Кристалофизика

Кристалофизиката е наука, която изучава физичните свойства на кристалите, както и влиянието на различни външни въздействия върху тези свойства и върху реалната структура на кристалите.

Кристалофизика (от грц.
krystallos — първоначално
значение лед, и физика).

Кристал — твърдо тяло, което
има тримерна периодична атомна
структура и представлява
равновесносъстояние на веществото.

Основите на тази наука са положени през 1669 г., когато датският учен Расмус Бартолин издава трактата „Опити с двойнопречупващ исландски кристал…“ физичните свойства на кристалите много тясно зависят от тяхната симетричност. Това е свойството на кристалите да съвпадат (да се съвместяват) със себе си при завъртания, отражения или паралелни пренасяния, както и при осъществяването само на част или комбинация от изброените операции. Понятието симетричност в кристалофизиката се въвежда за първи път през 1894 г. от френския физик Пиер Кюри. Той формулира закона: „Ако определени причини пораждат някои следствия, то елементите на симетрия на причините трябва да се съдържат в предизвиканите от тях следствия.“

В древността хората предполагали,
че кристалите имат леден произход.
Според римския автор Плиний Стари
(I в.) „Планинският кристал се
образува под влияние на големия
студ. Във всеки случай той се
открива само там, където има
най-много замръзнал сняг.“

За първи път елементи на симетрия
и изобщо структура на кристал са
наблюдавани през 1912 г. от
немския физик Макс фон Лауе
(1879—1960), използвал за целта
рентгенови лъчи. По този начин
се поставя началото на
рентгеноструктурния анализ.
Получените снимки са разшифровани
за пръв път от двама английски
учени (баща и син) — Уйлям Хенри
Брег (1862—1942) и Уйлям Лоурънс
Брег (1890—1971).

Симетрията е широко разпространена в природата — например лявото и дясното крило на пеперудата сякаш се отразяват в една огледална равнина, т. нар. равнина на симетрия, която е един от елементите на симетрия. Броят на подобни равнини в кристалите може да стигне до девет. Има обаче случаи, когато в кристала има симетрия, но отсъства равнина на симетрия — за да се получи съвпадение, необходимо е през центъра на дадена фигура да се прокара ос и през нея двете части да се завъртят мислено до пълното им съвпадане. Този елемент се нарича ос на симетрия. Друг елемент е центърът на симетрия — точката, спрямо която всички части на тялото са симетрични. В зависимост от този център осите на симетрия се делят на: неполярни — фигурата има ос и център на симетрия (напр. неподострен молив), и полярни — ос има, но център на симетрия липсва (напр. подострен молив). Трите елемента на симетрия се срещат в различни комбинации при всички кристали.

Всички възможни елементи на
симетрия може да се групират в
различни групи на симетрия, като
най-важните от тях са
пространствените, известни още
като фьодорови пространствени
групи, на името на Ефграф
Степанович фьодоров (1853 — 1919),
който извежда всички възможни
закони за съчетаване елементите
на симетрия. Подобни резултати
независимо от него получава и
немският математик Артур Шенфис.
Пространствените групи характеризират
атомната структура на кристалите.
Към по-важните групи на симетрия се
отнасят и точковите — те описват
външната форма на кристалите и се
наричат още кристалографски класове.

В кристалите се наблюдават интересни физични явления, свързани със симетричността. Отдавна е забелязано, че ако турмалинът бъде нагрят от слънчевите лъчи или друг източник на топлина, на краищата на кристалите му се събира прах или пепел, поради което този минерал е наречен пепелосъбирач. В основата на това явление е пироелектричният ефект — поява на електричен товар на повърхността на някои кристали (наречени пироелектрици) в резултат на нагряването или охлаждането им. Ефектът може да се наблюдава само в кристали, които имат една полярна ос на симетрия. С турмалина е свързан и обратният ефект — изменение на температурата на пироелектричен кристал, поставен в електрично поле. Този ефект се нарича електрокалоричен и се наблюдава и в диелектрични вещества.

Картина на Мауриц Ешер
Картина от изложбата на холандския художник Мауриц Ешер, представена по време на Световния конгрес по кристалография в Кембридж,
1960 г. (с двойни линии са изобразени плоскостите на симетрия, а с тъмните квадратчета в точката на пресичането им — осите на симетрия)

Друго важно явление, открито за първи път в кварца от братята Пиер и Жак Кюри, е пиезоелектричеството — поява на електричен товар в кварцов кристал, подложен на механично въздействие. Този ефект се проявява особено силно в сегнетовата сол, с която братя Кюри правят опити още през 1880 г. Днес са открити много вещества, чиито свойства приличат на тези на сегнетовата сол (т. нар. сегнетоелектрици). Един от най-известните сегнетоелектрици е бариевият титанат. Особен интерес сред учените предизвиква взаимодействието на светлината с кристалите. В някои кристали напр. се среща двойно лъчепречупване, което се обяснява с нееднаквата скорост на преминаване на светлинните лъчи по различните направления в кристала. Електричното поле също влияе върху оптичните свойства на кристалите, като предизвиква т. нар. електрооптичен ефект, който се наблюдава само в кристали с полярни оси. Такива кристали се използват като светлинни релета, за запис и възпроизвеждане на звук (напр. в киното). Механичното въздействие също влияе върху оптичните свойства на кристалите, като предизвиква в тях пиезооптичен ефект. Този ефект се прилага за наблюдаване разпределението на натоварването в различни конструкции и машини, където не могат да се използват други начини за контрол. Явленията, свързани с разпространяването на светлината в кристалите, се изучават и в кристалооптиката.

Пиезоелектричен ефект
Пиезоелектричен ефект: върху кристала действат притискащи сили — в резултат в равнините, където те са приложени, възникват противоположни по знак електрични товари (а); когато силите се стремят да „разтегнат“ кристала, товарите сменят полярността си (б)

Физичните свойства на кристалите зависят силно и от реалната кристална структура. Тя се характеризира с наличие на различни видове дефекти, които се появяват в процеса на израстване на кристалите под влияние на топлинни, механични и електрични въздействия, както и при обработка на кристалите с неутронни или електронни потоци, при облъчването им с рентгенови лъчи и т. н. Дефектите се обединяват в няколко групи: точкови, линейни, повърхностни и обемни. Най-малки са точковите дефекти, свързани с нарушаване на кристалната решетка в обем, приблизително равен на атомния. Най-простият пример за тях са ваканциите (възли в кристалната решетка, в които отсъстват атоми), а други дефекти от този вид са свързани с наличието на свои или примесни атоми в междувъзлията на кристалната решетка на дадено вещество. Линейните дефекти са свързани с нарушаване на кристалната решетка в околността на една линия. Пример за тях са дислокациите, които, най-общо казано, представляват непълно изградени атомни равнини в кристала. Чрез контрол на количеството на различните дефекти може да се, управляват някои от свойствата на кристалите. Чрез регулиране на общия брой на дислокациите напр. в едно кристално тяло може да се въздейства на пластичността му. През последните години са получени кристали с много малко дефекти, които намират голямо приложение в металургията, приборостроенето, микроелектрониката, квантовата електроника и т. н.

През XVII в. френският аптекар
Пиер де ла Сегнет от гр. Ла Рошел
започва да лекува стомашноболни с
лекарство, смес от дребни
кристалчета на виненокисел натрий
и калий. В медицината лекарството
няма успех, но във физиката тази
смес се използва под името
сегнетова сол или „рошелска сол“.

В България значителна част от задачите, свързани с проблемите на кристалофизиката, се решават от учените и специалистите, които работят в Института по физика на твърдото тяло при БАН, както и във физическия, факултет на СУ „Кл. Охридски“.

Вж. Магнетизъм и Физика на полупроводниците; Кристалография.