12573

Измерение скорости роста кристалла, растущего из водного раствора

Лабораторная работа

Физика

ОТЧЕТ по лабораторной работе №7т Измерение скорости роста кристалла растущего из водного раствора Введение Кристаллы встречаются повсюду. Широко применение кристаллов в технике где используются те или иные их свойства. В промышленности применяют также искусс...

Русский

2013-05-02

154.46 KB

6 чел.

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №7т

Измерение скорости роста кристалла, растущего из водного раствора

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.

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 4 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: 15 сек

Таблица 1

Результаты измерений для серии №1

Номер опыта

Координаты характерных точек, пиксель

Расстояние между характерными точками

Изменение расстояния между характерными точками, пиксель

{(xi+1-xi)2+

+(yi+1-yi)2}1/2

Изменение расстояния между характерными точками, мм

xi1

yi1

xi2

yi2

xi

yi

1

62

178

137

122

75

56

2

57

181

138

121

81

60

7.20

0.0133

3

52

185

141

118

89

67

10.60

0.0196

4

47

187

145

113

98

74

11.40

0.0211

5

58

179

158

92

100

87

9.75

0.0181

6

68

174

165

67

97

107

11.87

0.0220

7

75

166

176

53

101

113

7.14

0.0132

8

80

163

183

37

103

126

11.18

0.0207

9

84

160

193

28

109

132

8.44

0.0156

10

89

160

200

17

111

143

9.84

0.0182

11

89

158

206

9

117

149

8.42

0.0156

Среднее приращение за снимок: 0.0177

Средняя скорость: Vср1 = 0.0177/15 = 0.00118 мм/с = 1.18 мкм/с

Таблица 2

Результаты измерений для серии №2

Номер опыта

Координаты характерных точек, пиксель

Расстояние между характерными точками

Изменение расстояния между характерными точками, пиксель

{(xi+1-xi)2+

+(yi+1-yi)2}1/2

Изменение расстояния между характерными точками, мм

xi1

yi1

xi2

yi2

xi

yi

1

93

120

164

44

71

76

2

92

124

170

44

78

80

7.73

0.0143

3

89

128

171

41

82

87

7.82

0.0145

4

85

130

173

37

88

93

8.48

0.0157

5

83

131

176

33

93

98

7.07

0.0131

6

80

135

177

30

97

105

7.84

0.0145

7

77

135

179

26

102

109

6.33

0.0117

8

73

135

181

22

108

113

7.03

0.0130

9

70

134

183

18

113

116

5.63

0.0104

10

69

135

184

16

115

119

3.55

0.0066

11

66

135

185

12

119

123

5.66

0.0105

Среднее приращение за снимок: 0.0124

Средняя скорость: Vср2 = 0.0124/15 = 0.00083 мм/с = 0.83мкм/с

Таблица 3

Результаты измерений для серии №3

Номер опыта

Координаты характерных точек, пиксель

Расстояние между характерными точками

Изменение расстояния между характерными точками, пиксель

{(xi+1-xi)2+

+(yi+1-yi)2}1/2

Изменение расстояния между характерными точками, мм

xi1

yi1

xi2

yi2

xi

yi

1

187

220

236

144

49

76

2

188

221

237

142

49

79

2.54

0.0047

3

184

219

243

142

59

77

4.04

0.0075

4

185

223

244

140

59

83

4.83

0.0089

5

184

224

247

136

63

88

6.39

0.0118

6

181

224

244

134

63

90

1.63

0.0030

7

181

225

247

133

66

92

3.37

0.0062

8

178

225

247

131

69

94

3.38

0.0063

9

176

225

247

131

71

94

1.19

0.0022

10

176

229

247

131

71

98

3.22

0.0060

11

175

227

250

129

75

98

2.39

0.0044

Среднее приращение за снимок: 0.0061

Средняя скорость: Vср3 = 0.0061/15 = 0.00041 мм/с = 0.41мкм/c

Таблица 4

Результаты измерений для серии №4

Номер опыта

Координаты характерных точек, пиксель

Расстояние между характерными точками

Изменение расстояния между характерными точками, пиксель

{(xi+1-xi)2+

+(yi+1-yi)2}1/2

Изменение расстояния между характерными точками, мм

xi1

yi1

xi2

yi2

xi

yi

1

295

154

380

114

85

40

2

293

155

383

111

90

44

6.24

0.0116

3

292

156

384

109

92

47

3.13

0.0058

4

290

154

386

108

96

46

3.14

0.0058

5

291

156

389

106

98

50

3.57

0.0066

6

288

154

393

105

105

49

5.85

0.0108

7

286

159

393

104

107

55

4.44

0.0082

8

284

157

395

101

111

56

4.02

0.0074

9

284

157

396

100

112

57

1.34

0.0025

10

283

157

398

100

115

57

2.68

0.0050

11

284

158

399

99

115

59

0.90

0.0017

Среднее приращение за снимок: 0.0065

Средняя скорость: Vср4 = 0.0065/15 = 0.00043 мм/с = 0.43 мкм/с

4. Расчет погрешностей

Средняя квадратическая погрешность среднего арифметического:

V=  , где     — коэффициент Стьюдента

V= Vср ± ∆V

Серия 1

S1= 6,721 * 10-5

=2,2

V=0,148 мкм/с

V1=1.118 ± 0.148 мкм/с

Серия 2

S2=5,704 * 10-5

=2,2

V=0.125 мкм/с

V2=0.83 ± 0.12 мкм/с

Серия 3

S3=5,964 * 10-5

=2,2

V=0.131 мкм/с

V3=0.41 ± 0.13мкм/с

Серия 4

S4=6,687 * 10-5

=2,2

V=0.14 мкм/с

V4=0.43 ± 0.14 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.

 Vср1 = 1.118 ±0.148 мкм /с

 Vср2 = 0.83 ±0.12мкм/с

 Vср3 = 0.41 ±0.13мкм/с

 Vср4 = 0.9±0.14 мкм/с


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59251. Ліки довкілля 32 KB
  На луках ростуть лікарські рослини. Адже саме із цієї рослини готують ліки від кашлю. Ці високі з дрібними і ніжними квіточками рослини називаються зозулин цвіт. На якому лузі ви побували Що нового ви дізналися про луки...
59252. Прощавай, букварику! 38.5 KB
  Діти декламують вірші Учні: 1. Ми українські діти Любимо трави квіти З квітів не тільки букетик Зробимо й альфабетик. Буквар: Молодці діти Добре старалися гарно вчилися. Який Діти: Математика.
59253. ВАШ ГІСТЬ — СВЯТИЙ МИКОЛАЙ 54.5 KB
  На видному місці образ святого в архієрейських шатах з Євангелієм на омофорі в лівій руці. З двох сторін сходяться два Ангели. 1й Ангел. 2й Ангел.
59254. СЦЕНАРІЙ СВЯТА ПРИСВЯЧЕНОГО СВЯТОМУ МИКОЛАЮ 62.5 KB
  Отець Миколай старався всім допомогти але так щоб ніхто не знав чиїх це рук справа. Миколай відніс вночі до дому цього чоловіка мішечок з золотом і тим самим поміг йому врятувати дітей від горя і злиднів.
59256. Сценарій: Зустріч з казкою 66.5 KB
  Першою до нас в гості завітала українська народна казка Колобок яка вам вже є знайомою але уважно просимо додивитись її до кінця й тоді Ведуча: Та не треба поспішати а краще казку розпочати бо недаремно мудрі кажуть люди що краще раз побачити ніж десять раз почути.
59257. Свято Нептуна 41 KB
  І в зелену полонину Поведе Як на Пруті крига скресне Люту зиму перекреслить Оп’яніє від кохання Оп’яніє від кохання Голова Перелесник обіймає Та цілує не питає Та питає коли слати Старостів У такі зелені весни Кожен хлопець Перелесник Кожна дівчина...
59258. Скликаєм усіх на бал, на осінній карнавал 43 KB
  Осінь: Мене напевно не чекали Та вже прийшла моя пора. І ви мене усі впізнали Я – Щедра Осінь золота. Осінь: Ти Гарбуз всьому господар Ти найбільший на городі.