Хрустальдар мен асыл тастарды көргенде, бұл жұмбақ сұлулық қалай пайда болғанын, табиғаттың таңғажайып туындылары қалай жасалғанын түсінгіңіз келеді. Олардың қасиеттері туралы көбірек білуге деген ұмтылыс бар. Өйткені, ерекше, табиғаттың ешбір жерінде қайталанбайтын кристалдардың құрылымы оларды барлық жерде қолдануға мүмкіндік береді: зергерлік бұйымдардан соңғы ғылыми және техникалық өнертабыстарға дейін.
Кристалдық минералдарды зерттеу
Кристалдардың құрылымы мен қасиеттерінің көп қырлы болғаны сонша, бұл құбылыстарды зерттеп, зерттеумен жеке ғылым, минералогия айналысады. Ресейдің атақты академигі Александр Евгеньевич Ферсманның кристалдар әлемінің сан алуандығы мен шексіздігіне тәнті болғаны және таңғалғаны соншалық, ол осы тақырыппен мүмкіндігінше көп адамның санасын баурап алуға тырысты. Ол өзінің «Көңілді минералогия» кітабында пайдалы қазбалардың құпияларымен танысуға және асыл тастар әлеміне енуге ынтамен және жылы лебізбен шақырды:
Мен сені қатты қалаймынбаурап алу. Мен сіздердің таулар мен карьерлерге, шахталар мен шахталарға қызығушылық таныта бастағаныңызды қалаймын, осылайша сіз пайдалы қазбалар коллекцияларын жинай бастайсыз, осылайша сіз бізбен алыстағы қаладан, өзеннің ағысына барғыңыз келеді. биік жартасты жағалаулар, тау шыңдарына немесе тас жарылған, құм өндірілетін немесе кен жарылып жатқан жартасты теңіз жағалауына дейін. Онда, барлық жерде сіз бен біз істейтін нәрсе табамыз: өлі жартастар, құмдар мен тастар ішінде біз бүкіл әлемді басқаратын және бүкіл әлем соған сәйкес құрылған табиғаттың кейбір ұлы заңдарын оқуды үйренеміз.
Физика кез келген шын қатты дене кристалл екенін дәлелдей отырып, кристалдарды зерттейді. Химия кристалдардың молекулалық құрылымын зерттеп, кез келген металдың кристалдық құрылымы бар деген қорытындыға келеді.
Кристалдардың таңғажайып қасиеттерін зерттеу қазіргі ғылымның, техниканың, құрылыс индустриясының және басқа да көптеген салалардың дамуы үшін үлкен маңызға ие.
Кристалдардың негізгі заңдары
Хрустальға қараған кезде адамдар бірінші байқайтын нәрсе - оның идеалды көп қырлы пішіні, бірақ бұл минералдың немесе металдың басты ерекшелігі емес.
Кристалл ұсақ фрагменттерге бөлінгенде идеалды түрде ештеңе қалмайды, бірақ кез келген фрагмент бұрынғыдай кристал болып қалады. Кристаллдың ерекше белгісі оның сыртқы түрі емес, ішкі құрылымының өзіне тән белгілері.
Симметриялық
Кристалдарды зерттегенде ең бірінші есте сақтау және ескеру керек нәрсе - бұл құбылыссимметрия. Ол күнделікті өмірде кеңінен таралған. Көбелек қанаттары симметриялы, екіге бүктелген қағаз парағындағы дақтардың ізі. Симметриялық қар кристалдары. Алтыбұрышты қар ұшқынының алты симметрия жазықтығы бар. Суретті қар ұшқынының симметрия жазықтығы бейнеленген кез келген сызық бойымен бүгу арқылы оның екі жартысын бір-бірімен біріктіруге болады.
Симметрия осінің қасиеті сондай, фигураны айналасында белгілі бір бұрышқа айналдыру арқылы фигураның қолайлы бөліктерін бір-бірімен біріктіруге болады. Фигураны бұру қажет болатын қолайлы бұрыштың өлшеміне байланысты кристалдарда 2, 3, 4 және 6 ретті осьтер анықталады. Осылайша, снежинкаларда сызу жазықтығына перпендикуляр болатын алтыншы ретті симметрияның бір осі бар.
Симметрия центрі – фигураның жазықтықындағы дәл сол қашықтықта қарама-қарсы бағытта фигураның құрылымдық элементтері бірдей болатын нүкте.
Ішінде не бар?
Кристалдардың ішкі құрылымы – бұл тек кристалдарға ғана тән тәртіптегі молекулалар мен атомдардың бірігуінің бір түрі. Микроскоппен де көрінбесе, бөлшектердің ішкі құрылымын олар қайдан біледі?
Бұл үшін Рентген сәулелері қолданылады. Оларды мөлдір кристалдарға пайдалана отырып, неміс физигі М. Лауэ, ағылшын физигі әкесі мен баласы Брагг, орыс профессоры Ю. Вольф кристалдардың құрылымы мен құрылымын зерттейтін заңдарды бекітті.
Бәрі таңқаларлық және күтпеген болды. Самомолекуланың құрылымы туралы түсінік заттың кристалдық күйіне қолданылмайтын болып шықты.
Мысалы, ас тұзы сияқты белгілі затта NaCl молекуласының химиялық құрамы бар. Бірақ кристалда хлор мен натрийдің жеке атомдары жеке молекулаларға қосылмайды, бірақ кеңістіктік немесе кристалдық тор деп аталатын белгілі бір конфигурацияны құрайды. Хлор мен натрийдің ең ұсақ бөлшектері электрлік байланысқан. Тұздың кристалдық торы келесідей түзіледі. Натрий атомының сыртқы қабатының валенттік электрондарының бірі хлор атомының сыртқы қабығына енгізіледі, хлордың үшінші қабатында сегізінші электронның болмауына байланысты ол толық толтырылмайды. Осылайша, кристалда натрийдің де, хлордың да әрбір ионы бір молекулаға емес, бүкіл кристалға жатады. Хлор атомы бір валентті болғандықтан өзіне бір ғана электрон қоса алады. Бірақ кристалдардың құрылымдық ерекшеліктері хлор атомының алты натрий атомымен қоршалғандығына әкеледі және олардың қайсысы хлормен электрон бөлісетінін анықтау мүмкін емес.
Ас тұзының химиялық молекуласы мен оның кристалы мүлдем бірдей емес екен. Бүкіл монокристал бір алып молекулаға ұқсайды.
Тор - тек үлгі
Кеңістіктік торды кристалдық құрылымның нақты үлгісі ретінде қабылдағанда қатені болдырмау керек. Тор – кристалдардың құрылымындағы элементар бөлшектердің қосылу мысалының шартты бейнесінің бір түрі. Шарлар түріндегі торды қосу нүктелеріатомдарды визуалды түрде бейнелеуге мүмкіндік береді, ал оларды байланыстыратын сызықтар олардың арасындағы байланыстыру күштерінің шамамен кескіні болып табылады.
Шындығында кристалдың ішіндегі атомдар арасындағы бос орындар әлдеқайда аз. Бұл оның құрамдас бөлшектерінің тығыз қаптамасы. Шар - бұл атомның шартты белгісі, оны пайдалану тығыз қаптаманың қасиеттерін сәтті көрсетуге мүмкіндік береді. Шындығында атомдардың қарапайым байланысы емес, олардың бір-бірімен өзара жартылай қабаттасуы бар. Басқаша айтқанда, кристалдық тордың құрылымындағы шардың бейнесі, анық болу үшін, атом электрондарының негізгі бөлігін қамтитын осындай радиустың бейнеленген сферасы болып табылады.
Күш кепілі
Қарама-қарсы зарядталған екі ион арасында электрлік тартылыс күші бар. Бұл ас тұзы сияқты иондық кристалдардың құрылымындағы байланыстырушы зат. Бірақ егер сіз иондарды өте жақындатсаңыз, онда олардың электронды орбиталары бір-бірімен қабаттасып, ұқсас зарядталған бөлшектердің итеру күштері пайда болады. Кристалдың ішінде иондардың таралуы кристалдық күшті қамтамасыз ететін итеруші және тартымды күштер тепе-теңдікте болатындай. Бұл құрылым иондық кристалдарға тән.
Ал алмаз бен графиттің кристалдық торларында ортақ (ұжымдық) электрондардың көмегімен атомдардың байланысы болады. Жақын орналасқан атомдарда бір атомның да, көрші атомның да ядросының айналасында айналатын ортақ электрондар болады.
Осындай байланыстары бар күштер теориясын егжей-тегжейлі зерттеу өте қиын және кванттық механика саласында жатыр.
Металл айырмашылықтары
Металл кристалдарының құрылымы күрделірек. Металл атомдары қол жетімді сыртқы электрондарды оңай беретіндіктен, олар кристалдың бүкіл көлемі бойынша еркін қозғала алады, оның ішінде электронды газ деп аталатынды құрайды. Осындай «кезбе» электрондардың арқасында металл құймасының беріктігін қамтамасыз ететін күштер пайда болады. Шынайы металл кристалдарының құрылымын зерттеу металл құймасын суыту әдісіне байланысты оның кемшіліктері: беттік, нүктелік және сызықтық болуы мүмкін екенін көрсетеді. Мұндай ақаулардың мөлшері бірнеше атомның диаметрінен аспайды, бірақ олар кристалдық торды бұрмалайды және металдардағы диффузиялық процестерге әсер етеді.
Кристалл өсімі
Қолайлырақ түсіну үшін кристалдық заттың өсуін кірпіш құрылымын тұрғызу ретінде ұсынуға болады. Аяқталмаған кірпіштен бір кірпіш кристалдың ажырамас бөлігі ретінде ұсынылса, онда кристалдың қай жерде өсетінін анықтауға болады. Кристаллдың энергетикалық қасиеттері бірінші кірпішке салынған кірпіш бір жағынан - төменнен тартылуды сезінеді. Екіншіге төсеу кезінде - екі жағынан, ал үшіншіден - үштен. Кристалдану процесінде – сұйық күйден қатты күйге ауысу – энергия (еріту жылуы) бөлінеді. Жүйенің ең үлкен күші үшін оның мүмкін болатын энергиясы минимумға ұмтылуы керек. Сондықтан кристалдардың өсуі қабат-қабат жүреді. Алдымен ұшақтың бір қатары, содан кейін бүкіл ұшақ аяқталады, содан кейін ғана келесісі құрастырыла бастайды.
Ғылымкристалдар
Кристаллографияның негізгі заңы – кристалдар туралы ғылым – кристалдық беттердің әртүрлі жазықтықтары арасындағы барлық бұрыштардың әрқашан тұрақты және бірдей болатынын айтады. Өсіп келе жатқан кристал қаншалықты бұрмаланғанына қарамастан, оның беттері арасындағы бұрыштар осы түрге тән бірдей мәнді сақтайды. Өлшеміне, пішініне және санына қарамастан, бір кристалдық жазықтықтың беттері әрқашан бірдей алдын ала анықталған бұрышта қиылысады. Бұрыштардың тұрақтылық заңын М. В. Ломоносов 1669 ж. және кристалдардың құрылымын зерттеуде үлкен рөл атқарды.
Анизотропия
Кристалл түзілу процесінің ерекшелігі анизотропия құбылысына - өсу бағытына байланысты әртүрлі физикалық сипаттамаларға байланысты. Монокристалдар электр тогын, жылуды және жарықты әртүрлі бағытта өткізеді және күші бірдей емес.
Осылайша, атомдары бірдей бір химиялық элемент әртүрлі кристалдық торлар құра алады. Мысалы, көміртегі алмазға және графитке кристалдануы мүмкін. Сонымен қатар, гауһар минералдар арасындағы максималды беріктіктің мысалы болып табылады, ал графит қағазға қарындашпен жазғанда қабыршақтарынан оңай шығады.
Минералдардың қырларының арасындағы бұрыштарды өлшеу олардың табиғатын анықтау үшін үлкен практикалық маңызы бар.
Негізгі мүмкіндіктер
Кристалдардың құрылымдық ерекшеліктерін біліп, олардың негізгі қасиеттерін қысқаша сипаттауға болады:
- Анизотропия - әртүрлі бағыттағы біркелкі емес қасиеттер.
- Біртектілік - элементарлыБірдей аралықтағы кристалдардың құрамдас бөліктері бірдей қасиеттерге ие.
- Өздігінен кесу мүмкіндігі - оның өсуіне қолайлы ортадағы кристалдың кез келген фрагменті көп қырлы пішінді алады және кристалдардың осы түріне сәйкес келетін беттермен жабылады. Дәл осы қасиет кристалға өзінің симметриясын сақтауға мүмкіндік береді.
- Балу температурасының инварианттылығы. Минералдың кеңістік торының бұзылуы, яғни кристалдық заттың қатты күйден сұйық күйге ауысуы әрқашан бірдей температурада болады.
Кристаллдар – симметриялық көпбұрыштың табиғи пішінін алған қатты денелер. Кеңістіктік тордың түзілуімен сипатталатын кристалдардың құрылымы қатты дененің электрондық құрылымы теориясының физикада дамуына негіз болды. Пайдалы қазбалардың қасиеттері мен құрылымын зерттеудің практикалық маңызы зор.
