имплантация зубов
опока №9 зуботехническая
плавка срібла

Форма и структура кристаллов

Форма и структура кристаллов

а. Кристалл и стекло.
За исключением опала, все минералы, используемые в ювелирном деле, отличаются от стекла и подобных ему веществ тем, что они являются кристаллическими веществами; другими словами, их атомы образуют правильную структуру.
Смысл олов «кристалл» («кристаллический») и «стекло» («стекловатый»), употребляемых в научных описаниях, значительно отличается от обычного их смысла. Первое из них происходит от греческого xpwog, что означает лед, и одно время это слово использовалось в английском языке именно в таком смысле. Например, в староанглийском переводе Псалтири читаем: «Не sendis his kristall as morcels»
(в русском переводе; «Бросает град свой кусками» — Псалом 147, стих 6). Оно применялось также для обозначения прекрасных блестящих кусков кварца, которые попадались среди покрытых вечными снегами горных вершин Альп; эти куски были настолько прозрачны, что, по свидетельству Плиния
, их считали состоящими из воды, которая застыла под действием.
сильнейшего мороза, царящего в тех районах. Сегодня мы тоже говорим «кристаллы кварца», но уже в современном обычном значении. Однако, когда первые исследователи обнаружили, что раствор соли, испаряясь, оставляет после себя скопления тонких сверкающих призм, очень похожих одна на другую, они, естественно (хотя, как мы теперь знаем, ошибочно), восприняли их как ещэ одну форму затвердевшей воды и назвали это вещество уже известным словом — «кристалл». Последующие исследования показали, что как эта выпавшая из раствора соль, так и минеральные вещества, встречающиеся в природе и часто имеющие плоские грани, обладают, как правило, важным свойством закономерного расположения составляющих их атомов; поэтому наука определяет «кристалл» как материальное тело, в котором структура повсюду одинакова, а все близкие по характеру атомы, входящие в его состав, располагаются в этой структуре одинаковым образом.
Другое слово «стекло» — еще обыкновеннее; этим словом обозначают прозрачное, блестящее, твердое и хрупкое вещество, образующееся при плавлении песка в смеси с содой или с поташем (или и с тем, и с другим). Стекло вставляют в оконные рамы, оно используется и для множества других целей. Исследования показали, что в стекле, таком, казалось бы, однородном по внешнему облику, нет закономерного расположения атомов. В действительности стекло представляет собой трехмерную мозаику атомов, как-то собранных вместе, но настолько незакономерно, что это их случайное расположение создает видимость совершенно правиль-пого устройства. Наука использует слово «стекло» в этом широком значений. По сути дела, два вещества могут иметь один и тот же химический состав, Но одно будет кристаллическим, а другое — стекловатым. Например, кварц, если его нагревать до высокой температуры, может расплавиться и превратиться в стекло. Различие между двумя типами структур можно сравнить с различием мёжДу батальоном солдат, выстроенных для парада, и простой толпой людей.
В природе встречаются разные виды стекла. Раньше всех стал известен обсидиан, который представляет собой стекло, образовавшееся при быстром остывании лавы, извергавшейся из действующего вулкана. Под названием «тектиты» объединяются таинственные кусочки зеленоватого стекла, обнаруженные в разных местах земного шара и известные как молдавйт, австралит или биллитонит (по названию местности). Поскольку тектиты встречаются далеко от вулканических районов, они, очевидно, отличаются от обсидиана по происхождению. По их характерной форме можно предположить, что они попали на земную поверхность, пройдя через атмосферу, т. е. что они появились из внешнего пространства, однако они отличаются по. составу и физическим характеристикам от всех известных метеоритов, и никто никогда не видел, чтобы они падали с неба. Происхождение стекол-кремней, найденных в Ливийской пустыне (Северная Африка) в виде крупных кусков, все еще неизвестно. Стекла-кремни гораздо более неправильной формы, встречающиеся близ некоторых метеоритных кратеров,— это результат плавления песка под действием тепла, выделяющегося при падении крупных метеоритов. Можно считать, что как тектиты, так и стекла-кремни Ливийской пустыни образовались при сильном нагреве, но источник тепла остается пока неизвестным.
Класс минералов, не относящихся ни к кристаллическим, ни к стекловатым, представлен опалом. Когда горячие подземные воды с растворенным в них кремнеземом достигают поверхности, из них благодаря быстрому охлаждению и испарению выпадает студенистый кремнистый осадок с переменным содержанием воды, который и превращается в минерал, известный под названием «опал». В дальнейшем в нем может происходить кристаллизация, но образующиеся при этом кристаллы обычно настолько мелкие, что в оптическом отношении опал ведет себя так, как если бы он был совершенно аморфным, хотя с помощью рентгеновских лучей можно обнаружить в нем частично раскристаллизованную структуру.
.
б. Морфология кристаллов.
Природные кристаллы, за малым исключением, имеют гладкие кристаллические грани. В небольших кристаллах эти грани оптически плоские и дают четкие отражения предметов (как в оконном стекле); у более крупных кристаллов грани часто бывают не такими совершенными, и отражения в них оказываются несколько размытыми. Плоские грани — это внешнее выражение правильности внутреннего расположения атомов, характеризующего кристаллическое состояние вещества. Наука, изучающая, как происходит развитие этих естественных граней и как они размещаются в пространстве, представляет собой отрасль кристаллографии и называется морфологией кристаллов. Знание морфологии драгоценных минералов часто необходимо для определения таких камней в необработанном состоянии; это знание имеет также большое значение для мастера, желающего провести наилучшую огранку камня.
1. Симметрия кристаллов.
В хорошо сформированных кристаллах, например в кристаллах граната (рис. 1) или циркона (рис. 2), хорошо видны системы подобных другу другу граней. Расположение этих подобных граней определяет симметрию кристалла (а в конечном счете — сим метршо его внутренней атомной структуры). Все кристаллы одного и того же вещества имеют одинаковую симметрию, но у кристаллов разных веществ симметрия может быть очень различной. Так, гранат имеет очень высокую симметрию, циркон — несколько меньшую, а ортоклаз (рис. 3) и аксинит (рис. 4) — еще более низкую симметрию. Элементы симметрии, присущие кристаллам,
делятся на три типа. В приведенных до сих пор примерах каждой грани кристалла соответствует подобная и параллельная грань на его противоположной стороне, и о таких кристаллах говорят, что у них имеется центр симметрии. Однако в ряде веществ рост кристаллов происходит в общем случае так, что по меньшей мере некоторые грани не имеют параллельных одинаковых граней,— у них нет центра симметрии. Примерами могут служить кристаллы сфалерита (рис. 5) и турмалина (рис. 6).
Второй элемент симметрии—плоскость Симметрии. Такой плоскостью кристалл можно мысленно разделить на две совершенно одинаковые части, но кристаллографическое понимание плоскости симметрии отличается от чисто геометрического одним важным ограничением. Две части кристалла не только должны быть одинаковыми, но они должны располагаться относительно плоскости симметрии как предмет и его зеркальное отражение. Таким образом, если в простом кубе (рис. 7) существуют диагональные плоскости симметрии, располагающиеся под прямыми углами к каждой квадратной грани, то в прямоугольном параллелепипеде (риС. 8) плоскостей кристаллографической симметрии, которые занимали бы диагональное положение, нет. Количество хорошо выраженных плоскостей симметрии изменяется от одного вещества к другому it широких пределах. В простом кубе мы видим 9 плоскостей симметрии: три плоскости одного вида проходят параллельно граням куба (рис. 9) и шесть — диагонально (рис. 7).
Рис. 9, Три главные плоскости симметрии в кубе,
Рис. 8. Диагональная плоскость в прямоугольном параллелепипеде не является кристаллографической плоскостью симметрии,
Рис. 10. Единственная плоскость симметрии в кристалле ортоклаза.
В ортоклазе имеется одна плоскость симметрии (рис. 10), а в кварце (рис. 11) и акошште (рис. 4) нет ни одной.
Рис. 11, Кристалл кварца,
Третий элемент кристаллографической симметрии — ось симметрии. Если кристалл поворачивается вокруг такой оси, он совмещается сам с собой за полный оборот п раз; число п называется порядком оси. В кристаллах бывают оси симметрии четырех разных порядков:.
при п=2 совмещение происходит через 180° — это.
ось 2-го порядка (двойная ось);.
при п=3 совмещение происходит через 120° — это.
ось 3-го порядка (тройная ось);.
при п—4 совмещение происходит через 90° — это ось.
4-го порядка (тетрагональная ось);.
при п=6 совмещение происходит через 60° — это ось 6-го порядка (гексагональная ось).
Как и в отношении плоскостей симметрии, различные вещества могут иметь самые разнообразные сочетания осей симметрии. В то время как простой куб имеет три оси 4-го порядка, четыре оси 3-го порядка и шесть осей 2-го порядка, ортоклаз, с его единственной плоскостью симметрии, имеет только одну ось 2-го порядка; у кианита вообще нет осей симметрии. Различные сочетания осей симметрии дают основу для классификации кристаллов, но перед тем, как обратиться к этой классификации, рассмотрим некоторые другие требующие внимания аспекты морфологии кристаллов.
2. Форма и габитус.
Хотя все кристаллы одного и того же вещества должны иметь одно и то же сочетание элементов симметрии, это не означает, что облик всех кристаллов будет одинаковым. Гранат, обладающий такой же симметрией, как и простой куб (13 осей, 9 плоскостей и
центр), часто встречается в виде кристаллов, форма которых показана на рис. 12, с 12 ромбическими гранями, т. е. в виде ромбододекаэдров. Встречаются также тела с 24 гранями (рис. 13) — икоситетраэдры (трапецоэдры), и эти два вида кристаллов описываются как различные простые формы.
Простую форму можно точно определить как «совокупность граней, отвечающую данной симметрии, если дана одна грань». Предположим, например, что некоторое вещество имеет такую структуру, которая создает гексагональную ось симметрии, нормальную к плоскости симметрии (такой вид симметрии характерен для кристаллов апатита). Грань, наклонная как к оси, так и к плоскости, будет повторяться вокруг оси шесть раз, и эти шесть граней отразятся по другую сторону плоскости, так что в итоге образуется форма гексагональной бипирамиды (рис. 14). Однако если заданная грань параллельна гексагональной оси, она располагается под прямым углом к плоскости симметрии, и поэтому она при повторении по другую сторону плоскости не образует новой
Рис, 14. Гексагональная бипирамида.
грани; в результате образуется гексагональная призма (рис. 15), которая открыта по торцам (открытая форма) и не может поэтому существовать в кристалле сама по себе. Грань, расположенная под прямым углом к гексагональной оси, повторяется только по другую сторону плоскости симметрии; эти две грани создают другую открытую форму — пинакоид (от греч. jxtvod;— доска). В этой группе симметрии возможны только три вида форм, и все кристаллы, принадлежащие к данной группе, образованы различными сочетаниями этих форм.
Рис. 15, Гексагональная призма,
Вернемся на короткое время к анализу формы граната, кристаллы которого в ряде случаев имеют облик, показанный на рис. 16 или 17. На первый взгляд нелегко увидеть связь этих 36-гранных тел с боЛее простыми многогранниками, изображенными на рис. 12 и 13. Фактически оба тела — комбинации форм, показанных на рис. 12 и 13. Крупные грани на рис. 16 — это грани икоситетра-эдра, а малые—грани ромбододекаэдра. Крупные грани на рис. 17 легко распознаются как грани ромбододекаэдра, ребра которого осложнены узкими гранями, принадлежащими икоситетраэдру. Такие вариации облика различных кристаллов одного и того же вещества называются вариациями габитуса, который зависит от относительного развития различных форм. Кристаллы, показанные как на рис. 12, так и на рис. 17, имеют додекаэдрический га-
Рис. 17. Кристалл граната, отличающийся но габитусу от кристалла, ноказанного на рис. 16,.
битус, а кристаллы, изображенные на рис. 13 и 16,— икоситет-раэдрический габитус. На рис. 18 показаны три кристалла апатита с разным габитусом: 1) кристалл призматического габитуса,
Рис. 16. Кристалл граната, в котором сочетаются две кристаллографические формы.
оканчивающийся небольшими гранями нинакоида и одной гексагональной бипирамиды; 2) таблитчатый кристалл с гранями пи-накоида, тупой бипирамиды и мелкими гранями призмы; 3) кристалл таблитчатого габитуса более сложной формы, содержащий грани нескольких бипирамид. При изображении кристаллов на рисунках все грани одной формы иногда отмечаются одинаковыми буквами (как на некоторых рисунках в этом разделе), но, к сожалению, общепринятые принципы буквенного обозначения отсутствуют. Ввиду того что выражение «простая форма» в кристаллографии имеет специальное значение, надо тщательно следить за тем, чтобы не использовать его в общем значении, т. е. для описания общего облика кристалла, для чего существует особый термин— «габитус».
Характерная особенность многих из названных до сих пор кристаллов — тенденция к развитию комплексов граней, пересечения которых образуют серию параллельных ребер; такие комплексы граней называют зонами. Некоторые вещества, например
Рис. 19. Верхушка кристалла берилла,
Рис. 20. Кристалл эпидота,
Рис. 21, Таблитчатый кристалл рубина,
берилл (рис. 19) и эпидот (рис. 20), обычно образуют кристаллы, удлиненные вдоль ребер одной сильно развитой зоны и имеющие, как говорят, призматический габитус; при очень сильном удлинении возникает игольчатый (игловидный) габитус, как в иглах рутила, пронизывающих иногда кристаллы кварца. Четко выраженный уплощенный облик кристаллов с сильным развитием одной пары граней создает таблитчатый габитус, как у рубина (рис. 21), или пластинчатый габитус, как у некоторых кристаллов гематита.
Перед тем как снова обратиться к классификации кристаллов по симметрии, необходимо ввести еще одно определение. Термины «гексагональная призма» и «пинакоид» появляются в описании апатита в связи с особым отношением граней к элементам симметрии (грани призмы параллельны гексагональной оси и располагаются под прямым углом к плоскости симметрии; грани пинакои-да перпендикулярны этой оси и параллельны плоскости симметрии); этими терминами обозначаются так называемые особые формы. Эти простые формы характерны не только для этой группы симметрии; обе они могут получиться, например, путем симметричных операций и в той симметрии, где имеется тройная ось и центр симметрии (к этой группе принадлежит фенакит). Гексагональная бипирамида образуется за счет грани, лежащей косо по отношению к элементам симметрии (наклон граней зависит от структуры вещества, в данном случае — апатита), и представляет собой общую форму для этой группы элементов симметрии. Для каждой из возможных групп элементов симметрии характерна своя общая форма (хотя общая форма одной группы может оказаться особой формой в других группах).
.