Главная » Файлы » Образование » Методические разработки МО математики физики и информатики

ЗАГАДКИ ДРАГОЦЕННЫХ КАМНЕЙ
[ Скачать с сервера (6.92 Mb) ] 22.05.2015, 12:50

Загадки драгоценные камней с точки зрения физики.

Что такое драгоценный камень?

Драгоценные камни — это минералы, очень высоко ценимые за свою красоту, прочность и редкость, которые можно носить в качестве украшения или использовать для декорирования предметов искусства. Термин "драгоценные камни" может использоваться чрезвычайно широко, но специалисты предпочитают четкую классификацию.

Наука о драгоценных камнях делит их на два типа: неорганического и органического происхождения

Неорганические: прочные минералы естественного происхождения с постоянной химической структурой. Большинство драгоценных камней являются неорганическими, но из тысяч минералов, извлекаемых из недр нашей планеты, лишь около двадцати удостоены высокого звания "драгоценный камень" - за их редкость, красоту, долговечность и прочность.

Органические: камни созданы животными или растениями, например, янтарь представляет собой окаменевшую древесную смолу, а жемчуг созревает в раковинах моллюсков. В качестве примеров также можно привести коралл, гагат и панцирь черепахи. Кости и зубы земных и морских животных обрабатывались и использовались в качестве материала для изготовления брошей, ожерелий и статуэток.

 

Драгоценные камни в древности

Использование минералов и различных костей животных в целях украшения и охраны от злых духов имеет очень давнюю историю. Впервые ювелирные украшения стали использоваться, вероятно, во время последнего ледникового периода, приблизительно между 40000 и 20000 лет до н. э. Возраст резных статуэток женщин или животных, обнаруженных в Моравии, в центре Европы, определен радиоуглеродным анализом и равен 25000 лет; резные предметы, которые, вероятно, имели религиозное значение, играли важную роль в жизни охотников в позднем палеолите. Греки и римляне отдавали предпочтение декоративным золотым украшениям, хотя среди римлян были популярны резные камни в виде камей. Они же первыми стали использовать алмазы. Ювелирные изделия существовали при всех известных цивилизациях, были созданы оригинальные стили. В средние века драгоценные камни наделяли почти магическими свойствам, например, исцеление от болезней. В более позднее время драгоценные камни применялись как символы божественной и земной силы и власти, талисманы, защищающие от несчастий.

 

Физические свойства.

К физическим свойствам относятся:

Кристаллическое строение;

Твердость;

Оптические свойства;

Электромагнитные свойства.

 

Кристаллическое строение.

Грани кристаллов не случайная игра природы. Они появляются лишь тогда, когда внутреннее расположение атомов имеет определенный порядок, и дают большую информацию о геометрии этого расположения. Различия в порядке расположения атомов внутри кристаллов обусловливают многие различия в их свойствах. При рассмотрении кристаллографических форм ясно видно, что каждая из них имеет определенную симметрию. В числе этих элементов следует назвать: плоскости зеркального отражения (плоскости симметрии), оси симметрии, центр симметрии. В соответствии с такой симметрией внешние грани образуют друг с другом постоянные углы, и потому зачастую минерал в виде отдельного кристалла. Хорошим примером проявления характерной формы минерала из семейства драгоценных камней является горный хрусталь.

Некоторые драгоценные камни не являются. В материалах внутренние границы между очень мелкими «кристаллитами», слагающими материал, рассеивают свет таким образом, что вещество становится полупрозрачным или даже непрозрачным. В качестве примера можно привести мел, представляющий собой непрозрачную форму карбоната кальция. Он совершенно прозрачный, если образуется в виде монокристалла.        Труд гранильщика дает наибольший эффект только при работе с монокристаллами, когда грани на драгоценном камне выполняются под углами, соответствующими кристаллографическим характеристикам материала. Все прозрачные камни, включая драгоценные — алмаз, изумруд, рубин и сапфир, являются монокристаллами.

 

 

 

Твердость

Твердость для драгоценных камней является весьма важным свойством, так как в ювелирных изделиях они не должны изнашиваться. Различают твердость при шлифовке, при давлении и при царапанье. Применительно к драгоценным камням представляет интерес, как правило, твердость при царапанье, которая оценивается по шкале Мооса и характеризует сопротивление, которое оказывают царапанью соответствующие минералы. Речь здесь идет об оценке относительной твердости, для чего Моос составил шкалу.

 

Оптические свойства.

Оптические свойства различных драгоценных камней существенно отличаются друг от друга. Если большинство из них обладает высокой степенью проницаемости для света, то другие, такие, как лунный камень или тигровый глаз, полупрозрачные или дымчатые, а небольшая часть камней, таких как лазурит, непрозрачна. Среди оптических свойств драгоценных камней наряду с их многоцветностью стоит свойство этих камней испускать разноцветные искры. Оно обусловлено такими оптическими явлениями, как светопреломление,  блеск – они придают драгоценным камням сверкание и своеобразную «игру» - «огонь». Светопреломление, подобно плотности, является характерной константой вещества, имеющей большое диагностическое значение. Чем выше светопреломление, тем, как правило, сильнее «играет» камень. При вхождении светового луча в кристалл (как и в любую другую среду) луч в большей или меньшей степени отклоняется от своего направления.
Красота бесцветных камней зависит в основном от двух свойств, известных как блеск и  «игра цветов». Блеск — это способность драгоценных камней собирать свет под широким углом и направлять его к глазу. Кубические кристаллы и аморфные образования не обнаруживают различий оптических свойств в разных направлениях. Они имеют один показатель преломления. Прочие кристаллы анизотропны, то есть их оптические свойства меняются в зависимости от направления, при попадании в них световой луч раздваивается, возникают два луча с разным преломлением, в результате чего кристаллы называют двупреломляющими.

 

 

 

Электромагнитные свойства.

Некоторые минералы имеют магнитные свойства, благодаря которым можно определить драгоценные камни, имеющие, например, сходный цвет. Пироп гранат обладает средними магнитными свойствами, чем отличается от красного шпинеля. Синхалит – единственный минерал со слабыми магнитными свойствами и этим отличается от коричневого перидота, имеющего средние магнитные свойства.

Если на противоположенных сторонах необработанного кристалла присутствуют грани, возникшие естественным образом, то они различно ориентированы. Это явление получило название гемиморфизма, оно свидетельствует об определенных электрических свойствах образца. Некоторые камни являются пироэлектриками, т.е. проявляют электрические свойства при нагревании. Это делает их идеальным материалом для производства термометров. Драгоценные камни проявляют так же пьезоэлектрические свойства, что позволяет использовать их в приборах, измеряющих глубину в водоемах и давление воды.

Если энергично потереть кусок янтаря тканью, он электризуется и притягивает к себе кусочки бумаги и соломинки. Это явление было хорошо известно Фалесу Милетскому, греческому ученом VI века до нашей эры. В Древней Греции янтарь называли electron, и от этого произошло современное слово «электричество»…

 

Применение драгоценных камней.

Рубиновый лазер. В 1960 году американский физик Теодор Мейман изобрел первый оптический квантовый генератор — лазер на кристалле рубина, впервые получив когерентное электромагнитное излучение в видимом диапазоне. В том же году американским физиком Али Джаваном был спроектирован и построен первый в мире гелий-неоновый лазер. Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия Лазеры получили широкое применение в научных исследованиях (в физике, химии, биологии и др.), в практической медицине (хирургия, офтальмология и др.), а также в технике (лазерная технология). Лазеры позволили осуществить оптическую связь и локацию, они перспективны для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Техника, поляризатор. Техника применяется для получения, передачи и преобразования энергии; исследовании природы и общества; сбора, хранения, обработки и передачи информации; создания материалов с заранее заданными свойствами; передвижения и связи. Современная техника характеризуется высокими темпами ее модернизации и автоматизации, унификацией, стандартизацией, интенсивным развитием энергетики, радиоэлектроники, химической технологии, широким использованием автоматики, ЭВМ и др. Достижения современной техники базируются на фундаментальных научных открытиях и исследованиях.

 

Рубиновый лазер.

Лазер-источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения. Из кристалла рубина изготавливается стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали даёт сине-зелёный свет. Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов ёмкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится «перенаселённым». В результате самопроизвольных переходов 2®1 начинают самопроизвольно излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют никакой роли. Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов. Она вызывает индуцированное излучение возбуждённых ионов хрома и быстро усиливается. Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой- полупрозрачным. Через него  выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульс красного света. Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так как при индуцированном излучении вся запасённая энергия выделяется за очень малое время.

 

Поляризатор

О возможности па стало известно только в XIX веке. Но еще современники Ньютона знали явление, связанное с поляризацией света: при преломлении света в некоторых кристаллах, например в исландском шпате, возникают два преломленных луча. Такие кристаллы получили название двоякопреломляющих. Некоторые другие кристаллы, например турмалин, в зависимости от их ориентации не пропускают тот или иной из преломленных лучей. В настоящее время известно, что лучи в двоякопреломляющем кристалле плоскополяризованы во взаимноперпендикулярных направлениях и что турмалин действует подобно «щели», которая пропускает только луч с подходящей поляризацией.  В наши дни можно воспользоваться поляроидной пленкой.

Поляризаторы – устройства, с помощью которых из естественного света получают плоскополяризованный. Поляризатор свободно пропускает колебания, параллельные плоскости и полностью или частичное задерживает колебания, перпендикулярные к этой плоскости.

Призма Николя – поляризационное устройство, основанное на явлении двойного лучепреломления. Это призма, изготовленная из исландского шпата, разрезанная по диагонали и склеенная канадским бальзамом.

Призмы выкладываются из кристалла с такими углами между гранями, чтобы, падающий на переднюю грань, проходил насквозь, практически не преломляясь. Свет  падает на прослойку канадского бальзама и вследствие этого испытывает полное внутреннее отражение.

Призмы Николя используют в качестве поляризаторов света, в качестве анализаторов для определения характера и степени поляризации света.

 

Техника

Твердые камни (алмаз, рубин, сапфир, кварц, турмалин, халцедон, яшмы) широко используются в технике. Большое применение находят в таких областях как кристаллооптика, оптоэлектроника. Технические алмазы используются в алмазных буровых коронках, пилах, резцах, фильерах для вытягивания проволоки, для изготовления полировальных порошков и паст, а также в оптической и электронной промышленности как полупроводники, датчики в счетчиках ядерных частиц, как вещество с теплопроводностью выше, чем у меди, прозрачное для широкого диапазона волн.

Электрокорунд, синтетический корунд (88-99% Al2O3), получаемый плавкой глиноземсодержащего сырья в электрических печах. Применяется как абразивный, огнеупорный материал, для изготовления литейных форм и стержней и т.д. Полупроводниковый, лазер, активная среда которого — полупроводниковый кристалл. Полупроводниковый лазер имеет малые размеры (50 мкм — 1 мм), высокий кпд (до 50%), возможность спектральной перестройки. Полупроводниковый лазер генерирует излучение в диапазоне длин волн 0,3-30 мкм. Наиболее распространенный способ накачки — инжекция носителей через гетеропереход (гетеролазер). Применяют в оптической связи и локации, оптоэлектронике и др.

Лазерная технология, технологические процессы, основанные на применении лазерного излучения для термической обработки, сварки, резки деталей, получения отверстий малого диаметра в сверхтвердых материалах.

 

Огранка камней.

Огранка камней была впервые введена в Европе в XVI в.Огранка -  механическая обработка (гранение и полировка) природных и синтетических драгоценных и полудрагоценных камней для ювелирных и технических целей. Огранка придает эстетическую форму, выявляет природную красоту камня и специфические для каждого минерала признаки: цвет, блеск, прозрачность, дисперсия света, плеохроизм и др. Технологию обработки определяют природная форма, размер кристаллов, их прозрачность, распределение окраски, оптические свойства и др. Самая древняя — сфероидальная гладкая шлифовка поверхности камня, придающая ему чечевицеобразную, выпукло-вогнутую или выпукло-плоскую (кабошон) форму. Максимальное сверкание округлого бриллианта достигается при соблюдении точно рассчитанных пропорций граней павильона, обеспечивающих полное внутреннее отражение света. Входящий луч света должен полностью дважды отразиться от тыловых граней на противоположных сторонах камня и выйти из коронки, создавая максимальное сверкание.

 

Первые искусственные камни.

Первой попыткой создания искусственных драгоценных металлов было покрытие внешне непривлекательного природного минерала стеатита слоем глазури с тем. чтобы придать ему вид малахита или лазурита. Стеатит – гидратированный силикат магния представляет собой разновидность талька и является одним из самых мягких природных минералов. Древние глазури не были стекловатыми, их приготавливали из окрашенной глины, которую наносили на бусинку, а затем обжигали. Остается неизвестным, как была изобретена глазурь. По одной из версий считается, что первоначально люди просто заметили кварцевые камешки, расплавленные в древесной золе горячего костра. Согласно другой версии, глазурь случайно была открыта при плавлении меди, когда обнаружили стекло в печном шлаке. Фаянсовые бусинки в большинстве своем были синими или зелёными, поскольку это цвета лазурита и малахита. Наиболее популярных природных материалов того времени. В период Накада II (3500-3100 гг. до н.э.) мастерство  использования цвета  достигло наибольшего совершенства. Искусство производства фаянса достигло вершины примерно к 1500 г. до н.э., когда было налажено массовое производство бисера, из которого составлялся такой сложный рисунок, как лепестки лотоса, колосья злаков или листья ивы, украшавшие красивые и изысканные ожерелья.

 

Камни будущего.

Начиная с 1960-х годов все более широкое распространение получают искусственно синтезированные драгоценные камни. В лабораториях выращиваются искусственные алмазы, рубины, сапфиры, изумруды, александриты, аметисты, горный хрусталь, опал. Кроме того, выращиваются материалы, которых нет в природе, но которые при огранке выглядят как драгоценные камни. К их числу относится имитация бриллианта — фианит, впервые полученный в России в 1972. Природные камни становятся, или уже стали, относительно редкими. В дальнейшем будут синтезироваться те камни, которые пользуются наиболее широким спросом, с целью дополнить или заменить иссякающие запасы естественных минералов. Совсем новые искусственные камни появились в результате научных исследований, направленных на создание материалов специального назначения, часто для техники связи. Существует ряд соединений, которые изучаются учеными и могут использоваться как новые драгоценные материалы, например: висмут-германиевые окислы, танталат лития, редкоземельные силикаты группы апатита. Известно много способов улучшения качества природных драгоценных камней за счет их нагрева (топаз, морион и др.), обработки флюидами в автоклавах (берилл и др.), воздействия ионизирующим облучением (алмаз, кунцит и др.), либо окрашиванием с поверхности или на полную глубину (низкосортная бирюза, разновидности халцедона и опала и др.).

 

Категория: Методические разработки МО математики физики и информатики | Добавил: krimschool-5
Просмотров: 691 | Загрузок: 4 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: