Ob pogledu na kristale in dragulje hočeš razumeti, kako se je lahko pojavila ta skrivnostna lepota, kako nastajajo tako neverjetna dela narave. Obstaja želja, da bi izvedeli več o njihovih lastnostih. Navsezadnje posebna, nikjer v naravi ponavljajoča se struktura kristalov omogoča njihovo uporabo povsod: od nakita do najnovejših znanstvenih in tehničnih izumov.
Študija kristalnih mineralov
Struktura in lastnosti kristalov so tako večplastne, da se s preučevanjem in preučevanjem teh pojavov ukvarja ločena znanost, mineralogija. Slavni ruski akademik Aleksander Evgenijevič Fersman je bil tako navdušen in presenečen nad raznolikostjo in neskončnostjo sveta kristalov, da je s to temo skušal očarati čim več umov. V svoji knjigi Zabavna mineralogija je navdušeno in toplo pozval, naj se seznani s skrivnostmi mineralov in se potopi v svet draguljev:
Resnično te želimočarati. Želim, da se začnete zanimati za gore in kamnolomi, rudnike in rudnike, da začnete zbirati zbirke mineralov, da želite iti z nami iz bolj oddaljenega mesta, do toka reke, kjer je tam so visoki skalnati bregovi, do vrhov gora ali do skalnate morske obale, kjer se lomi kamen, koplje pesek ali eksplodira ruda. Tam, povsod bova ti in jaz našla kaj početi: in v mrtvih skalah, pesku in kamnu se bomo naučili brati nekaj velikih naravnih zakonov, ki urejajo ves svet in po katerih je ves svet zgrajen.
Fizika preučuje kristale in trdi, da je vsako resnično trdno telo kristal. Kemija raziskuje molekularno strukturo kristalov in pride do zaključka, da ima katera koli kovina kristalno strukturo.
Proučevanje neverjetnih lastnosti kristalov je velikega pomena za razvoj sodobne znanosti, tehnologije, gradbene industrije in mnogih drugih industrij.
Osnovni zakoni kristalov
Prva stvar, ki jo ljudje opazijo ob pogledu na kristal, je njegova idealna večplastna oblika, vendar to ni glavna značilnost minerala ali kovine.
Ko se kristal razbije na majhne drobce, ne bo nič ostalo od idealne oblike, toda kateri koli drobec, tako kot prej, bo ostal kristal. Posebnost kristala ni njegov videz, temveč značilne lastnosti njegove notranje strukture.
simetrično
Prva stvar, ki si jo je treba zapomniti pri preučevanju kristalov, je fenomensimetrija. V vsakdanjem življenju je razširjena. Krila metulja so simetrična, odtis pike na kos papirja, prepognjen na pol. Simetrični snežni kristali. Šesterokotna snežinka ima šest simetričnih ravnin. Če sliko upognete vzdolž katere koli črte, ki prikazuje simetrično ravnino snežinke, lahko združite njeni dve polovici med seboj.
Os simetrije ima tako lastnost, da je z vrtenjem figure za nek znan kot okoli nje mogoče med seboj kombinirati ustrezne dele figure. Glede na velikost ustreznega kota, za katerega je treba figuro zasukati, se v kristalih določijo osi 2., 3., 4. in 6. reda. Tako je v snežinkah ena sama simetrična os šestega reda, ki je pravokotna na risalno ravnino.
Središče simetrije je taka točka v ravnini figure, na enaki razdalji od katere so v nasprotni smeri enaki strukturni elementi figure.
Kaj je notri?
Notranja struktura kristalov je nekakšna kombinacija molekul in atomov v vrstnem redu, ki je značilen samo za kristale. Kako poznajo notranjo strukturo delcev, če niso vidni niti z mikroskopom?
Za to se uporabljajo rentgenski žarki. Z njihovo uporabo za prosojne kristale so nemški fizik M. Laue, angleški fiziki oče in sin Bragg ter ruski profesor Yu. Wolf vzpostavili zakone, po katerih se preučuje struktura in struktura kristalov.
Vse je bilo presenetljivo in nepričakovano. Samoizkazalo se je, da koncept strukture molekule ni uporaben za kristalno stanje snovi.
Na primer, tako dobro znana snov, kot je kuhinjska sol, ima kemično sestavo molekule NaCl. Toda v kristalu se posamezni atomi klora in natrija ne seštevajo v ločene molekule, ampak tvorijo določeno konfiguracijo, imenovano prostorska ali kristalna mreža. Najmanjši delci klora in natrija so električno vezani. Kristalna mreža soli se oblikuje na naslednji način. Eden od valenčnih elektronov zunanje lupine natrijevega atoma se vnese v zunanjo lupino atoma klora, ki zaradi odsotnosti osmega elektrona v tretji lupini klora ni popolnoma napolnjena. Tako v kristalu vsak tako natrijev kot klorov ion ne pripada eni molekuli, temveč celotnemu kristalu. Zaradi dejstva, da je atom klora enovalenten, lahko nase pritrdi le en elektron. Toda strukturne značilnosti kristalov vodijo v dejstvo, da je atom klora obdan s šestimi natrijevimi atomi in je nemogoče ugotoviti, kateri od njih si bo delil elektron s klorom.
Izkazalo se je, da kemična molekula kuhinjske soli in njen kristal sploh nista ista stvar. Celoten monokristal je kot ena velikanska molekula.
rešetka - samo model
Napaki se je treba izogniti, če se prostorska mreža vzame kot pravi model kristalne strukture. Rešetka - nekakšna pogojna podoba primera povezave elementarnih delcev v strukturi kristalov. Mrežne povezovalne točke v obliki kroglicvizualno vam omogočajo upodobitev atomov, črte, ki jih povezujejo, pa so približna slika veznih sil med njimi.
V resnici so vrzeli med atomi v kristalu veliko manjše. Je gosto pakiranje njegovih sestavnih delcev. Kroglica je konvencionalna oznaka atoma, katere uporaba omogoča uspešno odražanje lastnosti tesnega pakiranja. V resnici ne gre za preprost stik atomov, ampak za njihovo medsebojno delno prekrivanje med seboj. Z drugimi besedami, podoba kroglice v strukturi kristalne mreže je zaradi jasnosti upodobljena krogla takšnega polmera, ki vsebuje glavni del elektronov atoma.
Obljuba moči
Med dvema nasprotno nabitima ionoma obstaja električna sila privlačnosti. Je vezivo v strukturi ionskih kristalov, kot je kuhinjska sol. Če pa ione zelo približate, se bodo njihove elektronske orbite prekrivale in pojavile se bodo odbojne sile podobno nabitih delcev. V notranjosti kristala je porazdelitev ionov taka, da so odbojne in privlačne sile v ravnovesju, kar zagotavlja kristalno moč. Ta struktura je značilna za ionske kristale.
In v kristalnih mrežah diamanta in grafita obstaja povezava atomov s pomočjo skupnih (kolektivnih) elektronov. Tesno razporejeni atomi imajo skupne elektrone, ki se vrtijo okoli jedra enega in sosednjih atomov.
Podrobna študija teorije sil s takšnimi vezmi je precej težavna in leži na področju kvantne mehanike.
Kovinske razlike
Struktura kovinskih kristalov je bolj zapletena. Zaradi dejstva, da kovinski atomi zlahka darujejo razpoložljive zunanje elektrone, se lahko prosto gibljejo po celotnem volumnu kristala in v njem tvorijo tako imenovani elektronski plin. Zahvaljujoč takšnim "tavajočim" elektronom se ustvarijo sile, ki zagotavljajo trdnost kovinskega ingota. Študija strukture pravih kovinskih kristalov kaže, da lahko glede na način hlajenja kovinskega ingota vsebuje pomanjkljivosti: površinske, točkovne in linearne. Velikost takšnih napak ne presega premera več atomov, vendar popači kristalno mrežo in vpliva na difuzijske procese v kovinah.
Crystal Growth
Za bolj priročno razumevanje lahko rast kristalne snovi predstavimo kot postavitev opečne strukture. Če je ena opeka nedokončane zidane predstavljena kot sestavni del kristala, potem je mogoče določiti, kje bo kristal zrasel. Energetske lastnosti kristala so takšne, da bo opeka, postavljena na prvo opeko, doživela privlačnost z ene strani – od spodaj. Pri polaganju na drugi - z dveh strani in na tretji - s treh. V procesu kristalizacije - prehoda iz tekočega v trdno stanje - se sprosti energija (toplota fuzije). Za največjo moč sistema mora biti njegova možna energija čim manjša. Zato se rast kristalov pojavlja plast za plastjo. Najprej bo dokončana vrsta letala, nato celotna letalo in šele nato se bo začela graditi naslednja.
Znanost okristali
Osnovni zakon kristalografije - veda o kristalih - pravi, da so vsi koti med različnimi ravninami kristalnih ploskev vedno konstantni in enaki. Ne glede na to, kako popačen je rastoči kristal, koti med njegovimi ploskvami ohranijo enako vrednost, ki je lastna tej vrsti. Ne glede na velikost, obliko in število se ploskve iste kristalne ravnine vedno sekajo pod istim vnaprej določenim kotom. Zakon konstantnosti kotov je odkril M. V. Lomonosov leta 1669 in igral pomembno vlogo pri preučevanju strukture kristalov.
Anizotropija
Posebnost procesa nastajanja kristalov je posledica pojava anizotropije - različnih fizikalnih lastnosti glede na smer rasti. Monokristali različno prevajajo elektriko, toploto in svetlobo v različnih smereh in imajo neenako moč.
Tako lahko isti kemični element z enakimi atomi tvori različne kristalne mreže. Na primer, ogljik lahko kristalizira v diamant in v grafit. Hkrati je diamant primer največje trdnosti med minerali, grafit pa zlahka zapusti svoje luske pri pisanju s svinčnikom na papir.
Merjenje kotov med ploskvami mineralov je velikega praktičnega pomena za določanje njihove narave.
Osnovne funkcije
Ko smo spoznali strukturne značilnosti kristalov, lahko na kratko opišemo njihove glavne lastnosti:
- Anizotropija - neenakomerne lastnosti v različnih smereh.
- Enovitost - osnovnosestavine kristalov, enako razporejene, imajo enake lastnosti.
- Zmožnost samorezanja - vsak fragment kristala v mediju, ki je primeren za njegovo rast, bo dobil večplastno obliko in bo pokrit s ploskvami, ki ustrezajo tej vrsti kristalov. Prav ta lastnost omogoča kristalu, da ohrani svojo simetrijo.
- Invariantnost tališča. Uničenje prostorske mreže minerala, to je prehod kristalne snovi iz trdnega v tekoče stanje, se vedno zgodi pri isti temperaturi.
Kristali so trdne snovi, ki so prevzele naravno obliko simetričnega poliedra. Struktura kristalov, za katero je značilna tvorba prostorske mreže, je služila kot osnova za razvoj v fiziki teorije elektronske strukture trdnega telesa. Proučevanje lastnosti in strukture mineralov je velikega praktičnega pomena.
