Những tính chất vật lý thông thường của tinh thể và mối liên quan giữa chúng với tính chất đối xứng hoặc cấu trúc của tinh thể

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ

------

BÀI TIỂU LUẬN
HỌC PHẦN: VẬT LÍ TINH THỂ

Chương 4
Những tính chất vật lý thông thường của
tinh thể và mối liên quan giữa chúng với tính
chất đối xứng hoặc cấu trúc của tinh thể

Giảng viên hướng dẫn

Học viên thực hiện

PGS. TS. Trương Minh Đức

Trần Trọng Công
Lê Thị Hồng Cẩn
Nguyễn Trần Thảo Dung
Đỗ Mạnh Đạt
Rơ Mah Giang
Lớp: LL&PP DHNM Vật lý – K23

Huế, tháng 5 năm 2015
1

MỤC LỤC

Chương 4
Những tính chất vật lý thông thường của
tinh thể và mối liên quan giữa chúng với tính
chất đối xứng hoặc cấu trúc của tinh thể
4. 1. Tính cát khai hay tính dễ tách của tinh thể
4.1.1. Định nghĩa
Tính cát khai của tinh thể là khả năng vỡ ra hay tách ra theo các mặt của nó dưới
tác dụng của 1 lực cơ học (cát khai miêu tả cách thức mà một tinh thể có thể bị tách ra dọc
theo các mặt phẳng khác nhau dưới tác dụng của lực cơ học.).

4.1.2. Phân loại
Tùy theo mức độ dễ tách và độ nhẵn của mặt cát khai người ta phân ra làm 6 loại:
- Cát khai rất hoàn toàn: khoáng vật dễ bị tách theo các phương nhất định thành
những lớp mỏng. VD: mica, clorite.
- Cát khai hoàn toàn: lấy búa đập nhẹ lên khoáng vật, chúng bị tách ra những
mảnh nhỏ giống tinh thể mẹ, mặt cát khai tương đối nhẵn. VD: galen, canxit.

2


- Cát khai trung bình: khi bị tác dụng của lực ngoài khó tách ra thành những mặt
phẳng nhất định. Trên mặt mảnh vụn của khoáng vật vừa thấy có mặt cát khai vừa thấy
có vết vỡ, mặt cát khai không liên tục. VD: pyroxen, amphibon.
- Cát khai không hoàn toàn: rất khó nhìn thấy những mặt cát khai, đại bộ phận là
những vết vỡ. VD: Ôlivin, cassiterite.
- Cát khai rất không hoàn toàn (không cát khai): trên thực tế là không có cát khai,
chỉ trong những trường hợp đặc biệt mới phát hiện ra những mặt cát khai. VD: thạch anh.
Tính bóc tách được nhìn thấy như là các đường thẳng song song nhỏ dọc theo tinh

thể.
Một số ví dụ về các khoáng vật:
- Mica: là tên gọi chung cho các khoáng vật dạng tấm thuộc nhóm silicat lớp bao
gồm các loại vật liệu có mối liên kết chặt chẽ, có tính cát khai cơ bản hoàn toàn. Tất cả
chúng đều có cấu trúc tinh thể thuộc hệ một phương có xu hướng tinh thể giả hệ sáu
phương và có thành phần hóa học tương tự. Tính cát khai cao là tính chất đặc trưng nhất
của mica, điều này được giải thích là do sự sắp xếp của các nguyên tử dạng tấm lục giác
chồng lên nhau.

Hình 4.1.1. Hình ảnh thực và cấu trúc tinh thể mica.
- Canxit (CaCO3): Cát khai hoàn hảo ở mặt [1011] theo 3 hướng với góc 74° 55

3


Hình 4.1.2. Hình ảnh thực và cấu trúc tinh thể canxit.
- Pyrôxen: là nhóm khoáng vật quan trọng nhất. Nó là thành phần chính của nhiều
loại đá được tạo thành ở nhiệt độ cao. Ðó là các silicat có thành phần khác nhau đáng kể
nhu điôpsit, enstatit.

4


Hình 4.1.3. Hình ảnh thực và cấu trúc tinh thể pyroxen.
- Ôlivin: [Mg,Fe]2SiO4 là nhúm nesosilicat phổ biến, nhất là trong đá magma nhiệt
độ cao.Nguyên tử oxy trong nesosilicat xếp chặt theo luật sáu phương …ABABAB…
theo hướng [100]; khiến cho olivin có tỉ trọng và độ cứng tương đối cao, và có cát khai
(010) và (100).

Hình 4.1.4. Hình ảnh thực và cấu trúc tinh thể ôlivin.

5


- Thạch anh: Silicat SiO2
a)

Hình 4.1.5. Hình ảnh thực của thạch anh a) và cấu trúc tinh thể thạch anh ở nhiệt độ cao
b) và nhiệt độ thấp c).
4.1.3. Đặc điểm
Tinh thể 1 chất có thể chỉ bị tách ra theo 1 mặt như mica, thạch cao ; theo 2 mặt
như
amfibol, pyrôxen ; theo 3 mặt như halit, canxit. Mức độ cát khai theo những mặt khác
nhau có thể khác nhau.
Khả năng cát khai có quan hệ chặt chẽ với đặc điểm của cấu trúc tinh thể. Bravais
là người đầu tiên cắt nghĩa hiện tuợng này. Phát triển lý thuyết về mạng tinh thể, ông đã
giả thiết rằng mặt cát khai thường song song với các mặt mạng có mật độ hạt lớn nhất, vì
các mặt mạng này thường cách nhau những khoảng lớn nhất. Ta thấy ở grafit có tính cát
khai theo lớp. Tương tự như grafit, những đơn chất có kiểu xếp cầu lục phương với tỉ số
2 thông số c/a = 1,633 thường có tính cát khai theo mặt đáy (001).

6


Hình 4.1.6. Tinh thể graphit cát khai theo mặt đáy (001)
Tuy nhiên cách giải thích giản đơn như vậy cho hiện tượng cát khai không đúng
với những trường hợp phức tạp hơn graphit.
Ví dụ: các hằng số mạng sáu phương của magnesi kim loại là: a=3,20, c = 5,20Å,
c/a =1,62. Nếu các nguyên tử magnesi phân bố theo các nút của mạng, thì theo như giả
thuyết của Bravais ta sẽ có cát khai theo mặt đáy. Tuy nhiên, magnesi kim loại không có
cát khai. Nguyên tử của nó xắp xếp theo cách chồng khít các quả cầu kiểu sáu phương

với tỉ lệ rất gần với tỉ số lí tưởng c/a bằng 1,633. Điều đó có nghĩa là không có bất kì một
dị thường nào về khoảng cách giữa các nguyên tử trong cấu trúc magnesi kim loại và do
đó không có khả năng cát khai theo mặt đáy.

Hình 4.1.7. Cấu trúc của kim loại Berili và Cadimi với các tỷ số c/a bằng 1,57 và 1,89 so
với 1,63 của luật xếp cầu sáu phương lý tưởng.
7


Ðể cắt nghĩa tính cát khai một cách trọn vẹn phải lưu ý dến các lực liên kết hóa
học
trong những tinh thể thực. Vulf là nguời đầu tiên nhận thấy diều này.
Ví dụ: Kim cương và sfalerit có cấu trúc mạng lập phương tương tự nhưng chúng
cát khai theo những mặt khác nhau. Sfalerit cát khai theo (110); kim cương theo (111).

Hình 4.1.8. Tinh thể dạng kim cương.

(100)

(110)

(111)

Hình 4.1.9. Các mặt (100), (110), (111) trong tinh thể lập phương; các loại ion và nguyên
tử trên các mặt này trong sphalerit và kim cương.
8


Ở sphalerit họ mặt {111} chỉ chứa 1 loại ion hoặc Zn 2+ hoặc S2- cho nên tuy những
mặt mạng này cách xa nhau nhưng chúng gắn với nhau bằng lực hút những điện tích trái

dấu. Lực liên kết lớn giữa chúng khiến cho sphalerit không có cát khai theo hướng này.
Trong khi đó theo {110} mỗi mặt mạng đều chứa đồng thời cả 2 loại ion nên đã bão hoà
điện tích, các mặt này liên kết với nhau yếu hơn mặc dù nằm gần nhau hơn. Vì thế, ở
sphalerit xuất hiện cát khai song song với mặt {110}.

Hình 4.1.10. Cát khai theo mặt (111) trong kim cương (a) và mặt (110) trong sphalerit
(b).
Ngược lại, đối với kim cương, các mặt đều cấu tạo từ các nguyên tử cácbon, các
mặt (111) cách xa nhau nhất nên có lực hút với nhau yếu nhất. Vậy nên kim cương sẽ cát
khai tốt nhất theo hướng (111).
Trong cấu trúc silicat lớp, các tứ diện oxy và silic ở trong lớp gắn với nhau bởi
mối liên kết ion – đồng cực rất mạnh, còn các lớp chỉ gắn với nhau bằng liên kết ion hoặc
hydro yếu qua các cation hoá trị thấp, điều này giải thích tính cát khai rất hoàn toàn theo
mặt đáy của các khoáng vật silicat lớp. Tương tự, cát khai theo lăng trụ ở các khoáng vật
nhóm pyroxen và amphibol phản ánh mối liên kết yếu giữa các chuỗi đơn, chuỗi kép tứ
diện silic.
Nhờ lý thuyết của Bravais và Vulf mà đôi khi chỉ dựa vào tính cát khai - một hiện
tượng cơ học đơn thuần - nguời ta có thể rút ra những kết luận nhất định về cấu trúc bên
trong của một tinh thể.
4.2. Ðộ cứng
4.2.1. Khái niệm độ cứng
Ðộ cứng của tinh thể là mức độ đề kháng của nó đối với các tác dụng cơ học
Ðộ cứng của một chất liên quan với khả năng bề mặt của nó chống lại tác động mài;
chất bị mài mòn khi lực liên kết bị phá huỷ.
4.2.2. Đặc điểm của độ cứng
9


Ðộ bền vững của lực liên kết trước tác động cơ học bên ngoài lại liên quan với đặc
điểm đối xứng của quỹ đạo electron tham gia tạo mối liên kết. Ví dụ, trong kim cương,

tinh thể duợc xây dựng từ các nguyên tử gắn với nhau bởi mối liên kết đồng cực (quỹ đạo
sp3) mạnh có tính định hướng cao. Sự dịch chuyển nguyên tử hoặc sự bứt phá nó ra khỏi
liên kết đòi hỏi một lực rất lớn. Chính vì vậy mà kim cương có độ cứng rất cao.
- Ðộ cứng của tinh thể có tính dị hướng. Trong cùng 1 tinh thể nhưng độ cứng theo
những hướng khác nhau thì khác nhau. Ví dụ : Tinh thể disten Al 2SiO5. Dọc theo chiều
dài tinh thể có độ cứng bằng 4,5 nhưng vuông góc với phương đó cho độ cứng bằng 7.
- Những mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất sẽ có độ cứng lớn nhất (những mặt này
cũng là những mặt cát khai tốt nhất của tinh thể)
- Ðộ cứng của vật chất còn có quan hệ với tỉ trọng (độ chặt sít nguyên tử) của nó.
Khảo sát những biến thể đa hình của 1 chất nguời ta thấy những biến thể có tỉ trọng lớn
sẽ có độ cứng cao.
Ví dụ : CaCO3 -> Can xit có tỉ trọng 2,72, độ cứng 3
Aragonit. ... ... ... .. 2,94. ... .. 4
Ðối với các tinh thể khác loại nhau có 2 nguyên nhân chủ yếu dẫn dến độ cứng khác
nhau:
- Khi những điều kiện khác như nhau, độ cứng phụ thuộc vào khoảng cách giữa các
mặt mạng. Khoảng cách này nhỏ độ cứng lớn.
- Ðộ cứng tăng cùng với số hóa trị : Ví dụ : dãy NaF, MgO, ScN, TiC có cấu trúc
kiểu như nhau (NaCl). và khoảng cách giữa các mặt mạng tương tự nhau, nhưng các hợp
chất từ các ion với hóa trị khác nhau dẫn đến độ cứng khác nhau :

Có nhiều phương pháp xác định độ cứng của một tinh thể.
4.2.3. các phuong pháp đo độ cứng
4.2.3.1. Phương pháp xác định gần đúng theo thang Mohs
Trong thực tế phương pháp thường dùng nhất là phương pháp xác định gần đúng theo
thang Mohs
Ðây là phương pháp so sánh tương đối khả năng cào xướt lên nhau của mẫu nghiên
cứu với mẫu chuẩn của thang Mohs gồm 10 khoáng sau:

10

Độ cứng

Khoáng
vật

Công thức hóa học

Độ cứng tuyệt
đối

1

Talc

Mg3Si4O10(OH)2

1

2

Gypsum

CaSO4·2H2O

3

3

Calcite

CaCO3

9

4

Fluorite

CaF2

21

5

6

7

Apatite
Orthoclase
Feldspar

Quartz

Ca5(PO4)3(OH–,C
l–,F–)

48

KAlSi3O8

72

SiO2

100

11

Ảnh


Độ cứng

Khoáng
vật

Công thức hóa học

Độ cứng tuyệt
đối

8

Topaz

Al2SiO4(OH–,F–)2

200

9

Corundum

Al2O3

400

10

Diamond

C

1600

Ảnh

Khi xác định, người ta đùng vật này cào lên vật kia. Nếu trên bề mặt mẫu nào có vết
cào, chứng tỏ vật này mềm hơn vật kia và ngược lại. Thang độ cứng Mohs không chỉ rõ
độ cứng tuyệt đối. Ví dụ: Không phải độ cứng 9 là cứng gấp 3 lần độ cứng 3. Nó chỉ có
nghĩa là 1 khoáng nào đó có thể vạch được tất cả các khoáng vật xếp dưới nó trong thang
độ cứng và ngược lại, sẽ bị các khoáng vật xếp trên nó vạch được. Hai khoáng vật có
cùng độ cứng sẽ vạch được lẫn nhau. Ví dụ: Thạch anh vạch được tinh thể X nhưng
ortocla không vạch nổi, thì tinh thể X có độ cứng nhỏ hơn 7 và lớn hơn 6 theo thang
Mohs. Kết quả thu được không chính xác nhưng đơn giản. Ðể cho tiện, một số vật quen
thuộc dùng giúp người ta xác định độ cứng 1 cách nhanh chóng như sau :
Móng tay có độ cứng : 2,5

Ðồng xu bằng đồng : 3 ; Luỡi dao hoặc kính : 5,5. Dây thép : 6,5
Ðể xác dịnh đô cứng chính xác người ta dùng các phương pháp khác :
4.2.3.2. Ðộ cứng Brinen (HB)
Ðược xác định khi ép 1 viên bi tiêu chuẩn dưới tải trọng P xác định lên bề mặt vật
liệu, sau khi bỏ tải trọng bi sẽ để lại 1 vết lõm với diện tích mặt lõm F.
4.2.3.2.1. Giới Thiệu
Đây là phương pháp kiểm tra độ cứng lâu đời nhất được sử dụng phổ biến trong kỹ
thuật cơ khí ngày nay. Được phát minh bởi kỹ sư người Thụy Điển tên là Johan August
Brinell vào tháng 8 năm 1900. Phương pháp này được sử dụng rộng rải và tiêu chuẩn hóa
về kiểm tra độ cứng trong kỹ thuật và luyện kim.

12


4.2.3.2.2. Phương Pháp Thử
Mũi thử trong phương pháp đo này là bi thép có đường kính 10mm với lực ấn
3000kg ấn lõm vào bề mặt kim loại. Đối với các kim loại mềm, lực ấn sẽ được giảm
xuống 500kg, và đối với các kim loại cực cứng, sẽ sử dụng đến bi thử Cardbide Tungsten
để giám thiếu biến dạng đầu thử.
Độ cứng Brinell được xác định bằng cách nhấn một khối cầu bằng thép cứng hoặc
cacbit có đường kính D xác định dưới một tải trọng P cho trước, trong khoảng thời gian
nhất định, bi thép sẽ lún sâu vào mẫu thử.
Trong phương pháp này, trị số độ cứng gọi là HB đươc xác định bằng áp lực trung
bình, biểu thị bằng Newton trên 1 mm2 diện tích mặt cầu do vết lõm để lại, độ cứng được
tính theo công thức:

Trong đó :
F – áp lực ấn vuông góc với mặt mẫu thử và được qui định theo tiêu chuẩn
D – đường kính bi đo (mm)
d - đường kính vết lõm (mm)

Chứng minh:

S = π D  D − D2 − d 2 ÷÷

2









13


HB =

P
2P
=
S π D D − D2 −d 2

(

S = 2π R2 (1− cosα )
2
2 2

2
2 2
S = 2π D 1− R − r ÷÷= 2π D  R − R − r ÷÷
R
R
4 
4 
÷
÷
÷
÷

) S = 2π D2 D − D2 − d 2 = π D D − D2 − d 2
4










D




÷

÷
÷
÷


2









÷
÷


Phương pháp này chỉ dùng khi độ cứng vật liệu dưới 450HB, với vật liệu cứng hơn
sai số sẽ lớn hơn. So với các phương pháp thử độ cứng khác, bi thử Brinell tạo ra vết lõm
sâu và rộng nhất, do đó phép thử sẽ bình quân được độ cứng trên một phạm vi rộng hơn
của vật đo. Đây là phương pháp tối ưu để đo độ cứng khối hoặc hoặc độ cứng tổng thể
của một loại vật liệu, đặc biệt là vật liệu có cấu trúc không đồng đều. Các vết xướt và độ
nhám bề mặt hầu như không ảnh hưởng tới phép thử Brinell. Tuy nhiên phương pháp thử
này không phù hợp với đo các vật thể nhỏ.
4.2.3.3. Ðộ cứng Vicke (HV)
Dùng mũi nhọn bằng kim cương hình tháp tứ phương ấn xuống bề mặt dưới lực ép
P. Ðộ lớn của đường chéo d của dấu ấn xác định bằng kính hiển vi.
Ðộ cứng HV = 2sin

a P
, a = 1360 là góc giữa các mặt tháp
2 d2

Dùng tháp 4 mặt bằng kim cương có góc các mặt kề nhau là 136 0, góc giữa các cạnh là
1480 tác dụng lực P qua mũi tháp lên vật thử, sau đó đo đường chéo vết lõm d ta xác định
được độ cứng Vickers (HV).

14


Với lực P=200g÷120kg, thường thì P=5÷10kg, và sau khi đo được đường chéo d ta tra
bảng để xác định HV.
Ưu điểm là đo được độ cứng từ bé đến lớn và các vật liệu có lớp hóa bền mỏng (lớp
mạ, lớp thấm…). Nếu dùng mũi bé và lực nhỏ từ 25÷500g thì ta có thể đo được tổ chức
kim loại gọi là phương pháp đo độ cứng Vicke (Hµ).
4.2.3.4. Độ cứng Shore (HSh)
Áp dụng cho những chi tiết lớn, dùng viên bi nặng 2,5g rơi từ độ cao h=254mm
xuống bề mặt chi tiết, căn cư vào độ nảy của viên bi để xác định HSh. Thép càng cứng thì
HSh càng lớn và có độ nảy càng cao. Với thép cac bon thì HSh=1/7HB và có giới hạn
bền bằng 2,5HSh.
4.2.3.5. Ðộ cứng Knoop (HK)
Cách đo giống như đo Vicke nhưng mũi đâm hình tháp có cấu tạo sao cho vết đo dể
lại có dạng hình thoi.

4.3. Tính dẫn nhiệt
Ðể minh họa tính dẫn nhiệt của tinh thể người ta làm nhiều thí nghiệm đơn giản. Lấy
1 tinh thể lập phương, ví dụ như Cu, phủ sáp ong lên một mặt của nó rồi châm 1 dầu kim
dã được nung nóng (tạo điểm nhiệt) trên mặt tinh thể., thấy lớp sáp ong xung quanh dầu

kim nóng chảy tạo thành 1 vòng tròn. Cũng làm thí nghiệm tương tự với tinh thể các hệ
15


khác, ngoài vòng tròn ra ta sẽ nhận được những đường elip. Những đường này cho ta
khái niệm về tốc độ truyền nhiệt trên bề mặt tinh thể.

Tương tự có 1 nguồn nhiệt nằm trong tinh thể, từ điểm dó, nhiệt sẽ truyền ra xung
quanh theo đủ mọi hướng. Nếu biểu diễn tốc dộ dẫn nhiệt của tinh thể bằng các vectơ,
gốc của chúng trùng với điểm nhiệt, thì đầu của chúng làm thành 1 mặt đẳng nhiệt. Như
vậy :
- Tinh thể hệ lập phương và các chất vô định hình có mặt đẳng nhiệt dạng hình cầu
(a) có nghĩa là tinh thể hệ lập phương đẳng huớng về tính dẫn nhiệt : Nhiệt truyền trong
tinh thể mọi hướng đều như nhau.
- Tinh thể hạng trung có mặt đẳng nhiệt dạng elipxoit tròn xoay. Trục chính C (hay
trục xoay) trùng trục đối xứng bậc cao trong tinh thể. Hình elipxoit tròn xoay được xác
định bằng độ lớn của 2 bán trục : Bán trục C và bán trục ứng với bán kính của tiết diện
tròn lớn nhất vuông góc với trục C. Nếu tốc độ dẫn nhiệt của tinh thể lớn nhất theo huớng
trục C thì mặt đẳng nhiệt elipxoit tròn xoay có dạng kéo dài theo hướng C và ngược lại
hình (b,c).

- Tinh thể hạng thấp có mặt đẳng nhiệt hình elipxoit 3 trục không bằng nhau, có 3
bán trục vuông góc với nhau và có độ dài khác nhau (hình d):

16


+ Tinh thể hệ 3 nghiêng : vị trí của mặt đẳng nhiệt không xác dịnh. Mỗi tinh thể có 1
cách định hướng riêng của mặt elipxoit.
+Tinh thể hệ 1 nghiêng : có 1 bán trục trùng với L 2, còn 2 bán trục kia nằm trong mặt

phẳng vuông góc với bán trục thứ nhất.
+ Tinh thể hệ trực thoi : Mặt elipxoit này hoàn toàn được định hướng. 3 bán trục của
nó trùng với 3 phương đơn(tức 3 trục đối xứng bậc 2 của tinh thể) của tinh thể.

Như vậy độ dẫn nhiệt trong tinh thể có liên quan dến tính đối xứng hay cấu trúc của
tinh thể.
Trong tinh thể, những hướng có độ dẫn nhiệt lớn thường ứng với những hàng mạng
có mật độ hạt lớn.
Tính dẫn nhiệt của tinh thể phụ thuộc nhiều vào mức độ sai hỏng trong cấu trúc của
chúng. Cấu trúc càng nhiều sai hỏng tinh thể càng kém dẫn nhiệt. Ví dụ Muối ăn thiên
nhiên có l = 0, 015cal / cm.s. 0C , muối ăn tổng hợp có l = 0, 021cal / cm.s. 0C . Các dung
dịch rắn thường có độ dẫn nhiệt thấp hơn các tinh thể hợp phần.
Một vật rắn ở trạng thái vô định hình có độ dẫn nhiệt thấp hơn khi nó ở trạng thái
tinh thể. Ví dụ: thủy tinh thạch anh (SiO2) có l = 0, 032cal / cm.s. 0C , tinh thể thạch anh
17


có l = 0, 0325cal / cm.s. 0C . Ðiều này giúp ta dễ dàng phân biệt thủy tinh thạch anh và
tinh thể thạch anh. Cầm ở tay một sẽ nóng lên, một không nóng vì nó truyền nhiệt nhanh
vào toàn bộ thể tích tinh thể.
4.4. Tính áp điện, hỏa điện, sắt điện
Trong tinh thể các chất chỉ có tinh thể dạng liên kết kim loại có tính dẫn điện tốt, vì
trong cấu trúc của chúng thường xuyên có mặt các điện tử tự do. Những tinh thể đặc
trưng bằng dạng liên kết ion và cộng hóa trị thường là những tinh thể cách diện. Tuy
nhiên bản chất cách điện của chúng không phải là vĩnh cửu, mà có thể thay đổi dưới tác
dụng của bức xạ hồng ngoại, tử ngoại, của áp lực hay của nhiệt dộ. ..
Tính áp điện, hỏa điện, sắt điện là 3 tính chất điện tương đối quan trọng và mới ở 1
số vật liệu điện môi. Một mặt nó góp phần xác định tính đối xứng của tinh thể, mặt khác
nó cho phép sử dụng tinh thể với những hiệu ứng đặc biệt dó dể chế tạo những thiết bị
đặc biệt trong kỹ thuật.

(Ðiện môi hay chất cách diện khác vật dẫn cơ bản ở chỗ trong điện môi không có các
điện tích tự do. Khi đặt 1 thanh điện môi BC trong điện trường của 1 vật mang điện A,
nếu thanh điện môi là đồng nhất thì trên các mặt giới hạn BC sẽ xuất hiện những điện
tích trái dấu. Nếu thanh điện môi không đồng nhất thì ngay trong lòng thanh điện môi
cung xuất hiện điện tích. Hiện tượng trên điện môi khi đặt trong điện truờng có xuất hiện
những điện tích được gọi là hiện tượng phân cực điện môi).

4.4.1. Áp điện
Là 1 tính chất khác thuờng của một vài vật liệu có cấu trúc tinh thể phức tạp và có
tính đối xứng thấp như bari titanat (BaTiO 3) bari và chì ziêconat (PbZrO 3),
amonidihydrophotphat (NH4H2PO4) và thạch anh. ..
Tính chất này thể hiện : Khi nén hoặc kéo giãn 1 số tinh thể điện môi theo những
phương đặc biệt trong tinh thể thì trên các mặt giới hạn của tinh thể có xuất hiện những
điện tích trái dấu, tương tự như những điện tích trong hiện tượng phân cực điện môi.
Hiện tượng này được gọi là hiện tượng áp điện thuận. Nếu đổi dấu của lực tác dụng, ví dụ
từ nén sang kéo hoặc nguợc lại thì điện tích xuất hiện trên 2 mặt giới hạn cùng đổi theo.
Do có điện tích trái dấu xuất hiện nên giữa 2 mặt giới hạn này có một hiệu điện thế.
18


Vật liệu áp điện được ứng dụng trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng điện thành
ứng suất cơ học và ngược lại như đầu ghi âm, micrôphon, máy phát siêu âm, đầu dò ứng
suất, đầu thu âm. Trong 1 máy ghi âm, khi đầu kim dịch chuyển theo các rãnh trên 1 đĩa
hát, biến thiên của áp suất lên vật liệu áp điện ở trong đầu âm chuyển đổi thành tín hiệu
điện và được khuyếch đại lên trước khi ra loa.
Ở tinh thể đã nêu trên còn gặp hiện tượng gọi là áp điện nghịch như sau : Nếu ta đặt
lên 2 mặt của tinh thể một hiệu điện thế thì nó sẽ bị giãn hoặc nén. Nếu hiệu điện thế này
là 1 hiệu điện thế xoay chiều thì bản tinh thể sẽ bị giãn, nén liên tiếp và dao động theo tần
số của điện truờng xoay chiều. Dao động cơ học của bản tinh thể tạo thành những sóng
siêu âm truyền vào trong môi trường xung quanh. Tính chất này được ứng dụng để chế

tạo các nguồn phát siêu âm. Các song này có thể truyền di 1 khoảng đáng kể trong nước.
Người ta sử dụng hiệu ứng này vào phương tiện thông tin giữa các tàu ngầm.

19


Nghiên cứu cấu trúc những tinh thể có tính áp điện nguời ta thấy rằng những tinh thể
chứa tâm đối xứng không thể là vật liệu áp điện được. Hiệu ứng áp điện còn phụ thuộc
vào nhiều yếu tố khác : Những tinh thể liến kết ion đơn giản như các halogenua không
ngậm nước của các kim loại kiềm và kiềm thổ thường không có tính áp điện. Nhưng
những tinh thể có chứa cả 2 dạng liên kết ion và đồng hóa trị thường là những vật liệu áp
điện mạnh như Sfalerit (ZnS). Hiệu ứng áp điện thường thấy trong một số muối như
clorat, brômat, iodat. Ngày nay nguời ta đã nghiên cứu được hơn 500 chất áp điện khác
nhau nhưng mới chỉ có khoảng 1/10 số đó được đem dùng trong thực tế. Trong đó thạch
anh là vật liệu áp diện thường dùng nhất.
4.4.2. Tính hỏa điện
Là khả năng dẫn điện của tinh thể không dẫn điện khi bị tác dụng bởi nhiệt dộ. Ví dụ
: Khi nung nóng tinh thể tuamalin hình trụ thì 2 đầu của nó sẽ tích điện. Các điện cực sẽ
đổi dấu cho nhau nếu ta làm lạnh tinh thể.
Ví dụ: Xét tinh thể tuamalin hình trụ

20


Hiệu ứng này chỉ phát sinh trong tinh thể theo những hướng hoàn toàn xác định. Ðó
là những hướng phân cực trùng với phương đơn (là phương được bảo toàn qua bất kỳ
phép biến đổi đối xứng có trong tinh thể) của tinh thể và ở tinh thể không chứa tâm đối
xứng.

Do hiệu ứng hỏa điện khi xuất hiện có kèm theo sự giãn nở nhiệt của tinh thể nên nó

có thể coi là trường hợp đặc biệt của áp diện.
(Tuamalin là 1 loại silicat nhôm có công thức hóa học phức tạp đến nỗi Giôn Ruskin
phải nói rằng “ công thức hóa học của nó giống cái đơn thuốc của ông thầy thuốc thời
trung cổ hơn là công thức của 1 loại khoáng vật thực sự “).

4.4.3. Tính sắt diện
Ðó là tính phân cực tự phát tức là phân cực khi vắng mặt điện trường của chất điện
môi. Tương tự như tính sắt từ ở vật liệu có từ tính vĩnh cửu. Trong các vật liệu sắt điện
phải tồn tại những luỡng cực điện vĩnh cửu.
21


Ví dụ : Trong tinh thể BaTiO3 (là chất sắt điện phổ thông nhất), sự phân cực tự phát
là hệ quả của sự sắp xếp vị trí các ion Ba 2+, Li4+, O2- trong ô mạng cơ sở. Các ion Ba2+
nằm ở các đỉnh của ô cơ sở mạng tính đối xứng tứ phương (Hình lập phương bị giãn nhẹ
theo 1 phương).Mômen lưỡng cực sinh ra do sự xê dịch tương đối của các ion O 2- và Li4
ra khỏi vị trí đối xứng của chúng. Các ion O 2- nằm thấp xuống phía duới 1 chút còn ion
Li4+ dịch lên trên so với tâm điểm của ô mạng cơ sở. Như vậy một mômen lưỡng cực ion
vĩnh cửu gắn với 1 ô mạng cơ sở. Tuy nhiên khi nung nóng BaTiO 3 lên trên nhiệt độ
Curie sắt điện của nó (120 oC) thì ô cơ sở sẽ trở lại khối lập phương và tất cả các ion đều
theo đúng vị trí đối xứng trong ô cơ sở lập phương, vật liệu bây giờ có cấu trúc tinh thể
kiểu Perôpskit và tính chất sắt điện biến mất. Sự xê dịch tương đối của các ion O 2-. Li4+
đều theo cùng 1 hướng cho tất cả mọi ô mạng cơ sở ở trong 1 miền thể tích nhất định của
hợp chất. Các chất sắt điện có hằng số điện môi cực kỳ cao ở các tần số điện trường
tương đối thấp, ví dụ, ở nhiệt độ phòng hằng số điện môi của BaTiO 3 thể cao tới 5000.Do
vậy các tụ điện chế tạo bằng những vật liệu này có kích thuớc nhỏ hơn rất nhiều so với
các tụ điện làm bằng vật liệu điện môi khác.
4.5. Quang tính
Tính chất quang học rất nhạy cảm với đối xứng. Phụ thuộc vào hệ đối xứng, mặt
quang suất có hình dạng và tính chất khác nhau; dựa vào dó có thể dễ dàng dự đoán

những biểu hiện của tinh thể dưới ánh sáng phân cực. Mặc dù phần lớn các tính chất
quang học chịu ảnh huởng mạnh của thành phần hoá học, một số trong chúng như chỉ số
chiết suất, lưỡng chiết suất, quang dấu lại phụ thuộc nhiều vào đặc điểm cấu trúc. Chỉ số
22


chiết suất phụ thuộc vào mật độ hạt của cấu trúc, nó thường có giá trị thấp ở cấu trúc
khung. Lưỡng chiết suất cao hoặc rất cao được coi là dấu hiệu dể phát hiện các khoáng
vật có cấu trúc mạch hoặc lớp. Các cấu trúc chứa khuyết tật là nguyên nhân gây màu ở
một số khoáng vật như fluorit, thạch anh. Trong cấu trúc các khoáng vật này, các tâm
màu có thể hình thành do sự thiếu hụt ion hoặc nguyên tử ở một nút mạng hoặc sự xuất
hiện ion hay electron dư thừa ở khoảng giữa các nút mạng. Dưới tác dụng của bức xạ,
một trong cặp điện tử của oxy bị bứt ra; làm xuất hiện một tâm màu dạng lỗ trống. Tính
chất quang học cung phụ thuộc rất nhiều vào dạng liên kếthoá học. Các hợp chất ion có
tính chất quang học không thay dổi, dù ở trạng thái kết tinh hay dung dịch. Hợp phần
diện của tia tới làm biến dạng lớp vỏ diện tử của ion. Ðộ khúc xạ của từng ion là thước
do độ biến dạng (độ phân cực) của chúng, tăng tỉ lệ thuận với kích thước ion và tỉ lệ
nghịch với độ bền vững của lớp vỏ điện tử. Trong các hợp chất ion, anion đóng vai trò
quyết định tới độ khúc xạ và giá trị này tăng tỉ lệ thuận với điện tích

Tính chất quang học của tinh thể là do đặc điểm truyền ánh sáng trong môi truờng
này quyết định.
Ðiều đó lại liên quan đến tính đối xứng của cấu trúc tinh thể. Về tính chất quang học
vật rắn được phân làm 2 nhóm lớn : Chất đẳng hướng quang học và chất dị hướng quang
học. Tinh thể thuộc hệ lập phương và chất vô định hình thuộc nhóm đẳng hướng quang
học. Tinh thể của các hệ lục phương, tứ phương, tam phương, trực thoi, một nghiêng, ba
nghiêng đều là dị hướng quang học. Trong môi trường đẳng hướng, sóng ánh sáng truyền
di theo các phương khác nhau với vận tốc như nhau. Trong môi trường dị hướng quang
học, tốc độ truyền sóng ánh sáng sẽ khác nhau theo các phương khác nhau.
Khi đi qua mặt phân cách 2 môi truờng đẳng huớng quang học ánh sáng bị khúc xạ

tuân theo 2 định luật :

23


1- Tia tới và tia khúc xạ nằm trong cùng mặt phẳng với pháp tuyến của mặt phân
cách 2 môi trường tại điểm tới (diểm phản xạ)
2- Tỉ số của sin góc tới i1 và góc khúc xạ i2 là một đại lượng không đổi, không phụ
thuộc vào độ lớn của góc tới đối với 2 môi truờng đã cho :

sin1
= n12
sin 2

Những vật thể đẳng hướng quang học (tinh thể hạng cao, chất vô định hình) chỉ có
một đại lượng chiết suất.
Với tinh thể hạng trung và hạng thấp có khác. Một tia sáng chiếu vào chúng, nói
chung thường tách thành 2 tia khúc xạ

Hai tia này truyền trong tinh thể với 2 tốc độ khác nhau, cả 2 sóng tương ứng với 2
tia này đều phân cực và có phương dao dộng vuông góc với nhau và vuông góc với
phương truyền sóng.
Như vậy theo mỗi phương truyền cho trước tinh thể sẽ có 2 đại lượng chiết suất ứng
với 2 tia khúc xạ. Ðây là hiện tượng khúc xạ kép hay hiện tượng lưỡng chiết. Hiện tượng
này thể hiện rất rõ ở tinh thể canxit trong suốt. Tốc độ của 2 sóng khúc xạ chênh nhau
khá lớn nên ứng với 2 góc khúc xạ lệch khỏi nhau nhiều. Khi nhìn qua tinh thể canxit ta
sẽ thấy 1 nét chữ thành 2.
Ánh sáng Mặt Trời và hầu như mọi dạng nguồn chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo khác đều
tạo ra sóng ánh sáng có vectơ điện trường dao động trong mọi mặt phẳng vuông góc với
hướng truyền sóng. Nếu như vectơ điện trường hạn chế dao động trong một mặt phẳng

bởi sự lọc chùm tia với những chất liệu đặc biệt, thì ánh sáng được xem là phân cực
phẳng, hay phân cực thẳng đối với hướng truyền, và tất cả sóng dao động trong một mặt
phẳng được gọi là mặt phẳng song song, hay mặt phẳng phân cực.

24


Mắt người không có khả năng phân biệt giữa ánh sáng định hướng ngẫu nhiên và ánh
sáng phân cực, và ánh sáng phân cực phẳng chỉ có thể phát hiện qua cường độ hoặc hiệu
ứng màu, ví dụ như sự giảm độ chói khi mang kính râm. Trong thực tế, con người không
thể nào phân biệt giữa ánh sáng thực độ tương phản cao nhìn thấy trong kính hiển vi ánh
sáng phân cực và hình ảnh tương tự của cùng mẫu vật ghi bằng kĩ thuật số (hoặc trên
phim) và rồi chiếu lên màn hứng với ánh sáng không phân cực. Ý niệm cơ bản của sự
phân cực ánh sáng được minh họa trên hình 1 đối với một chùm ánh sáng không phân
cực đi tới hai bản phân cực thẳng. Vectơ điện trường vẽ trong chùm ánh sáng tới dưới
dạng sóng sin dao động theo mọi hướng (360 độ, mặc dù chỉ có 6 sóng, cách nhau 60 độ
được vẽ trong hình). Trong thực tế, vectơ điện trường của ánh sáng tới dao động vuông
góc với hướng truyền với sự phân bố đều trong mọi mặt phẳng trước khi chạm phải bản
phân cực thứ nhất.
Các bản phân cực minh họa trong hình 1 thực ra là những bộ lọc gồm các phân tử
polymer chuỗi dài định theo một hướng. Chỉ có ánh sáng tới dao động trong cùng mặt
phẳng với các phân tử polymer định hướng bị hấp thụ, còn ánh sáng dao động vuông góc
với mặt phẳng polymer thì truyền qua bộ lọc phân cực thứ nhất. Hướng phân cực của bản
phân cực thứ nhất là thẳng đứng nên chùm tia tới sẽ chỉ truyền qua được những sóng có
vectơ điện trường thẳng đứng. Sóng truyền qua bản phân cực thứ nhất sau đó bị chặn lại
bởi bản phân cực thứ hai, do bản phân cực này định hướng ngang đối với vectơ điện
trường trong sóng ánh sáng. Ý tưởng sử dụng hai bản phân cực định hướng vuông góc
với nhau thường được gọi là sự phân cực chéo và là cơ sở cho ý tưởng về kính hiển vi
ánh sáng phân cực.
Manh mối đầu tiên cho sự tồn tại của ánh sáng phân cực xuất hiện vào khoảng năm 1669

khi Erasmus Bartholin phát hiện thấy tinh thể khoáng chất spar Iceland (loại chất canxit
25