Осетровский филиал ФГОУ ВПО «НГАВТ»
РЕФЕРАТ
На тему: Кристаллы и их свойства
Выполнила:
Курсант 12 –
Бух
Токарева
Наталья
Проверила:
Гомзякова Г.Г.
2010 Год
- Введение
- Строение кристаллов
- Процесс роста
кристаллов
- Кристаллы в
природе
- Получение и
применение кристаллов
- Литература
- Введение
Кристаллическими называют твердые тела, физические свойства которых не одинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях.
Семейство кристаллических тел состоит из двух групп - монокристаллов и поликристаллов. Первые иногда обладают геометрически правильной внешней формой, а вторые, подобно аморфным телам, не имеют присущей данному веществу определенной формы. Но в отличие от аморфных тел структура поликристаллов неоднородна, зерниста. Они представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов - кристаллитов.
По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.
- Строение
кристаллов
Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же - 120°.
Измерение углов между гранями кристаллов имеет очень большое практическое значение, так как по результатам этих измерений во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала. Простейшим прибором для измерения углов кристаллов является прикладной гониометр. Применение прикладного гониометра возможно только для исследования крупных кристаллов, невелика и точность измерений, выполненных с его помощью. Различить, например, кристаллы кальцита и селитры, сход по форме и имеющие углы между соответственными гранями, равные 101°55" первого и 102°41,5" у второго, с помощью прикладного гониометра очень трудно. Поэтому в лабораторных условиях измерений углов между гранями кристалла обычно выполняют с помощью более сложных и точных приборов.
Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко.
Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.
Существует несколько способов, позволяющих узнать, является ли твердое тело кристаллом.
Самый простой из них, но очень малопригодный для использования, был открыт в результате случайного наблюдения в конце XVIII в. Французский ученый Ренне Гаюи нечаянно уронил один из кристаллов своей коллекции.
Рассмотрев осколки кристалла, он заметил, что многие из них представляют собой уменьшенные копии исходного образца.
Замечательное свойство многих кристаллов давать при дроблении осколки, подобные по форме исходному кристаллу, позволило Гаюи высказать гипотезу, что все кристаллы состоят из плотно уложенных рядами маленьких, невидимых в микроскоп, частиц, имеющих присущую данному веществу правильную геометрическую форму. Многообразие геометрических форм Гаюи объяснил не только различной формой «кирпичиков», из которых они состоят, но и различными способами их укладки.
Гипотеза Гаюи правильно отразила сущность явления - упорядоченное и плотное расположение структурных элементов кристаллов, но она не ответила на целый ряд важнейших вопросов.
Еще в XVIII в. английский ученый Роберт Гук и голландский ученый Христиан Гюйгенс обратили внимание на возможность построения правильных многогранников из плотно укладываемых шаров. Они предположили, что кристаллы построены из шарообразных частиц - атомов или молекул. Внешние формы кристаллов согласно этой гипотезе являются следствием особенностей плотной упаковки атомов или молекул. Независимо от них к такому же выводу пришел в 1748 г. Великий русский ученый М. В. Ломоносов. При плотнейшей укладке шаров в один плоский слой каждый шар оказывается окруженным шестью другими шарами, центры которых образуют правильный шестиугольник. Если укладку второго слоя вести по лункам между шарами первого слоя, то второй слой окажется таким же, как и первый, только смещенным относительно него в пространстве.
Укладка третьего слоя шаров может быть осуществлена двумя способами
В первом способе шары третьего слоя укладываются в лунки, находящиеся точно над шарами первого слоя, и третий слой оказывается точной копией первого. При последующем повторении укладки слоев этим способом получается структура, называемая гексагональной плотноупакованной структурой. Во втором способе шары третьего слоя укладываются в лунки, не находящиеся точно над шарами первого слоя. При этом способе упаковки получается структура, называемая кубической плотноупакованной структурой. Обе упаковки дают степень заполнения объема 74%. Никакой другой способ расположения шаров в пространстве при отсутствии их деформации большей степени заполнения объема не дает.
При укладке шаров ряд за рядом способом гексагональной плотной упаковки можно получить правильную шестигранную призму, второй способ упаковки ведет к возможности построения куба из шаров. Если при построении кристаллов из атомов или молекул действует принцип плотной упаковки, то, казалось бы, в природе должны встречаться кристаллы только в виде шестигранных призм и кубов. Кристаллы такой формы действительно очень распространены. Гексагональный плотной упаковке атомов соответствует, например, форма кристаллов цинка, магния, кадмия. Кубической плотной упаковке соответствует форма кристаллов меди, алюминия, серебра, золота и ряда других металлов.
Но этими двумя формами многообразие мира кристаллов вовсе не ограничивается. Существование форм кристаллов, не соответствующих принципу плотнейшей упаковки равновеликих шаров, может иметь разные причины.
Во-первых, кристалл может быть построен с соблюдением принципа плотной упаковки, но из атомов разных размеров или из молекул, имеющих форму, сильно отличающуюся от шарообразной. Атомы кислорода и водорода имеют шарообразную форму. При соединении одного атома кислорода и двух атомов водорода происходит взаимное проникновение их электронных оболочек. Поэтому молекула воды имеет форму, значительно отличающуюся от шарообразной. При затвердевании воды плотная упаковка ее молекул не может осуществляться тем же способом, что и упаковка равновеликих шаров.
Во - вторых, отличие упаковки атомов или молекул от плотнейшей может быть объяснено существованием более сильных связей между ними по определенным направлениям. В случае атомных кристаллов направленность связей определяется структурой внешних электронных оболочек атомов, в молекулярных кристаллах - строением молекул.
Разобраться в устройстве кристаллов, пользуясь только объемными моделями их строения, довольно трудно. В связи с этим часто применяется способ изображения строения кристаллов с помощью пространственной кристаллической решетки. Она представляет собой пространственную сетку, узлы которой совпадают с положением центров атомов (молекул) в кристалле. Такие модели просматриваются насквозь, но по ним нельзя ничего узнать о форме и размерах частиц, слагающих кристаллы.
В основе кристаллической решетки лежит элементарная ячейка - фигура наименьшего размера, последовательным переносом которой можно построить весь кристалл. Для однозначной характеристики ячейки нужно задать размеры ее ребер а, в и с и величину углов a, b и g между ними. Длину одного из ребер называют постоянной кристаллической решетки, а всю совокупность шести величин, задающих ячейку, - параметрами ячейки.
Классификация кристаллов и объяснение их физических свойств оказываются возможными только на основе изучения их симметрии. Учение о симметрии является основой всей кристаллографии.
Для количественной оценки степени симметричности служат элементы симметрии - оси, плоскости и центр симметрии. Осью симметрии называют воображаемую прямую, при повороте вокруг которой на 360° кристалл (или его решетка) несколько раз совмещается сам с собой. Число этих совмещений называют порядком оси.
Плоскостью симметрии называют плоскость, рассекающую кристалл на две части, каждая из которых является зеркальным отображением одна другой.
Число плоскостей симметрии может быть различным. Например, в кубе их девять, а в снежинках любой формы - шесть.
Центром симметрии называют точку внутри кристалла, в которой пересекаются все оси симметрии.
Каждый кристалл характеризуется определенным сочетанием элементов симметрии.
Ввиду того, что число элементов симметрии невелико, задача отыскания всех возможных форм кристаллов не является безнадежной. Выдающийся русский кристаллограф Евграф Степанович Федоров установил, что в природе может существовать только 230 различных кристаллических решеток, обладающих осями симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядка. Иначе говоря, кристаллы могут иметь форму различных призм и пирамид, в основании которых могут лежать только правильный треугольник, квадрат, параллелограмм и шестиугольник.
Е. С. Федоров является основоположником кристаллохимии - науки, занимающейся определением химического состава кристаллов путем исследования формы граней и измерения углов между ними. Кристаллохимический анализ по сравнению с химическим обычно занимает меньше времени и не приводит к разрушению образца.
Многие современники Федорова не только не верили в существование кристаллических решеток, но даже сомневались в существовании атомов. Первые экспериментальные доказательства справедливости выводов Федорова были получены в 1912 г. немецким физиком Э. Лауэ. Разработанный им метод определения атомной или молекулярной структуры тел с помощью рентгеновских лучей носит название рентгеноструктурного анализа. Результаты исследования структуры кристаллов с помощью рентгеноструктурного анализа доказали реальность существования всех рассчитанных Е. С. Федоровым кристаллических решеток.
- Процесс роста
кристаллов
Можно высказать предположение, что беспорядочно движущиеся атомы или молекулы случайно могут расположиться в таком порядке, какой соответствует кристаллической решетке. Если раствор не насыщен или температура расплава выше температуры кристаллизации, то зародыши образуются и тут же растворяются или разрушаются тепловым движением. В перенасыщенном растворе или в расплаве, охлажденном до температуры ниже температуры кристаллизации, скорость роста зародыша превышает скорость его разрушения. Такое, казалось бы разумное предположение не согласуется с результатами практики. Как показывают расчеты, зародыш будет устойчив и сможет расти, если число молекул на его поверхности много меньше числа внутренних молекул.
Теоретическая оценка ребра такого зародыша дает величину около 1*10-8 м, т. е. равную нескольким десяткам межатомных расстояний. В объеме этого минимального устойчивого зародыша содержится несколько тысяч атомов. Ясно, что вероятность столкновения такого большого числа атомов ничтожно мала. Однако допустим, что зародыш каким-то образом все же образовался, и выясним, какие условия необходимы для того, чтобы он не растворился, а начал расти. При образовании зародыша выделилось тепло. Атомы, образовавшие кристаллическую решетку зародыша, передали часть своей энергии соседним атомам расплава, которые начали двигаться быстрее. Атомы ближайшего окружения зародыша до тех пор не смогут «осесть» на нем, пока не передадут избыточную энергию более отдаленным атомам. Таким образом, рост зародыша будет происходить в том случае, если обеспечить постоянный отвод тепла из расплава. Раньше считали, что рост кристаллов происходит слой за слоем. Сначала завершается построение одного слоя, потом начинается укладка следующего и т. д. В результате грани, наращиваясь слой за слоем, перемещаются параллельно самим себе в направлении, перпендикулярном плоскости грани, как при кладке кирпичной стены. О справедливости такого предположения, казалось бы, говорят факты существования плоских граней у кристаллов.
Ясно, что осаждение нового атома наиболее вероятно в точке А поверхности, где он будет удерживаться тремя соседями, тогда как в любой другой точке поверхности грани он будет удерживаться меньшим числом соседей. Когда закончится застройка четвертого ряда, начнется застройка пятого и т. д., пока не завершится вся плоскость.
и т.д.................
Кристаллы - твердые тела, имеющие многогранную форму, а слагающие их частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены закономерно. Поверхность кристаллов ограничена плоскостями, которые носят название граней. Места соединения граней называются рёбрами, точки пересечения которых называются вершинами или углами.
Грани, рёбра и вершины кристаллов связаны зависимостью: число граней + число вершин = число рёбер + 2. В большинстве случаев кристаллические вещества не имеют ясно огранённой формы, хотя и обладают закономерным внутренним кристаллическим строением.
Установлено, что кристаллы построены из материальных частиц - ионов, атомов или молекул, геометрически правильно расположенных в пространстве.
Основные свойства кристаллических веществ следующие:
1. Анизотропность (т.е. неравносвойственность).
Анизотропными называются такие вещества, которые имеют одинаковые свойства в параллельных направлениях, и неодинаковые - в непараллельных.
Различные физические свойства кристаллов, такие, как теплопроводность, твердость, упругость, распространение света и др., изменяются с изменением направления. В противоположность анизотропным, изотропные тела имеют одинаковые свойства во всех направлениях.
2. Способность самоограняться.
Этой специфической особенностью обладают только кристаллические вещества. При свободном росте кристаллы ограничиваются плоскими гранями и прямыми рёбрами, принимая многогранную форму.
3. Симметрия.
Симметрией называется закономерная повторяемость в расположении предметов или их частей на плоскости или в пространстве. Все кристаллы являются телами симметричными.
Структура кристалла, т.е. расположение в нём отдельных частиц, является симметричной. Следовательно, и сам кристалл будет обладать плоскостями и осями симметрии.
Материальные частицы (атомы, ионы, молекулы) в кристаллическом веществе размещаются не хаотично, а в определённом строгом порядке. Они расположены параллельными рядами, причём расстояния между материальными частицами этих рядов одинаковы. Эта закономерность в строении кристаллов выражается геометрически в виде пространственной решётки, являющейся как бы скелетом вещества.
Представить пространственную решётку можно как бесконечно большое число одинаковых по форме и размеру параллелепипедов, сдвинутых относительно другого и сложенных так, что они выполняют пространство без промежутков.
Вершины параллелепипедов, в которых находятся атомы, ионы или молекулы, называются узлами пространственной решётки, а прямые линии, проведённые через них, - рядами. Любая плоскость, которая проходит через три узла пространственной решётки (не лежащих на одной прямой), называется плоской сеткой. Элементарный параллелепипед, в вершинах которого находятся узлы решётки, носит название ячейки данной пространственной решётки.
Таким образом, кристаллическое вещество имеет строго закономерное (ретикулярное) строение. На приведенном ниже рисунке можно увидеть кристаллические решетки: а) - Алмаза, б) - графита.
Все важнейшие свойства кристаллических веществ являются следствием их внутреннего закономерного строения. Так, например, анизотропность кристаллов можно легко уяснить, если вести измерение каких-либо свойств в различных направлениях. Особенно чётко анизотропия выявляется в оптических свойствах кристаллов, на чём основан один из важнейших методов их изучения, применяемый в минералогии и петрографии.
Способность кристаллов самоограняться также является естественным следствием их внутреннего строения. Грани кристаллов соответствуют плоским сеткам, рёбра - рядам, а вершины углов - узлам пространственной решётки.
Пространственная решётка имеет бесконечное множество плоских сеток, рядов и узлов. Но реальным граням могут соответствовать лишь те плоские сетки решётки, которые имеют наибольшую ретикулярную плотность, т.е. на которых на единицу площади будет приходиться наибольшее число составляющих её частиц (атомов, ионов). Таких плоских сеток сравнительно немного, отсюда и кристаллы имеют вполне определённое число граней.
Современное человечество только в XVII веке заново открыло для себя кристаллы. Датой рождения кристаллографии - науки, занимающейся изучением кристаллов, принято считать 1669 г.
Хотя научная кристаллография зародилась в XVII веке, теоретические основы о строении кристаллов и способах их исследования были заложены лишь в XIX веке. В XX веке эти открытия нашли практическую реализацию в самых разных областях человеческой жизни. Кристаллы стали широко применяться в самых разных областях науки и техники. Будущее - тоже за ними.
Кристаллы окружают нас со всех сторон. Они - основа физического мира. Из них состоят почти все минералы, в том числе базальт, гранит, известняк и мрамор. Из них состоят все металлы и большинство неметаллов: каучук, кости, волосы, целлюлоза и многое другое.
Мы живем в мире кристаллов. Дома, пароходы, автобусы, самолеты, ракеты, ножи и вилки... - все состоит из них.
Даже в пищу потребляем кристаллические вещества: соль, сахар, не говоря уже о лекарствах в таблетках и порошках, которые мы принимаем во время болезни.
Нет на Земле такого места, где не было бы кристаллов. Да и во Вселенной они широко распространены, так как служат ее материальной основой.
В 1669 году датский врач Н. Стенон сделал важное открытие, он установил, что в кристаллах, образованных одним и тем же веществом, углы между соседними гранями всегда одинаковы, независимо от формы и размеров кристалла.
Это значит, что каждый кристалл имеет присущий только ему угол между гранями.
Это открытие вошло в кристаллографию как закон постоянства углов. Таким образом, если известен угол между гранями, то можно определить вещество кристалла, не прибегая к химическому или физическому анализу. Достаточно только сравнить их с углами известных кристаллов.
Кроме того, тот же Стенон впервые предложил замечательную версию, что кристаллы растут не изнутри, как это наблюдается у растений, а снаружи, путем наложения на внешние плоскости новых частиц.
Кристаллы состоят из атомов, ионов и молекул. Эти частицы располагаются в строго определенном порядке, образуя пространственную решетку. Атомы и ионы удерживаются в них силами притяжения и отталкивания. Они не стоят на месте, а непрерывно колеблются.
Каждый кристалл имеет свою характерную форму, зависящую не только от среды, в которой он вырос, но и от строения пространственной решетки. Форма решетки определяет и свойства самого кристалла. В этом отношении наиболее показателен пример алмаза и графита, пространственные решетки, которых образованы атомами одного и того же элемента - углерода.
Графит - минерал черного цвета, мягкий и пластичный, проводит электрический ток и устойчив к огню. И все потому, что решетка его состоит как бы из слоев, связь между которыми не такая прочная, как между отдельными атомами внутри этого слоя. Такие слои легко сдвинуть один относительно другого при легком нажиме, что мы и наблюдаем, когда пишем карандашом. Он, как мы уже догадались, и является графитом.
А вот алмаз - полная противоположность графиту. Он прозрачен, по прочности превосходит другие кристаллы, но не проводит ток и легко сгорает в струе кислорода. Он почти вдвое тяжелее графита. "Виновата" во всем этом его пространственная решетка. Она трехмерна, а каждый атом в ней крепко связан с четырьмя другими.
Кристаллы бывают твердыми телами и могут быть жидкими, если их молекулы обладают способностью ориентироваться в одном направлении "все вдруг" или группами-слоями или другими способами.
Наконец, "кристаллы" могут быть чисто энергетическими, невидимыми, но наука кристаллография такими "призраками" пока не занимается.
В кристалле грани пересекаются по ребрам, а ребра пересекаются в вершинах. Грани, ребра и вершины - обязательные элементы гранения.
Основные особенности кристаллов - однородность и плоскогранность. Таким образом, если кристаллы имеют плоские грани, то значит, состав их однороден. И наоборот: если вещество кристалла однородно, то оно имеет плоские грани.
Кристаллы могут издавать звуки, например, поющие пески. Это явление привлекает внимание путешественника, оказавшегося среди песчаных барханов пустыни Каракум или других пустынь.
Вдруг неведомо откуда раздаются невнятные звуки пения, но никого нет вокруг, только пески. Они издают звуки, когда при слабом ветре начинает сползать песчаный откос.
Поющие пески есть не только в пустынях. Гармоничные мелодии часто возникают, когда идешь по влажному песку на пляже.
Русский путешественник А. Елисеев оставил свои впечатления о Сахаре:
"...в раскаленном воздухе послышались какие-то чарующие звуки, довольно высокие, певучие, не лишенные гармонии, с сильным металлическим оттенком. Они слышались отовсюду, словно их производили невидимые духи пустыни...
Пустыня была безмолвна, но звуки летели и таяли в раскаленной атмосфере, возникая откуда-то сверху и пропадая будто бы в земле... То веселые, то жалостливые, то резкие и крикливые, то нежные и мелодические, они казались говором живых существ, но не звуками мертвой пустыни...
Никакие нимфы древних не могли придумать чего-либо более поразительного и чудесного, чем эти таинственные песни песков".
Всех, кто слышал песни песков, удивляет это явление, и многие пытались объяснить его. Например, древние египтяне считали, что такие звуки являются порождением духов пустыни, и были правы.
Современные ученные считают, что причина возникновения звуков может скрываться в самой структуре песчинки. В ней, как известно, много кварца и других кремнеземов.
Кварц - это окись кремния, наиболее распространенная в земной коре. Его кристаллы обладают рядом выдающихся свойств. Они богаты простыми, то есть замкнутыми, закрытыми формами. Здесь можно найти пирамиды, призмы, ромбоэдры, - более пятисот простых форм. Для кварца характерны образования двойников - симметричных сростков кристаллов.
Но не только многообразием внешних форм удивляет кварц. Его кристалл не имеет центра симметрии, а это верный признак, что он обладает пьезоэлектрическими свойствами.
Поэтому, если сжать кристалл, то на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, возникают разноименные электрические заряды: положительный - на одной грани, отрицательный - на другой.
Так механическая энергия с помощью кристалла кварца превращается в электрическую энергию. Если же снять механическую нагрузку с кристалла и начать его растягивать, то полярность зарядов на гранях меняется на противоположные заряды. И это происходит в кристалле кварца, который сам по себе является изолятором!
Это явление в кварцевых кристаллах было открыто в 1817 году французским кристаллографом Р. Гаюи, и повторно - в 1880 г. французскими учеными братьями Жаном и Пьером Кюри и названо пьезоэлектричеством. Позднее они же обнаружили и обратимость этого эффекта.
Оказалось, что кристалл кварца мог сжиматься или растягиваться, если на его гранях создаются разноименные электрические заряды. При этом электрическая энергия превращалась в механическую энергию.
Именно это свойство кристалла дает основание полагать, что пение песков пустыни связано с пребыванием духов. Так как духи пустыни являются демоническими сущностями, которые представляют собой хаотическое движение электронов.
В демонических сущностях отсутствует ядро и магнетизм. Они представляют собой пустоту, которая окружена, хаотично движущими электронами. Таким образом, демонические сущности являются носителями электрического заряда, который вызывает напряжение на поверхности молекул кристаллов.
В результате этого воздействия кристаллы песка сжимаются и разжимаются, вызывая колебание воздуха, которое проявляется в виде звуков.
Пение песков сильно воздействует на психику человека, вызывая инстинктивный страх. Причину этого страха можно объяснить тем, что человеческая душа в пении песков улавливает "дыхание" смерти, носителем которой является демоническая сущность.
Человек, животное и растение, как живые организмы, не могут подобно демонической сущности переносить напряжение и влиять на кристаллы, не могут вызывать пение песков. Так как атомарная система живых клеток органических тел производит вибрации другой частоты и электромагнитную индукцию, что делает систему организма закрытой в смысле электрического воздействия. То есть электрическая энергия организма захвачена собственным магнитным полем, которое ею и управляет.
И только в том случае, когда духовность человека падает, что снижает потенциал магнитного поля его организма, может образовываться избыток электрической энергии и дополнительное напряжение. Именно это напряжение демоническая сила улавливает и переносит. Этот избыток электричества негативно влияет в первую очередь на кристаллические структуры самого человеческого организма, а затем на кристаллические тела, которые его окружают. Например, на ювелирные украшения, которые носит человек. Поэтому в древности по состоянию камней-амулетов прогнозировали состояние здоровья человека и даже его будущее. Обращали внимание на молоко, которое чутко реагирует на присутствие в доме нечистой силы.
В результате исследований было установлено, что кварц в виде пластинки, вырезанной из тела кристалла, обладает такой большой упругостью, что может колебаться с очень высокой частотой, последовательно сжимаясь и растягиваясь при смене полярности электрического поля.
Кварц может вибрировать в широком диапазоне частот, создавая акустические и электрические волны, то есть петь. Когда с бархана сползает песчаная лавина или обрушивается песчаный массив, нижележащие слои песка испытывают переменное давление от движущегося слоя. Они сжимаются под давлением и "распрямляются" после уменьшения давления. Кварцевые кристаллы, имеющиеся в песчинках, начинают колебаться, вибрировать, генерируя акустические волны. Аналогичные процессы возникают и при ходьбе по мокрому песку.
Механические колебания кристалликов кварца в песчинках приводят к образованию электрических зарядов на их гранях, полярность которых меняется синхронно с механическими колебаниями кристаллов. Возникают не только акустические волны, но и переменное электрическое поле определенного спектра частот.
Каждая песчинка, каждый кристаллик поет свою песню на своей частоте. Их голоса складываются. И вот уже звучит многоголосое пение, достаточно громко, диапазон частот широк. Его-то и слышит человеческое ухо. Но только низкие частоты. Высокие частоты наше ухо не воспринимает. Когда движение песка замирает, возбужденные механические и электрические колебания кристаллов кварца в песчинках затухают, звучание прекращается.
В 1957 г. советский ученый К. Баранский установил, что акустические волны можно возбудить непосредственно на поверхности кристалла, что еще выше расширяло диапазон генерируемых частот. Затем американские ученые увеличили потолок частот еще на порядок.
Если поют пески, когда подвергаются механическим и электрическим воздействиям, то по аналогичной причине поет и сама Земля. Пульсирующее огненное сердце планеты, влияние других планет и Солнца вызывают подвижку и вибрацию пород земной коры, заставляя звучать Землю. Ее песня, не воспринимаемая человеческим ухом, далеко разносится в космосе.
Земная кора находится в постоянном напряжении. То тут, то там происходят землетрясения и вулканические извержения, освобождающие опасные зоны от перегрузок на них демонических сущностей - бездуховных пустот.
Количество землетрясений на Земле достигает до ста тысяч в год. Из общего числа землетрясений сильных землетрясений происходит до тысячи в год.
Из очагов деформации земной коры колебания передаются на большие расстояния. Скорость распространения волн очень высока. В гранитных породах для продольных волн она составляет более 5000 метров в секунду, для поперечных - около 2509 метров в секунду.
На своем пути земные волны то сжимают породы, то растягивают их, вызывая образование мощных электрических зарядов разной полярности. Особенно они велики в эпицентре сжатия или растягивания, где земные породы испытывают очень сильные, вплоть до разрыва, деформации.
Электрические разряды в виде сильнейших подземных молний стремительно распространяются по зонам наименьшего сопротивления и часто прорываются из глубин на поверхность Земли, оставляя оплавленные твердые породы или странные круглые отверстия.
В том, что Земля звучит, нет ничего странного. Ее твердые породы, базальта, граниты, песчаники и другие имеют кристаллическую структуру. В них много кварцевых образований. При деформации кристаллов возникают не только акустические и электрические волны, но протекают попутно и другие физические и химические процессы.
Грозный рокот глубинных бурь "слышат" многие животные, птицы, насекомые. Они даже могут быть "оповещателями", приближающегося подземного удара. И только человек, как правило, оказывается застигнутым врасплох. Так как перестал воспринимать себя частью природы и следить за происходящими процессами в природе.
Кроме "пения" кристаллы вибрируют в определенном диапазоне светового спектра, поэтому приобретают свой цвет, например, ювелирные камни. Камни прозрачные и с сильным блеском способны пропускать и модифицировать лучистую энергию. Цветность минералов связывается с включением в их кристаллическую решетку ионов металлов, легко меняющих свою валентность, способных при минимальной подаче энергии отдавать свои электроны.
Часть этих электронов "бродит" среди атомов кристаллической решетки, взаимодействуя с ними, обмениваясь с ними энергией. В результате в кристалле возникают и непрерывно меняют свой узор местные нарушения кристаллической решетки. Таким образом, кристалл интенсивно живет своей "внутренней жизнью", внешние проявления которой и составляют наборы "магических" свойств камней-амулетов.
К таким металлам, примеси соединений, которых заметно изменяют энергетический силуэт кристалла, относятся железо, медь, марганец, хром, редкоземельные элементы.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Общие свойства кристаллов
Введение
Кристаллы - это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц.
В основе физики твердого тела лежит представление о кристалличности вещества. Все теории физических свойств кристаллических твердых тел основываются на представлении о совершенной периодичности кристаллических решеток. Используя это представление и вытекающие из него положения о симметрии и анизотропии кристаллов, физики разработали теорию электронной структуры твердых тел. Эта теория позволяет дать строгую классификацию твердых тел, определяя их тип и макроскопические свойства. Однако она позволяет классифицировать только известные, исследованные вещества и не позволяет предопределить состав и структуру новых сложных веществ, которые обладали бы заданным комплексом свойств. Эта последняя задача является особо важной для практики, так как ее решение позволило бы создавать материалы по заказу для каждого конкретного случая. При соответствующих внешних условиях свойства кристаллических веществ определяются их химическим составом и типом кристаллической решетки. Изучение зависимости свойств вещества от его химического состава и кристаллической структуры обычно разбивается на следующие отдельные этапы 1) общее изучение кристаллов и кристаллического состояния вещества 2) построение теории химических связей и ее применение к изучению различных классов кристаллических веществ 3) изучение общих закономерностей изменения структуры кристаллических веществ при изменении их химического состава 4) установление правил, позволяющих предопределять химический состав и структуру веществ, обладающих определенным комплексом физических свойств.
Основные свойства кристаллов - анизотропность, однородность, способность к самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления.
1. Анизотропность
кристалл анизотропность самоогоранение
Анизотропность - выражается она в том, что физические свойства кристаллов неодинаковы по разным направлениям. К физическим величинам можно отнести такие параметры - прочность, твердость, теплопроводность, скорость распространения света, электропроводность. Характерным примером вещества с ярко выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки слюды - легко расщепляются лишь по плоскостям. В поперечных же направлениях расщепить пластинки этого минерала значительно труднее.
Примером анизотропности-является кристалл минерала дистена. В продольном направлении, у дистена твердость равняется 4,5, в поперечном - 6. Минерал дистен (Al 2 O), отличающийся резко различной твердостью по неодинаковым направлениям. Вдоль удлинения кристаллы дистена легко царапаются лезвием ножа, в направлении перпендикулярном удлинению, нож не оставляет никаких следов.
Рис. 1 Кристалл дистена
Минерал кордиерит (Mg 2 Al 3 ). Минерал, алюмосиликат магния и железа. Кристалл кордиерита по трем различным направлениям представляется различно окрашенным. Если из такого кристалла вырезать куб с гранями, то можно заметить следующее. Перпендикулярными этим направлениям, то по диагонали куба (от вершины к вершине наблюдается серовато-синяя окраска, в направлении вертикальном - индигово-синяя окраска, и в направлении поперек куба - желтая.
Рис. 2 Куб, вырезанный из кордиерита.
Кристалл поваренной соли, которая имеет форму куба. Из такого кристалла можно вырезать стерженьки по различным направлениям. Три из них перпендикулярно граням куба, параллельно диагонали
Каждый из примеров исключительны по своей характерности. Но путём точных исследований, ученым пришли к такому выводу, что все кристаллы в том или ином отношении обладают анизотропностью. Так же твёрдые аморфные образования могут быть и однородными и даже анизотропными (анизотропность, к примеру, может наблюдаться при растягивании или сдавливании стёкол), но аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму, ни при каких условиях.
Рис. 3 Выявление анизотропии теплопроводности на кварце (а) и ее отсутствия на стекле (б)
В качестве примера (рис. 1) анизотропных свойств кристаллических веществ прежде всего следует упомянуть про механическую анизотропность, которая заключается в следующем. Все кристаллические вещества раскалываются не одинаково вдоль различных направлений (слюда, гипс, графит и др.). Аморфные же вещества-во всех направлениях раскалываются одинаково, потому что аморфность характеризуются изотропностью (равносвойственностью) - физические свойства по всем направлениям проявляются одинаково.
Анизотропию теплопроводности легко пронаблюдать на следующем простом опыте. На грань кристалла кварца нанести слой цветного воска и поднести к центру грани накаленную на спиртовке иголку. Образовавшийся талый круг воска вокруг иголки примет форму эллипса на грани призмы или же форму неправильного треугольника на одной из граней головки кристалла. На изотропном же веществе, например, стекле - форма талого воска всегда будет правильным кругом.
Анизотропность проявляется и в том, что при взаимодействии на кристалл какого-либо растворителя, скорость химических реакций различна по различным направлениям. В результате каждый кристалл при растворении в итоге приобретает свои характерные формы.
В конечном итоге причиной анизотропности кристаллов - является то, что при упорядоченном расположении ионов, молекул или атомов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния (а также некоторые не связанные с ними прямо величины, например, электропроводность или поляризуемость) оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул, хотелось бы отметить что все аминокислоты, кроме простейшей - глицина, асимметричны.
Любая частичка кристалла имеет строго определенный химический состав. Это свойство кристаллических веществ используется для получения химически чистых веществ. Например, при замораживании морской воды она становится пресной и пригодной для питья. Теперь угадайте, морской лед пресный или соленый?
2. Однородность
Однородность - выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость и т.д. таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело. Однородным считается тело, в котором на конечных расстояниях от любой его точки найдутся другие, эквивалентные ей не только в физическом отношении, но и геометрическом. Другими словами, находятся в таком же окружении, как и исходные, поскольку размещением материальных частиц в кристаллическом пространстве «управляет» пространственная решетка, можно считать, что грань кристалла - это материализованная плоская узловая решетка, а ребро - материализованный узловой ряд. Как правило, хорошо развитые грани кристалла определяются узловыми сетками с наибольшей густотой расположения узлов. Точка, в которой сходятся три и более граней, называется вершиной кристалла.
Однородность присуща не только кристаллическим телам. Твердые аморфные образования также могут быть однородными. Но аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.
Ведутся разработки, которые могут повысить коэффициент однородности кристаллов.
Это изобретение запатентовано нашими русскими учеными. Изобретение относится к сахарной промышленности, в частности к получению утфелей. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента однородности кристаллов в утфеле, а также способствует увеличениею скорости роста кристаллов на завершающем этапе наращивания за счет постепенного роста коэффициента пересыщения.
Недостатками известного способа являются низкий коэффициент однородности кристаллов в утфеле первой кристаллизации, значительная длительность получения утфеля.
Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента однородности кристаллов в утфеле первой кристаллизации и интенсификации процесса получения утфеля.
3. Способность к самоогранению
Способность к самоогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в соответствующей для его роста среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями. Эта особенность связана с кристаллической структурой. Стеклянный же шарик, например, такой особенностью не обладает.
К механическим свойствам кристаллов относятся свойства, связанные с такими механическими воздействиями на них, как удар, сжатие, растяжение и прочее - (спайность, пластическая деформация, излом, твердость, хрупкость).
Способность самоограняться, т.е. при определенных условиях принимать естественную многогранную форму. В этом также проявляется его правильное внутреннее строение. Именно это свойство отличает кристаллическое вещество от аморфного. Иллюстрацией этому служит пример. Два выточенных из кварца и стекла шарика опускают в раствор кремнезема. В результате шарик кварца покроется гранями, а стеклянный останется круглым.
Кристаллы одного и того же минерала могут иметь разную форму, величину и число граней, но углы между соответствующими гранями всегда будут постоянными (рис. 4 а-г) - это закон постоянства гранных углов в кристаллах. При этом величина и форма граней у различных кристаллов одного и того же вещества, расстояние между ними и даже их число могут меняться, но углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества остаются постоянными при одинаковых условиях давления и температуры. Углы между гранями кристаллов измеряются при помощи гониометра (угломера). Закон постоянства гранных углов объясняется тем, что все кристаллы одного вещества тождественны по внутреннему строению, т.е. имеют одну и ту же структуру.
Согласно этому закону кристаллы определенного вещества характеризуются своими определенными углами. Поэтому измерением углов можно доказать принадлежность исследуемого кристалла к тому или иному веществу.
У идеально образованных кристаллов наблюдается симметрия, которая у природных кристаллов встречается чрезвычайно редко из-за опережающего роста граней (рис. 4 д).
Рис. 4 закон постоянства гранных углов в кристаллах (а-г) и рост опережающих граней 1,3 и 5 растущего на стенке полости кристалла (д)
Спайностью называется такое свойство кристаллов при котором раскалываться или расщепляться по определенным кристаллографическим направлениям в итоге образовываются ровные гладкие плоскости, называемые плоскостями спайности.
Плоскости спайности ориентированы параллельно действительным или возможным граням кристаллов. Это свойство всецело зависит от внутреннего строения минералов и проявляется в тех направлениях, в которых силы сцепления между материальными частицами кристаллических решеток наименьшие.
Можно выделить в зависимости от степени совершенства несколько видов спайности:
Весьма совершенная - минерал легко расщепляется на отдельные тонкие пластинки или листочки, расколоть его в другом направлении очень трудно (слюды, гипс, тальк, хлорит).
Рис. 5 Хлорит (Mg, Fe) 3 (Si, Al) 4 O 10 (OH) 2 ·(Mg, Fe) 3 (OH) 6)
Совершенная - минерал сравнительно легко раскалывается преимущественно по плоскостям спайности, причем отбитые кусочки часто напоминают отдельные кристаллы (кальцит, галенит, галит, флюорит).
Рис. 6 Кальцит
Средняя - при раскалывании образуются как плоскости спайности, так и неровные изломы по случайным направлениям (пироксены, полевые шпаты).
Рис. 7 Полевые шпаты ({К, Na, Ca, иногда Ba} {Al 2 Si 2 или AlSi 3 } О 8))
Несовершенная - минералы раскалываются по произвольным направлениям с образованием неровных поверхностей излома, отдельные плоскости спайности обнаруживаются с трудом (самородная сера, пирит, апатит, оливин).
Рис. 8 Кристаллы апатита (Са 5 3 (F, Cl, ОН))
У некоторых минералов при раскалывании образуются только неровные поверхности, в этом случае говорят о весьма несовершенной спайности или отсутствии ее (кварц).
Рис. 9 Кварц(SiO 2)
Спайность может проявляться в одном, двух, трех, редко более направлениях. Для более детальной характеристики ее указывают направление, в котором проходит спайность, например по ромбоэдру - у кальцита, по кубу - у галита и галенита, по октаэдру - у флюорита.
Плоскости спайности нужно отличать от граней кристаллов: Плоскость, как правило, обладает более сильным блеском, образуют ряд параллельных друг другу плоскостей и в отличие от граней кристаллов на которых мы не можем наблюдать штриховки.
Таким образом, спайность может прослеживаться по одному (слюды), двум (полевые шпаты), трем (кальцит, галит), четырем (флюорит) и шести (сфалерит) направлениям. Степень совершенства спайности зависит от строения кристаллической решетки каждого минерала, так как разрыв по некоторым плоскостям (плоским сеткам) этой решетки из-за более слабых связей происходит гораздо легче, чем по другим направлениям. В случае одинаковых сил сцепления между частицами кристалла, спайность отсутствует (кварц).
Излом - способность минералов раскалываться не по плоскостям спайности, а по сложной неровной поверхности
Отдельность - свойство некоторых минералов раскалываться с образованием параллельных, хотя чаще всего не совсем ровных плоскостей, не обусловленных строением кристаллической решетки, которое иногда принимают за спайность. В отличие от спайности отдельность - свойство лишь некоторых отдельных экземпляров данного минерала, а не минерального вида в целом. Главным отличием отдельности от спайности является то, что получившиеся выколки невозможно расщеплять далее на более мелкие обломки с ровными параллельными сколами.
Симметрия - наиболее общая закономерность, связанная со строением и свойствами кристаллического вещества. Она является одним из обобщающих фундаментальных понятий физики и естествознания в целом. «Симметрия есть свойство геометрических фигур повторять свои части, или, выражаясь точнее, свойство их в различных положениях приходить в совмещение с первоначальным положением». Для удобства изучения пользуются моделями кристаллов, передающих формы идеальных кристаллов. Для описания симметрии кристаллов необходимо определить элементы симметрии. Таким образом, симметричным является такой объект, который может быть совмещен сам с собой определенными преобразованиями: поворотами или (и) отражениями (рисунок 10).
1. Плоскость симметрии - это воображаемая плоскость, которая делит кристалл на две равные части, причем одна из частей является как бы зеркальным отражение другой. В кристалле может быть несколько плоскостей симметрии. Плоскость симметрии обозначается латинской буквой Р.
2. Ось симметрии - это линия, при вращении вокруг которой на 360° кристалл n-ое количество раз повторяет свое начальное положение в пространстве. Обозначается буквой L. n - определяет порядок оси симметрии, которые в природе могут быть только 2, 3, 4 и 6-го порядка, т.е. L2, L3, L4 и L6. Осей пятого и выше шестого порядка в кристаллах нет, а оси первого порядка не учитываются.
3. Центр симметрии - воображаемая точка, расположенная внутри кристалла, в которой пересекаются и делятся пополам линии, соединяющие соответствующие точки на поверхности кристалла1. Центр симметрии обозначается буквой С.
Все многообразие встречающихся в природе кристаллических форм объединяется в семь сингоний (систем): 1) кубическую; 2) гексагональную; 3) тетрагональную (квадратную); 4) тригональную; 5) ромбическую; 6) моноклинальную и 7) триклинную.
4. Постоянная температура плавления
Плавление - переход вещества из твердого состояния в жидкое.
Выражается в том, что при нагревании кристаллического тела температура повышается до определенного предела; при дальнейшем же нагревании вещество начинает плавиться, а температура некоторое время остается постоянной, так как все тепло идет на разрушение кристаллической решетки. Причиной этого явления, считается что основная часть энергия нагревателя, подводимая к твердому телу, идет на уменьшение связей между частицами вещества, т.е. на разрушение кристаллической решетки. При этом возрастает энергия взаимодействия между частицами. Расплавленное вещество обладает большим запасом внутренней энергии, чем в твердом состоянии. Оставшаяся часть теплоты плавления расходуется на совершение работы по изменению объема тела при его плавлении. Температура, при которой начинается плавление, называется температурой плавления.
При плавлении объем большинства кристаллических тел увеличивается (на 3-6%), а при отвердевании уменьшается. Но, существуют вещества, у которых при плавлении объем уменьшается, а при отвердевании - увеличивается.
К ним относятся, например, вода и чугун, кремний и некоторые другие. Именно поэтому лёд плавает на поверхности воды, а твердый чугун - в собственном расплаве.
Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют четко выраженной температуры плавления (янтарь, смола, стекло).
Рис. 12 Янтарь
Количество теплоты, необходимой для плавления вещества, равно произведению удельной теплоты плавления на массу данного вещества.
Удельная теплота плавления показывает, какое кол теплоты необходимо для полного превращения 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое, взятого при темп плавления.
Единицей удельной теплоты плавления в СИ служит 1Дж/кг.
В процессе плавления температура кристалла остается постоянной. Эта температура называется температурой плавления. У каждого вещества своя температура плавления.
Температура плавления для данного вещества зависит от атмосферного давления.
У кристаллических тел при температуре плавления можно наблюдать вещество одновременно в твердом и жидком состояниях. На кривых охлаждения (или нагревания) кристаллических и аморфных веществ, можно видеть, что в первом случае имеются два резких перегиба, соответствующие началу и концу кристаллизации; в случае же охлаждения аморфного вещества мы имеем плавную кривую. По этому признаку легко отличить кристаллические вещества от аморфных.
Список литературы
1. Справочник химика 21 «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ» стр. 10 (http://chem21.info/info/1737099/)
2. Справочник по геологии (http://www.geolib.net/crystallography/vazhneyshie-svoystva-kristallov.html)
3. «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», раздел Геометрическая кристаллография (http://media.ls.urfu.ru/154/489/1317/)
4. Глава 1. Кристаллография с основами кристаллохимии и минералогия (http://kafgeo.igpu.ru/web-text-books/geology/r1-1.htm)
5. Заявка: 2008147470/13, 01.12.2008; МПК C13F1/02 (2006.01) C13F1/00 (2006.01). Патентообладатель(и):Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия (RU) (http://bd.patent.su/2371000-2371999/pat/servl/servlet939d.html)
6. Тульский государственный педагогический университет им Л.Н. Толстого Кафедра экологии Голынская Ф.А. «Понятие о минералах как о кристаллических веществах» (http://tsput.ru/res/geogr/geology/lec2.html)
7. Компьютерный обучающий курс «Общая геология» Курс лекций. Лекция 3 (http://igd.sfu-kras.ru/sites/igd.institute.sfu-kras.ru/files/kurs-geologia/%D0% BB % D0% B5% D0% BA % D1% 86% D0% B8% D0% B8/%D0% BB % D0% B5% D0% BA % D1% 86% D0% B8% D1% 8F_3.htm)
8. Класс физика (http://class-fizika.narod.ru/8_11.htm)
Подобные документы
Кристаллическое и аморфное состояния твердых тел, причины точечных и линейных дефектов. Зарождение и рост кристаллов. Искусственное получение драгоценных камней, твердые растворы и жидкие кристаллы. Оптические свойства холестерических жидких кристаллов.
реферат , добавлен 26.04.2010
Жидкие кристаллы как фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях, их основные физические свойства и факторы, на них влияющие. История исследования, типы, использование жидких кристаллов в производстве мониторов.
контрольная работа , добавлен 06.12.2013
Особенности и свойства жидкокристаллического состояния вещества. Структура смектических жидких кристаллов, свойства их модификаций. Сегнетоэлектрические характеристики. Исследование геликоидальной структуры смектика C* методом молекулярной динамики.
реферат , добавлен 18.12.2013
История развития представления о жидких кристаллах. Жидкие кристаллы, их виды и основные свойства. Оптическая активность жидких кристаллов и их структурные свойства. Эффект Фредерикса. Физический принцип действия устройств на ЖК. Оптический микрофон.
учебное пособие , добавлен 14.12.2010
Рассмотрение истории открытия и направлений применения жидких кристаллов; их классификация на смектические, нематические и холестерические. Изучение оптических, диамагнитных, диэлектрических и акустооптических свойств жидкокристаллических веществ.
курсовая работа , добавлен 18.06.2012
Определение жидких кристаллов, их сущность, история открытия, свойства, особенности, классификация и направления использования. Характеристика классов термотропных жидких кристаллов. Трансляционные степени свободы колончатых фаз или "жидких нитей".
реферат , добавлен 28.12.2009
Кристаллы - реальные твердые тела. Термодинамика точечных дефектов в кристаллах, их миграция, источники и стоки. Исследование дислокации, линейного дефекта кристаллической структуры твёрдых тел. Двумерные и трехмерные дефекты. Аморфные твердые тела.
доклад , добавлен 07.01.2015
презентация , добавлен 29.09.2013
Понятие и основные черты конденсированного состояния вещества, характерные процессы. Кристаллические и аморфные тела. Сущность и особенности анизотропии кристаллов. Отличительные черты поликристаллов и полимеров. Тепловые свойства и структура кристаллов.
курс лекций , добавлен 21.02.2009
Оценка вязкостно-температурных свойств (масел). Зависимость температуры вспышки от давления. Дисперсия, оптическая активность. Лабораторные методы перегонки нефти и нефтепродуктов. Теплота плавления и сублимации. Удельная и молекулярная рефракция.
Лицей современных технологий управления
Реферат по физике
Кристаллы и их свойства
Выполнил:
Проверил:
Введение
Кристаллические тела являются одой из разновидностей минералов.
Кристаллическими называют твердые тела, физические свойства которых не одинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях.
Семейство кристаллических тел состоит из двух групп - монокристаллов и поликристаллов. Первые иногда обладают геометрически правильной внешней формой, а вторые, подобно аморфным телам, не имеют присущей данному веществу определенной формы. Но в отличие от аморфных тел структура поликристаллов неоднородна, зерниста. Они представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов - кристаллитов. Поликристаллическую структуру чугуна, например, можно обнаружить, если рассмотреть с помощью лупы образец на изломе.
По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.
Строение кристаллов
Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством - какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же - 120°.
Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах - кристаллографии.
Измерение углов между гранями кристаллов имеет очень большое практическое значение, так как по результатам этих измерений во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала. Простейшим прибором для измерения углов кристаллов является прикладной гониометр. Применение прикладного гониометра возможно только для исследования крупных кристаллов, невелика и точность измерений, выполненных с его помощью. Различить, например, кристаллы кальцита и селитры, сходные по форме и имеющие углы между соответственными гранями, равные 101° 55" первого и 102°41,5" у второго, с помощью прикладного гониометра очень трудно. Поэтому в лабораторных условиях измерений углов между гранями кристалла обычно выполняют с помощью более сложных и точных приборов.
Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.
Существует несколько способов, позволяющих узнать, является ли твердое тело кристаллом. Самый простой из них, но очень малопригодный для использования, был открыт в результате случайного наблюдения в конце XVIII в. Французский ученый Ренне Гаюи нечаянно уронил один из кристаллов своей коллекции. Рассмотрев осколки кристалла, он заметил, что многие из них представляют собой уменьшенные копии исходного образца.
Замечательное свойство многих кристаллов давать при дроблении осколки, подобные по форме исходному кристаллу, позволило Гаюи высказать гипотезу, что все кристаллы состоят из плотно уложенных рядами маленьких, невидимых в микроскоп, частиц, имеющих присущую данному веществу правильную геометрическую форму. Многообразие геометрических форм Гаюи объяснил не только различной формой «кирпичиков», из которых они состоят, но и различными способами их укладки.
Гипотеза Гаюи правильно отразила сущность явления - упорядоченное и плотное расположение структурных элементов кристаллов, но она не ответила на целый ряд важнейших вопросов. Существует ли предел сохранению формы? Если существует, то что представляет собой самый маленький «кирпичик»? Имеют ли атомы и молекулы вещества форму многогранников?
Еще в XVIII в. английский ученый Роберт Гук и голландский ученый Христиан Гюйгенс обратили внимание на возможность построения правильных многогранников из плотно укладываемых шаров. Они предположили, что кристаллы построены из шарообразных частиц - атомов или молекул. Внешние формы кристаллов согласно этой гипотезе являются следствием особенностей плотной упаковки атомов или молекул. Независимо от них к такому же выводу пришел в 1748 г. великий русский ученый М. В. Ломоносов.
При плотнейшей укладке шаров в один плоский слой каждый шар оказывается окруженным шестью другими шарами, центры которых образуют правильный шестиугольник. Если укладку второго слоя вести по лункам между шарами первого слоя, то второй слой окажется таким же, как и первый, только смещенным относительно него в пространстве.
Укладка третьего слоя шаров может быть осуществлена двумя способами (рис.1). В первом способе шары третьего слоя укладываются в лунки, находящиеся точно над шарами первого слоя, и третий слой оказывается точной копией первого. При последующем повторении укладки слоев этим способом получается структура, называемая гексагональной плотноупакованной структурой. Во втором способе шары третьего слоя укладываются в лунки, не находящиеся точно над шарами первого слоя. При этом способе упаковки получается структура, называемая кубической плотноупакованной структурой. Обе упаковки дают степень заполнения объема 74%. Никакой другой способ расположения шаров в пространстве при отсутствии их деформации большей степени заполнения объема не дает.
При укладке шаров ряд за рядом способом гексагональной плотной упаковки можно получить правильную шестигранную призму, второй способ упаковки ведет к возможности построения куба из шаров.
Если при построении кристаллов из атомов или молекул действует принцип плотной упаковки, то, казалось бы, в природе должны встречаться кристаллы только в виде шестигранных призм и кубов. Кристаллы такой формы действительно очень распространены. Гексагональный плотной упаковке атомов соответствует, например, форма кристаллов цинка, магния, кадмия. Кубической плотной упаковке соответствует форма кристаллов меди, алюминия, серебра, золота и ряда других металлов.
Но этими двумя формами многообразие мира кристаллов вовсе не ограничивается.
Существование форм кристаллов, не соответствующих принципу плотнейшей упаковки равновеликих шаров, может иметь разные причины.
Во-первых, кристалл может быть построен с соблюдением принципа плотной упаковки, но из атомов разных размеров или из молекул, имеющих форму, сильно отличающуюся от шарообразной (рис.2). Атомы кислорода и водорода имеют шарообразную форму. При соединении одного атома кислорода и двух атомов водорода происходит взаимное проникновение их электронных оболочек. Поэтому молекула воды имеет форму, значительно отличающуюся от шарообразной. При затвердевании воды плотная упаковка ее молекул не может осуществляться тем же способом, что и упаковка равновеликих шаров.
Во - вторых, отличие упаковки атомов или молекул от плотнейшей может быть объяснено существованием более сильных связей между ними по определенным направлениям. В случае атомных кристаллов направленность связей определяется структурой внешних электронных оболочек атомов, в молекулярных кристаллах - строением молекул.
Разобраться в устройстве кристаллов, пользуясь только объемными моделями их строения, довольно трудно. В связи с этим часто применяется способ изображения строения кристаллов с помощью пространственной кристаллической решетки. Она представляет собой пространственную сетку, узлы которой совпадают с положением центров атомов (молекул) в кристалле. Такие модели просматриваются насквозь, но по ним нельзя ничего узнать о форме и размерах частиц, слагающих кристаллы.
В основе кристаллической решетки лежит элементарная ячейка - фигура наименьшего размера, последовательным переносом которой можно построить весь кристалл. Для однозначной характеристики ячейки нужно задать размеры ее ребер а, в и с и величину углов a, b и g между ними. Длину одного из ребер называют постоянной кристаллической решетки, а всю совокупность шести величин, задающих ячейку, - параметрами ячейки.
На рисунке 3 показано, как можно застроить все пространство путем сложения элементарных ячеек.
Важно обратить внимание на то, что большинство атомов, а для многих типов кристаллической решетки и каждый атом принадлежит не одной элементарной ячейке, а входит одновременно в состав нескольких соседних элементарных ячеек. Рассмотрим, к примеру, элементарную ячейку кристалла каменной соли.
За элементарную ячейку кристалла каменной соли, из которой, переносом в пространстве можно построить весь кристалл, должна быть принята часть кристалла, представленная на рисунке. При этом нужно учесть, что от ионов, находящихся в вершинах ячейки, ей принадлежит лишь одна восьмая каждого из них; от ионов, лежащих на ребрах ячейки, ей принадлежит по одной четвертой каждого; от ионов, лежащих на гранях, на долю каждой из двух соседних элементарных ячеек приходится по половине иона.
Подсчитаем число ионов натрия и число ионов хлора, входящих в состав одной элементарной ячейки каменной соли. Ячейке целиком принадлежит один ион хлора, расположенный в центре ячейки, и по одной четверти каждого из 12 ионов, расположенных на ребрах ячейки. Всего ионов хлора в одной ячейке 1+12*1/4=4. Ионов натрия в элементарной ячейке-шесть половинок на гранях и восемь восьмушек в вершинах, всего 6*1/2+8*1/8=4.
