Skatoties uz kristāliem un dārgakmeņiem, gribas saprast, kā šis noslēpumainais skaistums varēja rasties, kā top tik pārsteidzoši dabas darbi. Ir vēlme uzzināt vairāk par to īpašībām. Galu galā kristālu īpašā, nekur dabā neatkārtojošā struktūra ļauj tos izmantot visur: no rotaslietām līdz jaunākajiem zinātnes un tehnikas izgudrojumiem.
Kristālisko minerālu izpēte
Kristālu uzbūve un īpašības ir tik daudzšķautņainas, ka ar šo parādību izpēti un izpēti nodarbojas atsevišķa zinātne – mineraloģija. Slavenais krievu akadēmiķis Aleksandrs Jevgeņevičs Fersmans bija tik ļoti pārņemts un pārsteigts par kristālu pasaules daudzveidību un bezgalību, ka centās ar šo tēmu aizraut pēc iespējas vairāk prātu. Savā grāmatā Entertaining Mineralogy viņš entuziastiski un sirsnīgi mudināja iepazīties ar minerālu noslēpumiem un ienirt dārgakmeņu pasaulē:
Es tevi ļoti gribuvaldzināt. Es vēlos, lai jūs sāktu interesēties par kalniem un akmeņlauztuvēm, raktuvēm un raktuvēm, lai jūs sāktu vākt derīgo izrakteņu kolekcijas, lai jūs vēlētos doties ar mums no tālākas pilsētas, uz upes tecējumu, kur ir ir augsti akmeņaini krasti, līdz kalnu virsotnēm vai akmeņainai jūrmalai, kur tiek lauzti akmeņi, tiek iegūtas smiltis vai sprāgst rūda. Tur, visur jūs un es atradīsim kaut ko darīt: un mirušos akmeņos, smiltīs un akmeņos mēs iemācīsimies izlasīt dažus lieliskus dabas likumus, kas valda visā pasaulē un saskaņā ar kuriem tiek būvēta visa pasaule.
Fizika pēta kristālus, apgalvojot, ka jebkurš patiešām ciets ķermenis ir kristāls. Ķīmija pēta kristālu molekulāro struktūru, nonākot pie secinājuma, ka jebkuram metālam ir kristāliska struktūra.
Kristālu apbrīnojamo īpašību izpētei ir liela nozīme mūsdienu zinātnes, tehnoloģiju, būvniecības un daudzu citu nozaru attīstībā.
Kristālu pamatlikumi
Pirmais, ko cilvēki pamana, skatoties uz kristālu, ir tā ideālā daudzšķautņainā forma, taču tā nav minerāla vai metāla galvenā iezīme.
Kad kristāls tiek sadalīts mazos fragmentos, nekas nepaliks no ideālās formas, bet jebkurš fragments, tāpat kā iepriekš, paliks kristāls. Kristāla atšķirīgā iezīme ir nevis tā izskats, bet gan tā iekšējās struktūras raksturīgās iezīmes.
Simetrisks
Pirmā lieta, kas jāatceras un jāņem vērā, pētot kristālus, ir parādībasimetrija. Tas ir plaši izplatīts ikdienas dzīvē. Tauriņa spārni ir simetriski, traipa nospiedums uz papīra, kas salocīts uz pusēm. Simetrisks sniega kristāls. Sešstūrainajai sniegpārsliņai ir sešas simetrijas plaknes. Noliecot attēlu pa jebkuru līniju, kas attēlo sniegpārslas simetrijas plakni, varat apvienot tās abas puses savā starpā.
Simetrijas asij ir tāda īpašība, ka, pagriežot figūru par kādu zināmu leņķi ap to, iespējams apvienot piemērotas figūras daļas savā starpā. Atkarībā no piemērota leņķa izmēra, par kādu figūra jāpagriež, kristālos tiek noteiktas 2., 3., 4. un 6. kārtas asis. Tādējādi sniegpārslās ir viena sestās kārtas simetrijas ass, kas ir perpendikulāra zīmēšanas plaknei.
Simetrijas centrs ir tāds punkts figūras plaknē, no kura pretējā virzienā atrodas vieni un tie paši figūras konstrukcijas elementi.
Kas ir iekšā?
Kristālu iekšējā struktūra ir sava veida molekulu un atomu kombinācija tādā secībā, kas raksturīga tikai kristāliem. Kā viņi zina daļiņu iekšējo struktūru, ja tās nav redzamas pat ar mikroskopu?
Šim nolūkam tiek izmantoti rentgena stari. Izmantojot tos kristālu caurspīdīgumam, vācu fiziķis M. Laue, angļu fiziķi tēvs un dēls Braggs un krievu profesors Ju. Vulfs izveidoja likumus, saskaņā ar kuriem tiek pētīta kristālu struktūra un struktūra.
Viss bija pārsteidzoši un negaidīti. Samomolekulas struktūras jēdziens izrādījās nepiemērots matērijas kristāliskajam stāvoklim.
Piemēram, tādai labi zināmai vielai kā galda sāls ir NaCl molekulas ķīmiskais sastāvs. Bet kristālā atsevišķi hlora un nātrija atomi nepievienojas atsevišķām molekulām, bet veido noteiktu konfigurāciju, ko sauc par telpisko vai kristālisko režģi. Mazākās hlora un nātrija daļiņas ir elektriski saistītas. Sāls kristāliskais režģis veidojas šādi. Viens no nātrija atoma ārējā apvalka valences elektroniem tiek ievadīts hlora atoma ārējā apvalkā, kas nav pilnībā piepildīts, jo trešajā hlora apvalkā nav astotā elektrona. Tādējādi kristālā katrs gan nātrija, gan hlora jons nepieder vienai molekulai, bet gan visam kristālam. Sakarā ar to, ka hlora atoms ir vienvērtīgs, tas var piesaistīt tikai vienu elektronu. Taču kristālu struktūras īpatnības noved pie tā, ka hlora atomu ieskauj seši nātrija atomi, un nav iespējams noteikt, kuram no tiem būs kopīgs elektrons ar hloru.
Izrādās, ka galda sāls ķīmiskā molekula un tās kristāls nemaz nav viens un tas pats. Viss monokristāls ir kā viena milzu molekula.
Režģis - tikai modelis
Kļūda ir jāizvairās, ja telpisko režģi uzskata par kristāla struktūras reālu modeli. Režģis - sava veida nosacīts attēls elementārdaļiņu savienojuma piemēram kristālu struktūrā. Režģa savienojuma punkti bumbiņu formāvizuāli ļauj attēlot atomus, un līnijas, kas tos savieno, ir aptuvens to savienojošo spēku attēls.
Patiesībā spraugas starp atomiem kristāla iekšpusē ir daudz mazākas. Tas ir blīvs tā sastāvā esošo daļiņu iepakojums. Bumba ir parasts atoma apzīmējums, kura izmantošana ļauj veiksmīgi atspoguļot ciešā iepakojuma īpašības. Patiesībā nav vienkāršs atomu kontakts, bet gan to savstarpēja daļēja pārklāšanās. Citiem vārdiem sakot, bumbiņas attēls kristāla režģa struktūrā skaidrības labad ir attēlota tāda rādiusa sfēra, kas satur lielāko daļu atoma elektronu.
Spēka ķīla
Starp diviem pretēji lādētiem joniem pastāv elektrisks pievilkšanās spēks. Tā ir saistviela jonu kristālu struktūrā, piemēram, galda sāls. Bet, ja jūs pietuvināsiet jonus ļoti tuvu, tad to elektronu orbītas pārklājas viens ar otru un parādīsies līdzīgi lādētu daļiņu atgrūdošie spēki. Kristāla iekšpusē jonu sadalījums ir tāds, ka atgrūdošie un pievilcīgie spēki ir līdzsvarā, nodrošinot kristālisko spēku. Šī struktūra ir raksturīga jonu kristāliem.
Un dimanta un grafīta kristālrežģos notiek atomu savienojums ar kopējo (kolektīvo) elektronu palīdzību. Cieši izvietotiem atomiem ir kopīgi elektroni, kas griežas gan ap viena, gan blakus esoša atoma kodolu.
Detalizēta spēku teorijas izpēte ar šādām saitēm ir diezgan sarežģīta un atrodas kvantu mehānikas jomā.
Metāla atšķirības
Metāla kristālu struktūra ir sarežģītāka. Sakarā ar to, ka metāla atomi viegli ziedo pieejamos ārējos elektronus, tie var brīvi pārvietoties pa visu kristāla tilpumu, tā iekšpusē veidojot tā saukto elektronu gāzi. Pateicoties šādiem "klejojošiem" elektroniem, rodas spēki, kas nodrošina metāla lietņa izturību. Īstu metālu kristālu struktūras izpēte parāda, ka atkarībā no metāla lietņa dzesēšanas metodes tam var būt nepilnības: virsmas, punktveida un lineāras. Šādu defektu izmērs nepārsniedz vairāku atomu diametru, taču tie deformē kristālisko režģi un ietekmē difūzijas procesus metālos.
Kristālu izaugsme
Ērtākai izpratnei kristāliskas vielas augšanu var attēlot kā ķieģeļu struktūras uzcelšanu. Ja viens nepabeigta mūra ķieģelis tiek pasniegts kā kristāla neatņemama sastāvdaļa, tad ir iespējams noteikt, kur kristāls augs. Kristāla enerģētiskās īpašības ir tādas, ka uz pirmā ķieģeļa novietotais ķieģelis piedzīvos pievilcību no vienas puses – no apakšas. Uzliekot uz otro - no divām pusēm, bet uz trešo - no trim. Kristalizācijas procesā - pārejā no šķidruma uz cietu stāvokli - tiek atbrīvota enerģija (kušanas siltums). Lai sistēma būtu vislielākā, tās iespējamajai enerģijai ir jābūt minimālai. Tāpēc kristālu augšana notiek slāni pa slānim. Vispirms tiks pabeigta plaknes rinda, tad visa plakne un tikai tad sāks būvēt nākamo.
Zinātne parkristāli
Kristalogrāfijas pamatlikums – zinātne par kristāliem – saka, ka visi leņķi starp dažādām kristāla plaknēm vienmēr ir nemainīgi un vienādi. Neatkarīgi no tā, cik izkropļots ir augošais kristāls, leņķi starp tā virsmām saglabā tādu pašu vērtību, kas raksturīga šim tipam. Neatkarīgi no izmēra, formas un skaita vienas un tās pašas kristāla plaknes virsmas vienmēr krustojas vienā un tajā pašā iepriekš noteiktā leņķī. Leņķu noturības likumu atklāja M. V. Lomonosovs 1669. gadā un spēlēja lielu lomu kristālu struktūras izpētē.
Anizotropija
Kristālu veidošanās procesa īpatnība ir saistīta ar anizotropijas fenomenu - dažādas fizikālās īpašības atkarībā no augšanas virziena. Atsevišķi kristāli dažādos virzienos atšķirīgi vada elektrību, siltumu un gaismu, un tiem ir nevienlīdzīga stiprība.
Tādējādi viens un tas pats ķīmiskais elements ar vieniem un tiem pašiem atomiem var veidot dažādus kristāla režģus. Piemēram, ogleklis var kristalizēties dimantā un grafītā. Tajā pašā laikā dimants ir minerālu maksimālās stiprības piemērs, un grafīts viegli pamet zvīņas, rakstot ar zīmuli uz papīra.
Leņķu mērīšanai starp minerālu virsmām ir liela praktiska nozīme, lai noteiktu to raksturu.
Pamatfunkcijas
Apzinoties kristālu struktūras īpatnības, varam īsi aprakstīt to galvenās īpašības:
- Anizotropija - nevienmērīgas īpašības dažādos virzienos.
- Vienveidība - elementārikristālu sastāvdaļām, kas atrodas vienādi, ir vienādas īpašības.
- Pašgriešanas spēja - jebkurš kristāla fragments tā augšanai piemērotā vidē iegūs daudzšķautņainu formu un tiks pārklāts ar šāda veida kristāliem atbilstošām skaldnēm. Tieši šī īpašība ļauj kristālam saglabāt savu simetriju.
- Kušanas temperatūras nemainīgums. Minerāla telpiskā režģa iznīcināšana, tas ir, kristāliskas vielas pāreja no cietas uz šķidru stāvokli, vienmēr notiek vienā un tajā pašā temperatūrā.
Kristāli ir cietas vielas, kas ir ieguvušas simetriska daudzskaldņa dabisko formu. Kristālu struktūra, ko raksturo telpiskā režģa veidošanās, kalpoja par pamatu cietas vielas elektroniskās struktūras teorijas attīstībai fizikā. Minerālu īpašību un struktūras izpētei ir liela praktiska nozīme.
