Кварц. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Кварц - кристаллич. двуокись кремния SiO₂, один из осн. минералов земной коры. Природные кристаллы К. имеют размеры от песчинок до неск. десятков см, но встречаются кристаллы размером 1 м и более. Про-мышленно производятся синтетич. кристаллы К.

Осн. кристаллич. модификацией SiO₂, существующей при обычных темп-pax и давлениях, является

-К.; эту модификацию и наз. собственно К. Кристаллич. структура К. образована из кремнекислородных тетраэдров SiO₄: находящийся в центре их катион Si окружён по тетраэдру четырьмя анионами О, а каждый ион О, осуществляя сцепление тетраэдров, связан с двумя ионами кремния (рис. 1). Заряд катионов Si - ок. +2е, анионов О - ок. -1е; связь между Si и О носит ионноковалентный характер. Параметры элементарной ячейки

-К.: а=0,4903 нм, с=0,5393 нм, точечная группа 32. Для

-К. точечная группа 32 реализуется в атомной структуре в двух энантиоморфных (правой и левой) пространственных группах. Поэтому в природе в равной мере встречаются кристаллы правого и левого К. Тетраэдры SiO₄вдоль гл. оси с расположены в структуре по винтовой линии, но закрутка винта соответственно правая или левая.

Кристаллы К.- удлинённо- призматические или дипирами-дальные с гранями гексагональной призмы и двумя ромбоэдрами. Кристаллы правого и левого К. различаются по расположению граней трапецоэдра и тригональной дипирамиды (рис. 2). Часто К. сдвойни-кован (см. Двойникование)и кажущиеся монокристаллы оказываются тесным срастанием или прорастанием двух индивидов. Сростки левого К. с правым, в к-рых структура одного является зеркальным изображением структуры другого в плоскости, нормальной к оси 2-го порядка, наз. бразильскими двойниками (рис. 3, а). Двойники, сложенные из одноимённых левых или правых индивидов, повёрнутых относительно друг друга вокруг вертикальной оси на 180°, наз. д о ф и н е й-скими (рис. 3, б). Они возникают в результате внутр. перестройки кристаллич. структуры при меха-нич. напряжениях, вызванных термич. сжатием или приложением внеш. сил. Выше 573 °С

-К. переходит в др. кристаллич. модификацию -

-К. Кристаллы

-К. - гексагональные (точечная группа 62), структура их отличается от

-К. небольшим поворотом и более симметричным расположением тетраэдров SiO₄.

Кроме

- и

-К. известны и др. кристаллич. модификации SiO₂ - в интервале 870-1470 °С устойчив гексагональный тридимит, а выше 1470 °С - кубич. крис-таболит. При высоких темп-pax Т и давлениях Р возникают ещё две модификации - коэсит (при Р~2ГПа, Т~1000°С) и наиб. плотная - стишовит (Р~ ~10ГПа, Т~1500°С).

Рис. 2. Правый (а) и левый (б) кристаллы кварца. Рис. 3. Двойники кварца: бразильский (а) и дофинийский (б).

Чистый кристалл К. бесцветен; ничтожные посторонние примеси вызывают разнообразную окраску К.; наиболее обычны бесцветные, молочно-белые или серые К. Прозрачные или полупрозрачные красиво окрашенные кристаллы наз. особо: бесцветные, прозрачные - горный хрусталь; фиолетовые - аметист; дымчатые - раухтопаз; чёрные - марион; золотисто-жёлтые - цитрин; добавка Со в синтетич. К. даёт красивую голубую окраску. Твёрдость К. по минералогич. шкале 7; плотн. 2650 кг/м². Плавится при температуре 1710 °С и застывает при охлаждении в т. н. кварцевое стекло, в к-ром тетраэды Si0₄ сцеплены беспорядочно. Плавленный кварц - хороший изолятор; сопротивление кубика с ребром в 1 см при 18 °С равно 5

10¹⁸ Ом/см, коэф. линейного расширения 0,57

10^-6 см/град.

К--оптически одноосный, положительный (см. Кристаллооптика ).Показатели преломления для дневного света с длиной волны

=589,3 им: п_е= 1,553; п_о=1,544. Неокрашенный К. прозрачен для УФ- и частично ИК-лучей. При пропускании плоскополяризованного луча по направлению оптич. оси левые и правые кристаллы К. вращают плоскость поляризации в противоположные стороны. Значение угла вращения (на толщину пластинки в 1 мм) меняется в зависимости от

и составляет для

=589 нм - 21,7°.

Оптич. свойства К. обусловили широкое применение его в оптич. приборостроении - из него делают призмы для спектрографов, монохроматоров, пластинки для вращения плоскости поляризации, линзы для УФ-оптики и т. п.

Отсутствие плоскостей и центра симметрии у кристаллов К. обусловливает наличие пьезоэлектрич. и пиро-электрич. свойств (см. Пьезоэлектричество ).Значения диэлектрич. проницаемости

, пьезоэлектрич. модуля d_ij и упругих коэф. S_ij при комнатной температуре следующие:

=4,58;

=4,70; d₁₁=-6,76-10^-8; d₁₄=2,56

10^-8; S₁₁=1,279; S_l2=-0,159; S₁₃=-0,110; S₁₄=-0,446; S₃₃=0,956; S₄₄=1,978.

Монокристаллы синтетич. К. выращивают из водных щелочных растворов SiO₂ при давлениях 40-200 МПа и температурах

360 °С. Кристаллы синтетич. К. обладают стабильными пьезоэлектрич. свойствами, радиац. устойчивостью, высокой оптич. однородностью и др. ценными техн. свойствами. Кристаллич. элементы из К. находят широчайшее применение в радиотехнике и электронике - это пьезоэлектрич. стабилизаторы частоты (в т. ч. в кварцевых часах), фильтры, резонаторы, пьезо-датчики, пьезопластинки в УЗ-установках и т. д. В техн. химии, в технологии кристаллизации и др. широко используются тигли, сосуды и др. изделия из плавленного К.

Литература по кварцу

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.