книги из ГПНТБ / Жилинский, Г. Б. Искусственные минералы

ярком свете еще нет четкого изображения цифр. Но несмотря на недостатки такие часы в отличие от меха­ нических просты по конструкции, надежны в эксплуа­ тации и обладают гораздо более высокой точностью хода.

Если сейчас в Англии механические часы стоят 28—31 фунт стерлингов, а в других странах 25 фунтов стерлингов и меньше, то специалисты считают, что че­ рез четыре года цена электронных часов снизится до 15 фунтов стерлингов. Предполагается также и то, что, когда стоимость электронных и механических часов сравняется, то твердотелые цифровые часы смогут кон­ курировать на рынке с механическими благодаря луч­ шему внешнему виду.

Вот и еще один пример, который показывает, что искусственные минералы не только развивают опреде­ ленную отрасль промышленности, но и усовершенству­ ют ее, поднимая на более высокий технический уро­ вень.

ПОЛУПРОВОДНИКИ И ТРАНЗИСТОРЫ

Трудно сказать, в какой отрасли промышленности не применяются искусственные кристаллические мине­ ралы. В радио и телевидении, электронно-вычислитель­ ных машинах, медицинской аппаратуре, измеритель­ ной и контрольно-измерительной технике, автомобиль­ ной промышленности, быту людей — везде мы встре­ чаемся с названными изделиями, основу которых составляют искусственные минералы. Это антимонид аммония, теллурид висмута, антимонид и фосфид галлия, германий, антимонид, арсенид и фосфат индия, сульфид кадмия, кремний, сульфид свинца и цинка и другие. Именно им мы обязаны тем, что наши

72

приемники и магнитофоны стали в несколько раз меньше и экономичнее, а качество звучания их улучшилось. Искусственные кристаллы широко исполь­ зуются в электронно-вычислительных машинах. С их помощью работают стимуляторы жизнедеятельности человеческого сердца.

К полупроводникам относятся твердые тела, удель­ ное электрическое сопротивление которых лежит меж­ ду сопротивлениями хороших проводников (около 10_6олг. см) и изоляторами, практически не проводящи­ ми электричество. Сопротивление изоляторов около ІО14—ІО22 ом. см. В отличие от хороших проводников в полупроводниках (имеющих кристаллическую струк­ туру) сопротивление и проводимость тесно связаны с состоянием связи электронов в узлах кристаллической решетки минералов. Обычно с повышением температу­ ры в полупроводниках нарушаются отдельные валент­ ные связи в молекулярных и атомных ячейках, и вы­ свободившиеся электроны способствуют переносу тока. Это собственная проводимость материала. При освобождении электрона в кристаллической решетке минерала возникает электронная вакансия —- дырка. Она может быть занята электроном из соседней ячей­ ки. В конечном счете электронная вакансия возникает то в одной, то в другой элементарной ячейке минерала, создавая так называемый дырчатый ток.

Помимо собственной у полупроводников имеется электропроводимость другого рода — примесная прово­ димость, которая вызывается дефектами кристалличес­ кой решетки. Так, если мы будем вводить в кристалли­ ческую решетку химического элемента IV группы пе­ риодической системы Менделеева (например, кремния) атом мышьяка (V группа периодической системы), то необходимо будет использовать четыре валентных электрона мышьяка для электронной связи с кремни­

73

ем. В результате такого превращения один валентный электрон кремния связывается с мышьяком очень слабо и может быть использован для переноса тока. В этом случае ученые говорят, что возник проводник. Если атом элемента из III группы периодической систе­ мы путем замещения попадает в область влияния эле­ мента из IV группы, то говорят, что возникает р-прово- димость. В полупроводниках области п-проводимости и р-проводимости граничат между собой. В зависимости от направления тока р-п-переходы либо пропускают, либо запирают ток, то есть обладают свойствами выпря­ мителя тока.

Таким же образом объясняются и свойства транзис­ торов в применении к электрическому току.

Несколько лет назад было установлено, что полу­ проводники обладают и другими дополнительными качествами, позволяющими использовать их в холо­ дильных установках высокой мощности. При этом не требуются теплоноситель и подвижные части, применя­ емые в обычных холодильных установках. Это приведет к уменьшению размеров холодильного оборудования и увеличению мощностей холодильных установок. Наибо­ лее пригодным искусственным минералом для этих целей был признан теллурид висмута. Приходится только поражаться тем возможностям, которые откры­ ли в технике полупроводники и транзисторы.

МАЗЕРЫ И ЛАЗЕРЫ

Мазеры — это устройства, основанные на усилении микроволн в искусственных кристаллах через возбуж­ дение радиационного потока электронов. Название ин­ струмента произошло от заглавных букв слов, объясня­ ющих этот эффект в кристаллах — microwave amplifi­

74

cation by stimulated emission of radiation». Суть его состоит в том, что этому веществу в возбужденном состо­ янии свойственна определенная величина энергии. При переходе такого атома в состояние с меньшей энергией возникает квант излучения. Оказалось, что определен­ ные материалы, особенно при низких температурах, способны накапливать энергетические потенциалы электронов отдельных атомов. Вследствие этого погло­ щения «населенность» электронов с более высоким уровнем энергии увеличивается, а «населенность» низ­ кого уровня — уменьшается. Через определенное вре­ мя «населенность» обоих уровней становится одинако­ вой и поглощение прекращается. Возбужденные атомы передают свою энергию кристаллической решетке ис­ кусственного кристалла. Теперь при повышении «насе­ ленности» верхнего энергетического уровня возникает лавинное излучение электронов. Такого насыщения верхнего уровня в искусственном кристалле можно достигать, воздействуя на него сильным микроволновым сигналом. На этом основаны так называемые трехуров­ невые мазеры с тремя рядом расположенными энерге­ тическими уровнями, которые существуют у ионов с более чем одним неспаренным электроном (например, в ионе Сг+3 искусственного рубина). Такие микроволно­ вые усилители используются, в частности, для дальней и ближней космической связи.

Лазеры — это приборы, основанные на усилении света через возбуждение в искусственных кристаллах радиационного потока электронов («light amplification through stimulated emission of radiation»). В данном случае нарушение нормального порядка «населеннос­ ти» энергетических уровней в том же кристалле рубина достигается с помощью луча видимой области солнеч­ ного спектра (света). С этой целью используется тот же ион Сг+3. Под воздействием разряда конденсаторной ба­

75

тареи через разрядную трубку «населенность» основно­ го уровня этого иона настолько уменьшается, что ста­ новится ниже двух других возбужденных уровней. В этом случае достигаются все условия излучения электронов кристаллом рубина. Для того чтобы полу­ чить мощное излучение, кристаллу рубина придаются две отражающие (отполированные) торцовые грани. При этом электроны несколько раз пробегают через кристаллическую структуру минерала, в то время как постоянное соотношение между фазами световых волн сохраняется на большей поверхности. Световой им­ пульс, попадая на кристалл, усиливается во много раз, а излучение рубинового лазера имеет продолжитель­ ность около 0,5 миллисекунды. Выходящий из лазера луч обладает в 104 раза большей энергией, чем солнеч­ ное излучение. Такое свойство лазеров позволяет ис­ пользовать их в качестве интенсивного источника света в фотохимии и спектроскопии; источника световых сигналов высокой энергии от сильно удаленных объек­ тов (Луна, искусственные спутники). Они же помогают управлять ракетами по методу ведущего луча и приме­ няются для плавления и обработки тугоплавких ма­ териалов.

Мазеры и лазеры родились благодаря развитию ме­ тодов синтеза минерального сырья. Их рабочими орга­ нами являются следующие искусственные кристаллы : рубин (окись алюминия), фторид бария, кальция, строн­ ция, вольфрамат кальция, молибдат стронция и другие.

Об одном из примеров использования лазера в на­ родном хозяйстве писала газета «Правда» в феврале 1976 года г. В Центральной аэрологической обсервато­ рии Московской области создан пункт лазерного зонди­ рования атмосферы. На установке, напоминающей ла­ фет большого орудия, расположен лазерный локатор. Простым щелчком ввысь посылается световой импульс,

76

вырывающийся из рубинового кристалла, где он обрел необыкновенную силу. Миллионные доли секунды длится излучение, и вот луч сообщает на приемное уст­ ройство о том, что он «нащупал» на высоте. Через одну-две минуты электронно-вычислительная машина дает ответ, чем загрязнены заоблачные дали.

Лазеры стали осуществлять оперативный санитар­ ный контроль воздушной среды промышленных цент­ ров. Специалисты считают, что на оптический луч пе­ реложат многие функции, которые сейчас выполняют радиозонды. Он принесет информацию о приземных слоях атмосферы, где зарождаются грозы и штормы. Ожидается, что аэрологи начнут постоянные исследова­ ния атмосферы с помощью светового луча. Его метеоро­ логическое применение окажет большую услугу раз­ личным службам народного хозяйства.

Драгоценные и опорные камни, полупроводники и транзисторы, мазеры и лазеры — все это еще не исчер­ пывает возможности созданных человеком искусствен­ ных минералов и кристаллов. В электронике и высоко­ частотной технике широко используются полученные искусственным путем дигидрофосфат аммония и калия, сульфат лития, слюда, титанаты, ферриты, винно-кис­ лый калий, сегнетовая соль и другие. В оптике широко применяются искусственные рубины, бромид, нитрат и хлорид калия, калий-алюминий сульфат (квасцы), фто­ рид кальция, лития, хлорид натрия, серебра, кварц, бром-йодид таллия и другие. В качестве монохромато­ ров рентгеновских лучей используются алюминий, фто­ рид кальция и лития, кварц и т. д.

Как видим, количество искусственно полученных кристаллов и минералов не превышает нескольких де­ сятков, но какое важное значение они имеют в нашей жизни, в народном хозяйстве страны. А ученые, зани­ мающиеся синтезом минерального сырья, считают, что

77