Žvelgiant į kristalus ir brangakmenius, norisi suprasti, kaip galėjo atsirasti šis paslaptingas grožis, kaip kuriami tokie nuostabūs gamtos kūriniai. Yra noras daugiau sužinoti apie jų savybes. Juk ypatinga, niekur gamtoje nesikartojanti kristalų struktūra leidžia juos naudoti visur: nuo papuošalų iki naujausių mokslo ir technikos išradimų.
Kristalinių mineralų tyrimas
Kristalų struktūra ir savybės yra tokios daugialypės, kad šių reiškinių tyrimu ir tyrimu užsiima atskiras mokslas – mineralogija. Garsus rusų akademikas Aleksandras Jevgenievičius Fersmanas buvo taip sužavėtas ir nustebintas kristalų pasaulio įvairovės ir begalybės, kad šia tema stengėsi sužavėti kuo daugiau protų. Savo knygoje „Entertaining Mineralogy“jis entuziastingai ir šiltai ragino susipažinti su mineralų paslaptimis ir pasinerti į brangakmenių pasaulį:
Aš labai tavęs noriusužavėti. Noriu, kad pradėtumėte domėtis kalnais ir karjerais, kasyklomis ir kasyklomis, kad pradėtumėte rinkti mineralų kolekcijas, kad norėtumėte eiti su mumis iš toliau esančio miesto, į upės vagą, kur yra yra aukšti uolėti krantai, į kalnų viršūnes arba į uolėtą pajūrį, kur skaldomas akmuo, kasamas smėlis ar sprogsta rūda. Ten, visur, kur tu ir aš rasime ką veikti: o negyvose uolose, smėliuose ir akmenyse išmoksime perskaityti puikių gamtos dėsnių, kurie valdo visą pasaulį ir pagal kuriuos yra pastatytas visas pasaulis.
Fizika tiria kristalus, teigdama, kad bet koks tikrai tvirtas kūnas yra kristalas. Chemija tiria kristalų molekulinę struktūrą ir daro išvadą, kad bet kuris metalas turi kristalinę struktūrą.
Nuostabiųjų kristalų savybių tyrimas yra labai svarbus šiuolaikinio mokslo, technologijų, statybos pramonės ir daugelio kitų pramonės šakų vystymuisi.
Pagrindiniai kristalų dėsniai
Pirmas dalykas, kurį žmonės pastebi žiūrėdami į kristalą, yra ideali įvairialypė jo forma, tačiau tai nėra pagrindinė mineralo ar metalo savybė.
Kai kristalas suskaidomas į mažus fragmentus, niekas neišliks idealios formos, bet bet koks fragmentas, kaip ir anksčiau, liks kristalu. Išskirtinis kristalo bruožas yra ne jo išvaizda, o būdingi vidinės struktūros bruožai.
Simetriška
Pirmas dalykas, kurį reikia atsiminti ir įsidėmėti tyrinėjant kristalus, yra reiškinyssimetrija. Jis plačiai paplitęs kasdieniame gyvenime. Drugelio sparnai yra simetriški, dėmės įspaudas ant perlenkto popieriaus lapo. Simetriški sniego kristalai. Šešiakampė snaigė turi šešias simetrijos plokštumas. Lenkdami paveikslėlį išilgai bet kurios linijos, vaizduojančios snaigės simetrijos plokštumą, galite sujungti dvi jos puses.
Simetrijos ašis turi tokią savybę, kad pasukus figūrą kokiu nors žinomu kampu aplink ją, galima derinti tinkamas figūros dalis viena su kita. Priklausomai nuo tinkamo kampo, kuriuo reikia pasukti figūrą, dydžio kristaluose nustatomos 2, 3, 4 ir 6 eilės ašys. Taigi snaigėse yra viena šeštos eilės simetrijos ašis, statmena piešimo plokštumai.
Simetrijos centras yra toks figūros plokštumos taškas, esantis tokiu pat atstumu, nuo kurio priešinga kryptimi yra tie patys figūros konstrukciniai elementai.
Kas viduje?
Vidinė kristalų struktūra yra tam tikras molekulių ir atomų derinys, būdinga tik kristalams. Kaip jie žino vidinę dalelių struktūrą, jei jų nematyti net pro mikroskopą?
Tam naudojami rentgeno spinduliai. Naudodamas juos peršviečiantiems kristalus, vokiečių fizikas M. Laue, anglų fizikai tėvas ir sūnus Braggai bei rusų profesorius Yu. Wolf nustatė dėsnius, pagal kuriuos tiriama kristalų struktūra ir struktūra.
Viskas nustebino ir netikėta. Samomolekulės struktūros samprata pasirodė esanti netinkama kristalinei materijos būsenai.
Pavyzdžiui, tokia gerai žinoma medžiaga kaip valgomoji druska turi NaCl molekulės cheminę sudėtį. Tačiau kristale atskiri chloro ir natrio atomai nesudaro atskirų molekulių, o sudaro tam tikrą konfigūraciją, vadinamą erdvine arba kristaline gardele. Mažiausios chloro ir natrio dalelės yra sujungtos elektra. Druskos kristalinė gardelė susidaro taip. Vienas iš natrio atomo išorinio apvalkalo valentinių elektronų įvedamas į išorinį chloro atomo apvalkalą, kuris nėra visiškai užpildytas, nes trečiajame chloro apvalkale nėra aštuntojo elektrono. Taigi kristale kiekvienas natrio ir chloro jonas priklauso ne vienai molekulei, o visam kristalui. Dėl to, kad chloro atomas yra vienavalentis, jis gali prie savęs prijungti tik vieną elektroną. Tačiau kristalų struktūros ypatybės lemia tai, kad chloro atomą supa šeši natrio atomai, ir neįmanoma nustatyti, kuris iš jų dalinsis elektronu su chloru.
Pasirodo, kad valgomosios druskos cheminė molekulė ir jos kristalas visai nėra tas pats dalykas. Visas monokristalas yra kaip viena milžiniška molekulė.
Grotelės – tik modelis
Klaidos reikėtų vengti, kai erdvinė gardelė laikoma tikru kristalo struktūros modeliu. Grotelės – tam tikras sąlyginis elementariųjų dalelių jungties kristalų struktūroje pavyzdžio vaizdas. Tinklelio sujungimo taškai rutuliukų pavidaluvizualiai leidžia pavaizduoti atomus, o juos jungiančios linijos yra apytikslis jungiamųjų jėgų tarp jų vaizdas.
Iš tikrųjų tarpai tarp atomų kristalo viduje yra daug mažesni. Tai tankus jį sudarančių dalelių paketas. Rutulys yra įprastas atomo žymėjimas, kurio naudojimas leidžia sėkmingai atspindėti sandaraus įpakavimo savybes. Realybėje yra ne paprastas atomų kontaktas, o jų tarpusavio dalinis sutapimas. Kitaip tariant, rutulio atvaizdas kristalinės gardelės struktūroje, siekiant aiškumo, yra pavaizduota tokio spindulio sfera, kurioje yra pagrindinė atomo elektronų dalis.
Jėgos pasižadėjimas
Tarp dviejų priešingai įkrautų jonų yra elektrinė traukos jėga. Tai yra joninių kristalų, tokių kaip valgomoji druska, struktūros rišiklis. Bet jei jonus priartinsite labai arti, tada jų elektronų orbitos persidengs ir atsiras panašiai įkrautų dalelių atstumiančios jėgos. Kristalo viduje jonų pasiskirstymas yra toks, kad atstumiančios ir traukiančios jėgos yra pusiausvyroje ir užtikrina kristalinį stiprumą. Ši struktūra būdinga joniniams kristalams.
O deimanto ir grafito kristalinėse gardelėse vyksta atomų jungtis bendrųjų (kolektyvinių) elektronų pagalba. Glaudžiai išdėstyti atomai turi bendrus elektronus, kurie sukasi aplink vieno ir gretimo atomo branduolį.
Išsamus jėgų su tokiais ryšiais teorijos tyrimas yra gana sudėtingas ir priklauso kvantinės mechanikos sričiai.
Metalų skirtumai
Metalo kristalų struktūra yra sudėtingesnė. Dėl to, kad metalo atomai lengvai atiduoda turimus išorinius elektronus, jie gali laisvai judėti per visą kristalo tūrį, sudarydami jo viduje vadinamąsias elektronų dujas. Tokių „klaidžiojančių“elektronų dėka susidaro jėgos, užtikrinančios metalo luito tvirtumą. Tikrų metalo kristalų struktūros tyrimas rodo, kad, priklausomai nuo metalo luito aušinimo būdo, jame gali būti netobulumų: paviršiaus, taškinių ir linijinių. Tokių defektų dydis neviršija kelių atomų skersmens, tačiau jie iškreipia kristalinę gardelę ir veikia difuzijos procesus metaluose.
Krištolų augimas
Siekiant patogesnio supratimo, kristalinės medžiagos augimas gali būti pavaizduotas kaip plytų konstrukcijos pastatymas. Jei viena nebaigto mūro plyta pateikiama kaip neatskiriama kristalo dalis, tuomet galima nustatyti, kur kristalas augs. Kristalo energetinės savybės yra tokios, kad ant pirmos plytos uždėta plyta pajus trauką iš vienos pusės – iš apačios. Klojant ant antro - iš dviejų pusių, o ant trečios - iš trijų. Kristalizacijos procese – pereinant iš skystos į kietą būseną – išsiskiria energija (sintezės šiluma). Siekiant didžiausio sistemos stiprumo, jos galima energija turėtų būti minimali. Todėl kristalų augimas vyksta sluoksnis po sluoksnio. Pirmiausia bus baigta plokštumos eilė, tada visa plokštuma ir tik tada bus pradėta statyti kita.
Mokslas apiekristalai
Pagrindinis kristalografijos dėsnis – kristalų mokslas – sako, kad visi kampai tarp skirtingų kristalų paviršių plokštumų visada yra pastovūs ir vienodi. Nesvarbu, kaip iškreiptas augantis kristalas, kampai tarp jo paviršių išlaiko tą pačią vertę, būdingą šiam tipui. Nepriklausomai nuo dydžio, formos ir skaičiaus, tos pačios kristalinės plokštumos paviršiai visada susikerta tuo pačiu iš anksto nustatytu kampu. Kampų pastovumo dėsnį atrado M. V. Lomonosovas 1669 m. ir suvaidino svarbų vaidmenį tiriant kristalų struktūrą.
Anizotropija
Kristalų susidarymo proceso ypatumą lemia anizotropijos reiškinys – skirtingos fizinės savybės, priklausomai nuo augimo krypties. Pavieniai kristalai skirtingai praleidžia elektrą, šilumą ir šviesą skirtingomis kryptimis ir yra nevienodo stiprumo.
Taigi, tas pats cheminis elementas su tais pačiais atomais gali sudaryti skirtingas kristalines gardeles. Pavyzdžiui, anglis gali kristalizuotis į deimantą ir į grafitą. Tuo pačiu metu deimantas yra didžiausio stiprumo pavyzdys tarp mineralų, o rašant pieštuku ant popieriaus grafitas lengvai palieka apnašas.
Kampų tarp mineralų paviršių matavimas turi didelę praktinę reikšmę nustatant jų prigimtį.
Pagrindinės funkcijos
Sužinoję kristalų struktūrines ypatybes, galime trumpai apibūdinti pagrindines jų savybes:
- Anizotropija – nelygios savybės įvairiomis kryptimis.
- Vienodumas – elementaruvienodai išdėstytos kristalų sudedamosios dalys turi tas pačias savybes.
- Savaimiško pjovimo galimybė – bet koks kristalo fragmentas jam augti tinkamoje terpėje įgaus įvairiapusę formą ir bus padengtas tokio tipo kristalus atitinkančiais paviršiais. Būtent ši savybė leidžia kristalui išlaikyti savo simetriją.
- Lydymosi temperatūros nepastovumas. Erdvinės mineralo gardelės sunaikinimas, ty kristalinės medžiagos perėjimas iš kietos būsenos į skystą, visada vyksta toje pačioje temperatūroje.
Kristalai yra kietos medžiagos, įgavusios natūralią simetriško daugiakampio formą. Kristalų struktūra, kuriai būdingas erdvinės gardelės susidarymas, buvo kietojo kūno elektroninės struktūros teorijos fizikos raidos pagrindas. Mineralų savybių ir struktūros tyrimas turi didelę praktinę reikšmę.
