电气石的自发极化效应和远红外辐射

2020-8-12 14:54:53

     电气石(Tourmaline) 是电气石族矿物的总称,是以含硼为特征的铝、钠、铁、镁、锂的环状结构硅酸盐矿物,结构式为Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O12][BO3]3(OH,F)4。根据不同的类质同像,可分为铁电气石、镁电气石和锂电气石。电气石晶体结构为三方晶系,对称型为L33P,晶体常呈短柱状、长柱状或针状,柱面有纵纹,横断面呈球面三角形,集合体呈针状、纤维状或放射状,有时呈粒状或隐晶质块状,颜色随成分而异,有黑色(含Fe)、红色(富含Mn、Li、Cs)、褐黄色(含Cr),无色透明的少见;玻璃光泽,硬度7~7.5,无解理,密度2.9~3.5g/cm3,具有热电性与压电性。电气石作为一种新型的工业矿物,在环保、电子、医药、化工、轻工、建材等领域,由于矿物独特的性质及产品的高附加值,受到世界各国的普遍重视。
1 电气石的自发极化效应
       1898年,日本学者Kubo发现并提出来电气石具有永久性自发极化效应。电气石晶体在沿其三次对称轴的两端会积聚一定量的异性电荷,产生异性两极:Voigt检测了室温下电气石的自发极化值,得到Ps=0.011MC/cm2。一般认为,极化电荷的产生是由电气石具有的热电性和压电性引起的。当电气石晶体所处环境温度与压力变化时,晶体中带电粒子之间发生相对位移,正负电荷中心发生分离,晶体的总电矩发生相对位移,正负电荷中心发生分离,晶体的总电矩发生变化,从而导致极化电荷产生。电气石的自发极化效应表现为,在电气石晶体周围存在奋斗目标以C轴轴面为两极的静电场,场强Eo=Ps/2Eo,据Voigt给出的Ps值,得到Eo=6.2×10^6V/m。当电气石晶粒很小时,电气石微粒的作用相当于一电偶极子,由于正负电荷作用相互抵消,在平行于C轴方向电场强度最大,静电场随着远离中心迅速减弱,Ex=(2/3)Eo(a/r)3,a为电气石微粒半径,r为测点距中心的距离。由此可知,在电气石表面十几微米范围内存在10~104V/m的高场强。电气石的自发极化效应是永久性的,与其结构和成分密切相关。电气石晶体结构由[Si6O18] 复三方环、[BO3]三角、[X-O5(OH)]三重八面体组成(Fe2+、Mg2+,Al3+、Li+、Fe3+、Mn2+)。构成[Si6O18]复三方环的六个硅氧四面体,角顶指向同一方向,被解释为其极性存在的本质原因。
       电气石环境功能属性及应用
       电气石作为环境功能材料已得到国内外环境科学界的公认,在日本、美国、韩国、中国等国家,电气石用于居室等小环境的改善已实现了产业化。研究证明:由于自极化效应使得电气石具有一些环境功能属性,如在无源条件下可产生负离子;具有远红外发射功能,发射率可达0.93;电磁屏蔽功能;调节水的pH值至中性;活化水分子等。这些环境功能属性使得电气石具有广泛的应用。
        电气石的红外辐射功能及应用
        红外线是电子波谱的一部分,其波长为0.76~1000um,介于可见光与微波之间。按波长不同又分为近红外(0.76~1.50um)、中红外(1.5~5.6um)、远红外(8~14um)和超远红外(15~1000um)。如前所述,电气石同时具有显著的压电性与热电性,即使在常温下,一旦环境压力或温度发生微弱变化,其内部分子振动增强,偶极矩发生变化,即热运动使极性分子激发到更高的能级,当它向下跃迁至较低能级时,就以发射电磁波形式被带走。因此,电气石向外界发射电磁波的动力来自于外界环境之间的能量交换。