Кристаллы и кристаллография

КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ. Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром.

Удивительной  особенностью горного хрусталя и  многих других прозрачных минералов  являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.  

ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ

Вообще говоря, кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды, так как вода, в сущности, не что иное, как расплавленный  лед. К кристаллизации из расплава относится  и процесс образования вулканических  пород. Магма, проникающая в трещины  земной коры или вытесняемая в  виде лавы на ее поверхность, содержит многие элементы в разупорядоченном состоянии. При охлаждении магмы или лавы атомы и ионы разных элементов притягиваются друг к другу, образуя кристаллы различных минералов. В таких условиях возникает много зародышей кристаллов. Увеличиваясь в размере, они мешают друг другу расти, а поэтому гладкие наружные грани у них образуются редко.

Кристаллы в  природе образуются также из растворов, примером чему могут служить сотни  миллионов тонн соли, выпавшей из морской  воды. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором  хлорида натрия. Если дать воде возможность  медленно испаряться, то в конце концов раствор станет насыщенным и дальнейшее испарение приведет к выделению соли. Положительно заряженные ионы натрия притягивают отрицательно заряженные ионы хлора, в результате чего образуется зародыш кристалла хлорида натрия, который выделяется из раствора. При дальнейшем испарении другие ионы пристраиваются к образовавшемуся ранее зародышу, и постепенно растет кристалл с характерной внутренней упорядоченностью и гладкими наружными гранями.  

Кристаллы образуются также непосредственно из пара или  газа. При охлаждении газа электрические  силы притяжения объединяют атомы или  молекулы в кристаллическое твердое  вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.  
 

КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ. Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром.

Удивительной  особенностью горного хрусталя и  многих других прозрачных минералов  являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.

Заметной вехой  в истории кристаллографии явилась  книга, написанная в 1784 французским  аббатом Р.Гаюи. Он выдвинул предположение, что кристаллы возникают в результате правильной укладки крохотных одинаковых частиц, которые он назвал «молекулярными блоками». Гаюи показал, каким образом можно получить гладкие плоские грани кальцита, укладывая такие «кирпичики». Различия в форме разных веществ он объяснил разницей как в форме «кирпичиков», так и в способе их укладки.

Со времен Гаюи было принято как гипотеза, что в правильной форме кристалла находит отражение упорядоченное внутреннее расположение частиц, но это было подтверждено лишь в 1912, когда М.фон Лауэ в Мюнхене установил, что рентгеновские лучи дифрагируют на атомных плоскостях внутри кристалла. Падая на фотографическую пластинку, дифрагированные лучи создают на ней геометрический узор из темных пятен. По положению и интенсивности таких пятен можно рассчитать размеры структурной единицы и определить расположение атомов в ней.

Имея в виду возможность прямого исследования внутренней структуры, многие занимающиеся кристаллографией стали употреблять  термин «кристалл» в применении ко всем твердым веществам с упорядоченной  внутренней структурой. Нужны лишь благоприятные условия, полагали они, чтобы внутренняя упорядоченность  проявилась в виде правильной наружной огранки. Некоторые ученые предпочитают называть твердые вещества с внешне не проявляющейся внутренней упорядоченностью «кристаллическими», а под «кристаллами»  понимать, как это было когда-то, твердые вещества с природной  огранкой.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ПРИМЕНЕНИЕ  КРИСТАЛЛОВ

Природные кристаллы  всегда возбуждали любопытство у  людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали  человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами  были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать  своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными  способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать  и полировать, как драгоценные  камни, многие суеверия сохранились  в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь  же популярны, как и во время неолита.

Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием  и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими  свойствами обладают кристаллы неокрашенного  кварца, и первые линзы, в том числе  и для очков, изготавливались  из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность  в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих  пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Кристаллы сыграли  важную роль во многих технических  новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.

Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических  веществ, главным образом кремния  и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые  вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный. См. также ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ; ТРАНЗИСТОР.

Кристаллы используются также в некоторых мазерах  для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет. См. также ЛАЗЕР; КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ.

Искусственные кристаллы. С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До 20 в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в конце 1940-х годов были синтезированы изумруды, а в 1955 фирма «Дженерал электрик» и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов.

Многие технологические  потребности в кристаллах явились  стимулом к исследованию методов  выращивания кристаллов с заранее  заданными химическими, физическими  и электрическими свойствами. Труды  исследователей не пропали даром, и  были найдены способы выращивания  больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы  выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы  образуются так же, как и в природе  – из раствора, расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы  сегнетовой соли выращиваются из водного  раствора при атмосферном давлении. Большие кристаллы оптического  кварца выращиваются тоже из раствора, но при температурах 350–450° C и давлении ~140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050° C. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи. См также АБРАЗИВЫ; ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА.

Следует разделить  идеальный и реальный кристалл.

Идеальный кристалл является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему  симметрию, идеализированно ровные гладкие грани и т. д.

Реальный кристалл — всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.