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 низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.