Измерение скорости роста кристалла, растущего из водного раствора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО Уральский Федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Кафедра технической физики

Лабораторная работа

Измерение скорости роста кристалла, растущего из водного раствора

Студенты: Грачева Ю.Ю.

Попов И.А.

Группы: Фт - 320204

Преподаватель: Бандо Р.Д.

Екатеринбург 2015

Введение

Кристаллы встречаются повсюду. Широко применение кристаллов в технике, где используются те или иные их свойства. В промышленности применяют также искусственные кристаллы, т.е. те, которых ранее в природе не существовало, например кристаллы кремния, арсенида галлия, германия. Для производства и использования кристаллов необходимо понимание механизмов их роста, распределения примесей и дефектов в них. Информацию об этом получают с помощью различных методов, как микроскопических, так и макроскопических. Важным для технологии получения и физики кристаллизации макроскопическим параметром является величина скорости роста кристалла. Ее определению и посвящена данная работа.

1. Теоретическая часть

Если химический потенциал частиц в кристалле меньше чем в окружающей среде, то это приведет к возникновению кристаллических зародышей. Чтобы вызвать кристаллизацию, необходимо создать разность химических потенциалов кристаллизующегося компонента между исходной фазой и кристаллической, т.е. либо быстро изменить температуру, давление, либо удалить часть растворителя.

Рост кристалла осуществляется в процессе присоединения к поверхности новых атомов, молекул или более сложных агрегатов. В зависимости от химической природы кристаллизующегося вещества и температуры рост кристалла происходит либо по нормальному, либо по послойному механизму.

Первый тип роста реализуется на атомно-шероховатых поверхностях. Присоединение новых частиц к таким поверхностям происходит практически в любой точке, так как практически все ее точки энергетически равноценны.

Второй тип роста реализуется на атомно-гладких гранях, где изломы сосредоточены лишь на ступенях. Пришедшие из окружающей среды частицы адсорбируются на поверхности кристалла и затем совершают перемещения (прыжки) благодаря тепловому движению, как вдоль поверхности, так и по нормали к ней. В результате они могут перескакивать в соседние положения адсорбции и покидать поверхность. Блуждая по грани, некоторые атомы могут попасть на ступени, где атом соединяется с кристаллом соответственно двумя и тремя связями.

Характер роста кристалла (по нормальному или послойному механизму) определяется мерой прочности связей в кристалле и температурой окружающей среды. Первый параметр непосредственно связан с теплотой кристаллизации (плавления) Q и ответственен за стремление кристалла сохранять в процессе роста наиболее плотную упаковку с наименьшим числом неоднородностей на поверхности. Энергия теплового движения kT способствует напротив увеличению беспорядка. Отношение Q и kT служит критерием определения механизма роста кристалла: если Q/kT>2, то поверхность атомно-гладкая, а если Q/kT<2 - шероховатая.

2. Описание экспериментальной установки

Для измерения скорости роста кристалла используется микроскоп Intel Play QX-3 (рис. 1). Данный микроскоп является цифровым и подключается к компьютеру через интерфейс USB. Это позволяет сохранять и затем анализировать видеофрагменты и фотоснимки. Существенным недостатком микроскопа является неудобная система фокусировки и, как следствие, невысокое качество изображения.

Рис. 1 - микроскоп Intel Play

Для начала использования микроскопа необходимо запустить программное обеспечение, которое автоматически инициализирует микроскоп (включится подсветка).

Далее необходимо выбрать препарат, положить его на предметный столик 3 и отрегулировать его положение винтом так, чтобы изображение стало достаточно резким. Вращая колесико 2 можно менять степень увеличения - в 10, 60, 200 раз.

Интерфейс программного обеспечения (рис. 2) выполнен очень просто: разрешение 640х480, крупные, интуитивно понятные значки. В центре экрана находится окно, в котором отображается то, что в данные момент находится в поле зрения устройства.

С помощью ползунка (brightness) можно управлять яркостью подсветки. Подсветку также можно устанавливать либо верхнюю (top), либо нижнюю (bottom) в зависимости от вида препарата. Программное обеспечение позволяет сохранить изображение (snapshot) или даже видеоряд (record movie) на жестком диске компьютера.

Для проведения лабораторной работы будет также необходим объект-микрометр - прибор, который позволяет точно и просто установить увеличение микроскопа. Для этого необходимо вынуть его из футляра и положить на предметный столик. После наведения на резкость появляется картинка, подобная рис. 3.

Рис. 2 - вид монитора при наблюдении в микроскоп Intel Play QX-3

Рис. 3 - вид объекта-микрометра под микроскопом

В объекте-микрометре расстояние, равное одному миллиметру, разделено на 100 частей, следовательно, расстояние между двумя ближайшими наиболее длинными делениями соответствует 0,1 миллиметру. С помощью этого приспособления легко установить истинное увеличение микроскопа, соотнести истинный физический размер с числом пикселей на экране компьютера. атомный кристалл микроскоп

3. Методика проведения эксперимента

Цель лабораторной работы - измерить скорость роста кристалла NaCl, кристаллизующегося из водного раствора.

Ход лабораторной работы

1. Ознакомьтесь с теоретическими основами роста кристаллов и устройством микроскопа.

2. Сфотографируйте объект-микрометр при увеличении 200х таким образом, чтобы он получился максимально четким и шкала была параллельна рамке рисунка.

3. Установите необходимую резкость изображения одного из старых образцов с кристаллами NaCl (увеличение 200х).

4. Приготовьте в кювете насыщенный водный раствор NaCl.

5. На чистое предметное стекло нанесите пипеткой несколько капель раствора и, осторожно размазывая пипеткой, добейтесь их различной толщины.

6. Поместите на предметный столик микроскопа образец.

7. При появлении первых микрокристаллов по возможности быстро расположите один из них а поле зрения микроскопа, при необходимости наведите резкость и сфотографируйте их рост через равные промежутки времени (7 - 15 секунд).

8. Повторяйте п. 7 пока не будет получено 3 последовательности снимков.

9. После получения снимков последовательно экспортируйте их в формат jpg.

10. Откройте полученные изображения в каком-либо графическом редакторе, в котором можно измерять координаты каждой точки изображения.

11. Используя изображение микрометра, определите число пикселей, приходящихся на 0,01 мм.

12. Последовательно открывая рисунки, запишите в таблицу расстояние между характерными точками в разные моменты времени. Рассчитайте расстояние между ними в миллиметрах.

13. Используя полученные данные, определите среднюю скорость роста кристалла внутри каждой серии и среднюю скорость по всем сериям с указанием доверительного интервала.

4. Опытные данные и обработка результатов измерений

Количество пикселей в миллиметре: 540

Время между снимками: 10 сек

Рис. 4. Первый кристалл с характерными точками

Таблица 1 Результаты измерений для серии №1

Среднее приращение за снимок: 0.009

Средняя скорость: V_ср1 = 0.009/10 = 0.0009 мм/с = 0.9 мкм/с

Рис. 5. Второй кристалл с характерными точками

Таблица 2 Результаты измерений для серии №2

Среднее приращение за снимок: 0.003

Средняя скорость: V_ср3 = 0.003/10 = 0.0003 мм/с = 0.3мкм/c

Средняя скорость: V_ср2 = 0.003/10 = 0.0003 мм/с = 0.3мкм/с

Рис. 6. Третий кристалл с характерными точками

Таблица 3 Результаты измерений для серии №3

Среднее приращение за снимок: 0.006

Средняя скорость: V_ср3 = 0.006/10 = 0.0006 мм/с = 0.6мкм/c

5. Расчет погрешностей

Средняя скорость по всем сериям:

Будем считать доверительный интервал при доверительном уровне 95%

Стандартные отклонения для всех серий:

у=

у₁=0.01004

у₂=0.00145

у₃=0.00333

у_общее=0.0148

Предел погрешности равен: =Z_a/2 * у/v(n), где Z_a/2 = коэффициент доверия (где а = доверительный уровень), у = стандартное отклонение, а n = размер выборки. Тогда

=0.008126 =0.008 мкм/с

Средняя скорость роста кристалла по всем сериям:

V_ср=(V₁+ V₂+ V₃)/3=0.006 мкм/с

Окончательно:

V_ср=1.8 ±0,008 мкм/с

Серия 1

?=0.003 мкм/с

V1=0.9 ± 0.009 мкм/с

Серия 2

?=0.002 мкм/с

V2=0.3 ± 0.003 мкм/с

Серия 3

?=0.005 мкм/с

V3=6.6 ± 0.006 мкм/с

Вывод

В ходе лабораторной работы с помощью цифрового микроскопа Intel Play QX-3 были получены четыре серии снимков роста кристалла, растущего из водного раствора соли. На основе этих снимков были проведены c помощью программы Paint.NET измерения роста кристаллов, затем сделаны расчеты по измерению скорости роста кристаллов в каждой из четырех серий, а так же средней скорости по всем сериям.

Скорости для каждой из серий в пределах погрешности получились различными. Это связано с разной концентрации соли в растворах и различной скорости испарения, которая прямо зависит от площади соприкосновения жидкости со стеклом.

V_ср1 = 0.9 ± 0.009 мкм /с

V_ср2 = 0.3 ± 0.003 мкм/с

V_ср3 = 6.6 ± 0.006 мкм/с

V_ср = 1.8 ±0,008 мкм/с

Размещено на Allbest.ru