, обладающие наиболее чистым и ярким цветом. В частности, изумруд должен быть зеленым, сапфир - пронзительно-синим, а рубин - насыщенно-красным. Но цвет драгоценностей обусловлен чаще всего не их собственной кристаллической решеткой, а наличием примесей. Они могут придать сапфиру зеленый цвет, а изумруду - синеватый или желтоватый.

Химическая формула сапфира очень проста: Al2O3 (оксид алюминия). Данный минерал используется в электронной промышленности благодаря особым полупроводниковым свойствам. В чистом виде он бесцветный и полупрозрачный и носит название "лейкосапфир", так как с греческого слово "leukos" переводится как "белый". Его выращивают искусственно в промышленных целях, поскольку в природе эти кристаллы почти всегда имеют примеси. Их содержание в драгоценных камнях измеряется в массовых процентах, отражающих соотношение примеси к массе "чистого" камня.

Синий цвет придают железо и титан, а ванадий вносит фиолетовый оттенок. Больше всего ценятся и довольно редко встречаются камни ярко-синего, василькового цвета. Их месторождения расположены в основном на Шри-Ланке. Большое количество железа придает сапфиру зеленоватый цвет. Корунды, содержащие много оксида железа, становятся желтоватыми.

Удивительно, но кристаллическое строение рубинов такое же, как и у сапфиров! То есть это два разных названия для одного и того же камня. Различаются они лишь цветом. Принято считать рубинами только красные камни с пурпурным оттенком (его обеспечивает примесь хрома), но в ювелирных магазинах нередко можно встретить бирку с подписью "рубин", прикрепленный к изделию с розовым камнем. На самом деле правильно было бы писать "розовый сапфир", но не все ювелирные магазины так поступают. Серьезные компании используют цветовые координаты, с помощью которых можно описывать цвет камней. Именно координаты указывают на то, что называется сапфиром, а что рубином. В некоторых системах оценки цвета существуют свои эталоны.

Изумруд - зеленая разновидность берилла, содержащая хром. Сам берилл, так же, как и лейкосапфир, бесцветный. Но примесные элементы могут окрашивать его в различные цвета. Так, железо может окрашивать берилл в голубой или желтый, ванадий - в зеленый, марганец - в розовый. В изумруде содержание двуокиси хрома может доходить до 2-2,5%. Наличие других примесей в изумруде (железо, ванадий) может немного менять оттенок камня, а также указывать на его месторождение. Например, для уральских изумрудов характерно высокое содержание железа, а для колумбийских - примесь ванадия.

Царем драгоценных камней считается алмаз. Это не только ценнейший и красивейший драгоценный камень, но и сверхтвердый технический минерал, химически стойкий к агрессивным средам, это эталонный полупроводник для электроники, модельный объект для физики твердого тела, а также индикатор высоких давлений и температур в науках о Земле.

"Окраска алмаза чаще всего связана с примесями и дефектами структуры, возникающими в результате вхождения примесей. Самой главной примесью в алмазе является азот, придающий алмазу желтый оттенок. Этот элемент может входить в структуру драгоценного камня в виде одиночных атомов или их группировок. Алмазы, содержащие азот в форме группировок, составляют около 98% от всего алмазного сырья. Количество азота в таких камнях может доходить до 0,3% от атомов углерода, а в среднем оно составляет сотые доли атомных процентов. А вот в виде одиночных атомов в алмазах азот встречается редко. Зато такая форма азота придает камню яркий желтый, так называемый "фантазийный" цвет. Объемные дефекты в виде плоскостей вызывают коричневую окраску, а в ряде случаев - редкую розовую. Крайне дорогие и редкие голубые алмазы получаются благодаря примеси бора, " - поясняет Ирина Екименкова, научный сотрудник кафедры минералогии геологического факультета МГУ .

Алмазы, не содержащие примесей, раньше называли камнями "чистой воды". Считалось, что если положить алмаз в воду, то он будет незаметен. На самом деле показатели преломления света у воды и этого прекрасного минерала отличаются колоссально, и алмаз будет прекрасно виден.

История многих драгоценностей с алмазами, изумрудами и корундами насчитывает века. Менялись эпохи, общество, мировоззрение, но эти камни неизменно притягивали людей своей древней и загадочной красотой.

Электричество и магнетизм в XVII в. Нам осталось рассмотреть достижения доныотоновской физики в области изучения электричества, магнетизма и света. Младенческая пора в истории электричества и магнетизма заканчивается Портой. Новая эра в изучении электромагнитных явлений открывается знаменитым сочинением Гильберта (Вильям Гильберт, придворный врач английской королевы Елизаветы, родился в 1540 г., умер в 1603 г.) «О магните, магнитных телах и о большом магните. Новая физиология» (1600 г.).

Отказавшись от фантастических домыслов и басен, Гильберт в своих исследованиях применяет к электрическим и магнитным явлениям экспериментальный метод. Результаты, полученные им таким путём, поистине замечательны.

Вопреки общепринятому в то время мнению, по которому компас направляется к некоторой небесной точке, Гильберт полагает причиной направляющего действия на магнитную стрелку магнетизм Земли. Для проверки своей теории он изготовляет намагниченный шар и показывает, что магнитная стрелка, на этом шаре ведёт себя, как компас на земной поверхности, наклоняясь на разных широтах, под разными углами. Значительно труднее Гильберту было объяснить магнитное склонение, так как он полагал, что географические и магнитные полюса, совпадают. Ему пришлось допустить, что вода океанов, немагнитна, что и обусловливает отклонение стрелки вблизи берегов.

Продолжая исследование магнитных явлений, Гильберт открыл магнитную индукцию. Он установил, что стальной якорь усиливает магнитное действие, что железо и сталь намагничиваются влиянием, причём сталь сохраняет магнитные свойства. Ему удалось намагнитить железные проволоки магнитным полем Земли. Наконец, ему же принадлежит открытие факта неотделимости магнитных полюсов.

Обратившись к электрическим явлениям, Гильберт нашёл, что свойством притяжения обладает не только натёртый янтарь, а и ряд других тел (алмаз, сапфир, аметист, горный хрусталь, сланцы, сера, смолы и др.), которые он назвал электрическими, введя, таким образом, этот термин в науку. Ему удалось наэлектризовать свыше двух десятков тел. Другие же тела, и в первую очередь металлы, как он полагал, не электризуются. Сравнение электрических и магнитных явлений привело Гильберта к убеждению в глубоком их различии. Своё мнение он обосновывал следующими; доводами:

1) Электрические свойства возбуждаются (трением), магнитные же присущи намагниченным телам по природе.

2) Магнитные действия бывают двух родов: притягательные и отталкивательные, электрические же - только притягательные (электрических отталкиваний Гильберт не знал).

3) Электрические притяжения слабее магнитных, но зато универсальны.

4) Электрическую силу можно уничтожить влажностью, магнитную - нет.

В соответствии с этим Гильберт полагает, что магнетизм, так же как. и тяжесть, есть некоторая изначальная сила, исходящая из тел, в то время, как электризация обусловлена выжиманием из пор тела особых истечений, в результате трения. Роль обеих этих сил в природе оказывается, таким, образом, глубоко различной. Это подчёркивание Гильбертом различной природы электричества и магнетизма наложило глубокий отпечаток на, всю последующую историю электромагнетизма, в которой до Ампера и Фарадея обе группы явлений рассматривались изолированно друг от друга.

Сочинение Гильберта явилось уникумом, и в XVII в. к его результатам было добавлено мало. Галилей в «Диалоге» подтверждает наблюдение Гильберта об усилении действия магнита арматурой и в следующих замечательных выражениях характеризует историческую роль Гильберта:

«Воздаю хвалу, дивлюсь, завидую Гильберту. Он развил достойные удивления идеи о предмете, о котором трактовало столько гениальных людей, но который ни одним из них не был изучен внимательно. Высочайшей похвалы заслуживает он, по мнению моему, за то, что произвёл такое количество новых и точных наблюдений, к посрамлению пустого и лживого автора (Галилей имеет в виду Порту), который не только пишет о том, что сам знает, но передаёт всё, что пришло к нему от невежественных глупцов, не заботясь проверить опытом сообщённое и, повидимому, затем, чтобы книга была толще. Гильберту недостаёт только побольше математики и особенно геометрии. Большое знакомство с нею не позволило бы ему так решительно признавать доказательством те основания, которые он приводит как причину фактов, им правильно наблюдавшихся.

Я не сомневаюсь, что со временем эта отрасль науки сделает успехи как вследствие новых наблюдений, так и в особенности вследствие строгой методы доказательств. Но это не умаляет славы первого изобретателя. Я первого изобретателя лиры - как ни груб по устройству и звуку был его инструмент - ставлю не только не ниже, а много выше сотни других художников, которые довели эту отрасль до совершенства. Другие основательно, по мнению моему, первых изобретателей благородных инструментов причисляли к богам… От простейших вещей восходить к великим открытиям и под первыми ребяческими очертаниями предчувствовать скрытое удивительное искусство не дело дюжинных людей: такие прозрения и мысли принадлежат гениям сверхчеловеческой силы».

Поразительна прозорливость Галилея, предугадавшего развитие математической теории электромагнитных явлений и правильно оценившего основоположное значение работ Гильберта. Труды «дюжинных людей» XVII в., вроде «Магнитного искусства» Кирхера (1634) и «Магнитной философии» Кабео (1639), представляют шаг назад по сравнению с творением Гильберта. Описание забав и фокусов (вроде «магнитного ежа») сочетается в них с фантастическими вымыслами, схоластическими теориями и с крупицами действительных наблюдений. Только Герике, построившему прообраз электрической машины (серный шар, вращавшийся на железной оси, электризовался трением об руку), удалось сделать существенные наблюдения: электрическое отталкивание и распространение электрической силы по проводнику, но его открытия остались незамеченными.

Значительно больших результатов, представляющих большой практический интерес, удалось достичь в области земного магнетизма. В 1625 г. Генри Геллибранд открывает вариацию магнитного отклонения и результаты своих наблюдений опубликовывает в 1635 г. С тех пор становится ясной необходимость систематического изучения элементов земного магнетизма. Многолетние наблюдения и экспедиции делают особенно ценными работы Галлея, опубликовавшего первые карты с изогоническими линиями и выдвинувшего теорию вариации склонения. Работы Галлея падают на последние годы века (1683-1702) и завершают первый круг в развитии учения о земном магнетизме.