Форма и строение кристаллов

Большая часть твердой материи состоит из кристаллов. Среди веществ, употребляемых в быту, наиболее отчетливо кристаллическое строение проявляется, вероятно, у поваренной соли и сахара, но даже такие материалы, как глина и сталь, построены из кристаллов.

Нередко кристаллическое строение вещества трудно распознать, так как истинная форма кристаллов, правильная в своей основе, бывает скрыта-мельчайшие кристаллы, образующие агрегат, мешают свободному росту друг друга, утрачивая характерные черты. Однако многие минералы кристаллизуются, образуя характерные правильные формы.

Кристаллография как наука ведет свое начало с 1669 г., когда датский ученый Н. Стеной (1638-1686) открыл, что углы между соответственными гранями разных кристаллов кварца имеют постоянную величину. В 1783 г. Ж. Б. Роме де Лисль (1736-1790) установил, что углы между гранями кристалла характерны для вещества, из которого он образован.

Тогда же аббат Р. Гаюи (1743-1822) объяснил особенности внешней формы кристаллов тем, что они построены из крошечных кирпичиков вещества, уложенных в определенном порядке (ныне такие «кирпичики» известны как элементарные ячейки). Гаюи описал также 7 основных систем, или сингоний, кристаллов (2-8).

2. Пирит кристаллизуется в кубической сингонии. У его элементарной ячейки все три оси имеют одинаковую длину, а углы между ними составляют 90°. Среди семи сингоний только кубическая не поляризует проходящий сквозь кристалл свет. Кубические кристаллы иногда приобретают форму октаэдра или додекаэдра. Гранат, галит и флюорит- тоже минералы кубической сингонии.

3. Халькопирит принадлежит к тетрагональной сингонии. Его элементарная ячейка представляет собой прямую призму с квадратным основанием.

4. Кальцит кристаллизуется в тригональной сингонии. Его элементарная ячейка представляет собой ромбоэдр.

5. Берилл относится к гексагональной сингонии. Его элементарная ячейка представляет собой шестигранную призму.

6. Топаз принадлежит к ромбической сингонии. Его элементарная ячейка- прямая призма с прямоугольным основанием.

7. Авгит (силикат кальция, магния, железа и алюминия из группы пироксенов) кристаллизуется в моноклинной сингонии. Его элементарная ячейка-прямая призма с основанием в виде параллелограмма.

8. Медный купорос (халькантит - синий водный сульфат меди) относится к триклин- ной сингонии. В его элементарной ячейке все три оси имеют разную длину, и ни один угол между ними не равен 90°.

В дальнейшем была развита теория симметрии как внешней формы кристаллов, так и их внутреннего строения. В 1867 г. русский ученый А. В. Гадолин (1828-1892) доказал, что существует всего 32 класса внешней симметрии кристаллов, а до этого, в 1850 г., О. Браве (1811-1863) установил 14 возможных типов их пространственных решеток.

В 1890 г. русский кристаллограф Е. С. Федоров (1853-1919), а годом позже — немецкий геометр А. М. Шёнфлис (1853-1928) разработали учение о 230 пространственных (фёдоровских) группах симметрии, лежащее в основе современной кристаллохимии и физики твердого тела. С 1912 г. получает развитие структурная кристаллография, которая исследует атомно-молекулярное строение кристаллов методами рентгеноструктурного анализа (9), электронографии, нейтронографии.

9. Кристаллическая решетка способна рассеивать рентгеновские лучи. В дифракционном аппарате (А) источник (1) рентгеновского излучения направляет свой луч на ориентированный кристалл (2), укрепленный на вращающемся держателе (3). Дифракция наблюдается, если луч проходит между плоскостями решетки (Б) в соответствии с условием Брэгга-Вульфа.

Дифрагированные лучи при определенных углах падения оказываются в фазе, что вызывает появление рядов пятен на цилиндрической фотопленке (4) или образованных точками кривых на фотопластинке (В). В одном и том же кристалле могут существовать по-разному ориентированные плоскости (Г)

Ее расцвет связан с именами М. Лауэ (1879-1960), Ю. В. Вульфа (1863-1925), У. Г. Брэгга (1862-1942), У. Л. Брэгга (1890-1971) и Н. В. Белова (1891-1982). С помощью рентгенографического анализа металлов удалось понять свойства сплавов.