Старт в науке. Кристаллы

Мал золотник, да дорог

(Об исследованиях Торричелли читайте

Замечательный французский мыслитель, писатель и ученый Блез Паскаль, современник Торричелли, понял, что на основе таких сообщающихся сосудов легко создать могучий «жидкий» подъемный кран или гидравлический пресс.

Для этого диаметр у одной из сообщающихся трубок необходимо сделать намного меньше, чем у другой. Тогда с помощью сравнительно небольшого давления, приложенного к малой трубке, можно передвинуть тяжелую массу жидкости в другом сосуде!

Принцип, предложенный Паскалем, лежит в основе самых современных гидравлических машин и аппаратов, позволяющих получать очень большие давления, необходимые, в частности, для «насильственного» соединения водорода с металлами.

Так, еще не зная атомной и молекулярной структуры тел, ученые прошлого обнаруживали удивительные особенности поведения веществ, которые удалось объяснить только в XX веке…

Чтобы проверить механические свойства материала для сложных конструкций, его растягивают в раскаленном состоянии.

В твердом теле атомы почти не меняются местами, если, конечно, не нагревать его. Нагрев сильно увеличивает быстроту и размах движений атомов около положений равновесия. При высокой температуре твердое тело можно расплавить или даже испарить.

Особую группу твердых тел составляют кристаллы, где атомы распределены в строгом геометрическом порядке. Существует много возможностей расположить атомы в правильные ряды, шеренги и составить из них разнообразные геометрические фигуры, хотя, как доказал еще в прошлом веке русский ученый Е, С. Федоров, наиболее устойчивых конструкций кристаллической решетки ровно 230. Все последующие проверки теории Федорова показали, что в природе не существует других, не предсказанных Федоровым стабильных кристаллических структур.

Строгая периодичность внутреннего строения кристаллов оказалась очень полезной для современной техники.

Свободный электрон, возникший в кристалле под воздействием на него температуры или света, может пройти гораздо большие расстояния, чем в обычном твердом теле, что очень важно при создании приборов для радиотехники.

Разнообразны кристаллы, существующие в природе! Снег, лежащий ранней зимой между кустами и деревьями, тоже состоит из крохотных кристалликов.

Свет проникает в кристалл глубже, чем в твердое тело того же химического состава, но состоящее из множества случайных, хаотично расположенных по отношению друг к другу атомных групп. И это свойство широко используется в оптике - лучшие линзы и призмы делаются, конечно, из кристаллов.

Обнаружены кристаллы, в которых после приложения давления на разных гранях возникают электрические заряды противоположного знака. И наоборот - после пропускания электрического тока эти кристаллы могут сильно сжиматься или расширяться.

Такие удивительные кристаллы, получившие название пьезо-кристаллов , сейчас широко применяются в электронной технике - ведь даже давление звуковой волны вызывает в них появление и ток электрических зарядов, который может быть легко обнаружен и передан по проводам…

Свойства кристаллов

Глубокое изучение свойств столь полезных кристаллов показало, что в них возможно достаточно свободное движение атомов. Более того - в кристаллах были найдены различные несовершенства, нарушения в правильном строении кристаллической решетки, пустоты, сдвиги атомов. Пользуясь этими нарушениями структуры, инородные примеси, посторонние металлические или газовые включения могут довольно глубоко проникнуть в кристалл, особенно когда его получают из расплава или раствора исходного вещества.

Именно поэтому прочность реальных кристаллов чаще всего в десятки, а то и в сотни раз меньше прочности, которой они должны были бы обладать по теоретическим расчетам.

Кристаллы-усы, увеличенные в 150 раз.Сплетенные с волокнами графита, стекла и полимеров кристаллические усы позволили получить новые материалы,легкие и очень прочные.

Около двадцати лет назад в нескольких лабораториях мира внимательные исследователи обнаружили под микроскопом, что на поверхности многих кристаллов самопроизвольно вырастают небольшие «усики». Но по атомным масштабам – это небоскребы, где высота в десятки и сотни раз превышает ширину основания.

Образование крохотных усиков (или, как их теперь называют, нитевидных кристаллов ) происходит за счет малозаметных передвижений атомов по поверхности кристалла. Ведь атомы поверхности опутаны электронными связями только с одной стороны - из глубины кристалла, и это дает им иногда возможность оторваться от соседей и двигаться. Такие блуждающие атомы начинают пристраиваться к случайному выступу на поверхности и окружают его. Рост выступа вверх происходит, как правило, по спирали. Образуется башня-конус, напоминающая устремленный в небо памятник III Интернационалу, символ братства народов, проект которого выполнил в двадцатых годах нашего столетия выдающийся художник и конструктор Владимир Татлин, Недавно проект этого памятника можно было видеть в залах Музея изобразительных искусств им. Пушкина в Москве.

Интересен механизм роста кристаллов-усиков , но самым необычным оказалось… полное отсутствие в них каких-либо дефектов. Прочность крохотных кристаллов в сотни раз превышала прочность массивных кристаллов, на поверхности которых они выросли, и полностью соответствовала теоретической.

Помню, когда в начале шестидесятых годов в одном из журналов появился мой обзор работ по нитевидным кристаллам-усикам, к нам в лабораторию стали приходить многочисленные посетители. Одних интересовали уникальные свойства новых материалов, других беспокоила возможность «незапланированного» роста кристаллов в радиотехнических схемах, где такие усики могли привести к внезапному выходу из строя электронных приборов.

Большую радость открытие нитевидных кристаллов вызвало у всех, кому необходимы прочные и легкие конструкционные материалы. Нитевидные кристаллы стали вплетать в полимерные волокна, соединять с металлами, чтобы получить канаты, ленты и трубы невиданной прочности и долговечности.

Лекция 16

Физические свойства кристаллов

Изучением структуры и физических свойств твердых тел занимается физика твердого тела. Она устанавливает зависимость физических свойств от атомной структуры вещества, разрабатывает методы получения и исследования новых кристаллических материалов, обладающих заданными характеристиками.

Физические свойства кристаллов определяются:

1) природой химических элементов, входящих в состав кристаллов;

2) типом химической связи;

3) геометрическим характером структуры, т. е. взаимным расположением атомов в кристаллической структуре;

4) несовершенством структуры, т. е. наличием дефектов.

С другой стороны, именно по физическим свойствам кристаллов мы обычно судим о типе химической связи.

О прочности кристаллов проще всего можно судить по их механическим и термическим свойствам. Чем прочнее кристалл, тем больше его твердость и тем выше его температура плавления. Если изучать изменение твердости с изменением состава в ряду однотипных веществ и сопоставлять полученные данные с соответствующими значениями для температур плавления, то можно заметить «параллелизм» в изменении этих свойств.

Напомню, что самой характерной особенностью физических свойств кристаллов является их симметрия и анизотропия . Анизотропная среда характеризуется зависимостью измеряемого свойства от направления измерения.

Мы уже говорили, что кристаллохимия тесно связана с кристаллографией и физикой. Поэтому, основной задачей кристаллофизики (раздела кристаллографии, изучающего физические свойства кристаллов) является изучение закономерностей физических свойств кристаллов от их строения, а также зависимости этих свойств от внешних воздействий.

Физические свойства веществ можно подразделить на две группы: структурно чувствительные и структурно нечувствительные свойства. Первые зависят от атомной структуры кристаллов, вторые - главным образом от электронного строения и типа химической связи. Примером первых могут служить механические свойства (масса, плотность, теплоемкость, температура плавления и др.), примером вторых - тепло - и электропроводность , оптические и др. свойства.

Так, хорошая электропроводность металлов, обусловленная наличием свободных электронов, будет наблюдаться не только в кристаллах, но и в расплавленных металлах.

Ионный характер связи проявляется, в частности, в том, что многие соли, например, галогениды щелочных металлов, растворяются в полярных растворителях, диссоциируя на ионы. Однако факт отсутствия растворимости не может еще служить доказательством наличия у соединения неполярной связи. Так, энергия связи, например, у оксидов настолько больше энергии связи щелочных галогенидов, что диэлектрическая постоянная воды уже недостаточна для отрыва ионов от кристалла.

Кроме того, некоторые соединения, преимущественно с гомеополярным типом связи, под влиянием большой диэлектрической постоянной полярного растворителя могут в растворе диссоциировать на ионы, хотя в кристаллическом состоянии ионными соединениями они могут и не быть (например НСl, НВr).

В гетеродесмических соединениях некоторые свойства, например механическая прочность соединений, зависят только от одного (слабейшего) типа связи.

Поэтому, кристалл можно рассматривать, с одной стороны, как прерывистую (дискретную) среду. С другой стороны – кристаллическое вещество можно рассматривать как сплошную анизотропную среду. В этом случае физические свойства, проявляющиеся в определенном направлении, не зависят от трансляций (переносов). Это позволяет описывать симметрию физических свойств с помощью точечных групп симметрии.

Описывая симметрию кристалла, мы принимаем во внимание только внешнюю форму, т. е. рассматривает симметрию геометрических фигур. П. Кюри показал, что симметрия материальных фигур описывается бесконечным числом точечных групп, которые в пределе стремятся к рассмотренным ранее семи предельным группам симметрии (семейства вращающегося конуса, неподвижного конуса, вращающегося цилиндра, скрученного цилиндра, неподвижного цилиндра, семейства шара с вращающимися точками поверхности, семейства неподвижного шара).

Предельными точечными группами ‑ группами Кюри – называются точечные группы, содержащие оси бесконечных порядков. Существует всего семь предельных групп: ¥, ¥mm, ¥/m, ¥22, ¥/mm, ¥/¥, ¥/¥mm.

Связь между точечной группой симметрии кристалла и симметрией его физических свойств сформулировал немецкий физик Ф. Нейманн: материал в отношении физических свойств обнаруживает симметрию того же рода, что и его кристаллографическая форма. Это положение известно как принцип Неймана.

Ученик Ф. Немана немецкий физик В. Фойгт существенно уточнил указанный принцип и сформулировал его следующим образом: группа симметрии любого физического свойства должна включать в себя все элементы точечной группы симметрии кристалла.

Рассмотрим некоторые физические свойства кристаллов.

Плотность кристаллов.

Плотность вещества зависит от кристаллической структуры вещества, его химического состава, коэффициента упаковки атомов, валентностей и радиусов слагающих ее частиц.

Плотность изменяется с изменением температуры и давления, т. к. эти факторы вызывают расширение или сжатие вещества.

Зависимость плотности от структуры можно продемонстрировать на примере трех модификаций Al2SiO5:

· андалузит (r = 3,14 – 3,16 г/см3);

· силлиманит (r = 3,23 – 3,27 г/см3);

· кианит (r = 3,53 – 3,65 г/см3).

С увеличением коэффициента упаковки кристаллической структуры плотность вещества возрастает. Например, при полиморфном переходе графита в алмаз с изменением координационного числа атомов углерода с 3 до 4 соответственно возрастает и плотность от 2,2 до 3,5 г/см3).

Плотность реальных кристаллов обычно меньше, чем расчетная плотность (идеальных кристаллов) из-за присутствия дефектов в их структурах. Плотность алмаза, например, колеблется в пределах 2,7 – 3,7 г/см3. Таким образом, по уменьшению реальной плотности кристаллов можно судить о степени их дефектности.

Плотность изменяется и с изменением химического состава вещества при изоморфных замещениях – при переходе от одного члена изоморфного ряда к другому. Например, в ряду оливинов (Mg , Fe 2+ )2[ SiO 4 ] плотность возрастает по мере замены катионов Mg2+ на Fe2+ от r = 3,22 г/см3 у форстерита Mg 2 [ SiO 4 ] до r = 4,39 г/см3 у фаялита .

Твердость.

Под твердостью подразумевается степень сопротивления кристалла внешнему воздействию. Твердость не является физической постоянной. Ее величина зависит не только от изучаемого материала, но и от условий измерения.

Твердость зависит от:

· типа структуры;

· коэффициента упаковки (удельного веса);

· заряда образующих кристалл ионов.

Например, полиморфные модификации CaCO3 – кальцит и арагонит – имеют плотности 3 и 4 соответственно и отличаются разной плотностью их структур:

· для структуры кальцита с КЧСа = 6 ‑ r = 2,72;

· для структуры арагонита с КЧСа = 9 ‑ r = 2,94 г/см3).

В ряду одинаково построенных кристаллов твердость возрастает у увеличением зарядов и уменьшением размеров катионов. Присутствие в структурах достаточно крупных анионов типа F-, OH-, молекул Н2О понижает твердость.

Грани разных форм кристаллов обладают различной ретикулярной плотностью и отличаются по своей твердости. Так, наибольшей твердостью в структуре алмаза обладают грани октаэдра (111), имеющие большую ретикулярную плотность по сравнению с гранями куба (100).

Способность к деформации.

Способность кристалла к пластической деформации определяется, прежде всего, характером химической связи между его структурными элементами.

Ковалентная связь , обладающая строгой направленностью, резко ослабевает уже при незначительных смещениях атомов относительно друг друга. Поэтому кристаллы с ковалентным типом связи (Sb, Bi, As, se и др.) не проявляют способность к пластической деформации.

Металлическая связь не имеет направленного характера и при смещении атомов относительно друг друга меняется слабо. Это определяет высокую степень пластичности металлов (ковкость). Наиболее ковкими являются те металлы, структуры которых построены по закону кубической плотнейшей упаковки, имеющей четыре направления плотноупакованных слоев. Менее ковки металлы с гексагональной плотнейшей упаковкой – с одним направлением плотнейших слоев. Так, среди полиморфных модификаций железа a-Fe и b-Fe ковкостью почти не обладают (решетка I типа), тогда как g-Fe с кубической плотнейшей упаковкой (гранецентрированная кубическая решетка) – ковкий металл как Cu, Pt, Au, Ag и др.

Ионная связь не имеет направленного характера. Поэтому типичные ионные кристаллы (NaCl, CaF2, CaTe и др.) такие же хрупкие, как кристаллы с ковалентной связью. Но в то же время они обладают достаточно высокой пластичностью. Скольжение в них протекает оп определенным кристаллографическим направлениям. Это объясняется тем, что в структуре кристалла можно выделить сетки (110), образованные либо одними ионами Na+, либо ионами Cl-. При пластической деформации одна плоская сетка передвигается относительно соседней таким образом, что ионы Na+ скользят вдоль ионов Cl-. Разноименность зарядов ионов в соседних сетках препятствует разрыву, и они остаются параллельными своему исходному положению. Скольжение вдоль этих слоев протекает при минимальном нарушении в расположении атомов и является наиболее легким.

Тепловые свойства кристаллов.

Теплопроводность тесно связана с симметрией. Наиболее наглядно это можно продемонстрировать на следующем опыте. Покроем тонким слоем парафина грани трех кристаллов: куба, гексагональной призмы, прямого параллелепипеда. Острием тонкой раскаленной иглы прикоснемся к каждой из граней этих кристаллов. По очертаниям пятен плавления можно судить о скорости распространения теплоты на плоскостях граней по различным направлениям.

На кристалле кубической сингонии контуры пятен плавления на всех гранях будут иметь форму круга, что указывает на одинаковую скорость распространения теплоты по всем направлениям от точки касания горячей иглой. Форма пятен в идее кругов на всех гранях кубического кристалла связана с его симметрией.

Форма пятен на верхней и нижней гранях гексагональной призмы будет также иметь форму круга (скорость распространения теплоты в плоскости, перпендикулярной главной оси кристалла средней категории одинакова по всем направлениям). На гранях гексагональной призмы пятна плавления будут иметь форму эллипсов, так как перпендикулярно этим граням проходят оси 2-го порядка.

На всех гранях прямого параллелепипеда (кристалл ортогональной сингонии) пятна плавления будут иметь форму эллипса, т. к. перпендикулярно этим граням проходят оси 2-го порядка.

Итак, скорость распространения теплоты по телу кристалла находится в прямой зависимости от того, вдоль какого линейного элемента симметрии она распространяется. В кристаллах кубической сингонии поверхность распространения теплоты будет иметь форму сферы. Следовательно, в отношении теплопроводности кристаллы кубической сингонии являются изотропными, т. е. по всем направлениям равносвойственными. Поверхность теплопроводности кристаллов средней категории выражается эллипсоидом вращения (параллельно главной оси). В кристаллах низшей категор ии все поверхности теплопроводности имеют форму эллипсоида.

Анизотропия теплопроводности тесно связана со структурой кристаллического вещества. Так, наиболее плотным атомным сеткам и рядам соответствуют большие значения теплопроводности. Поэтому слоистые и цепочечные кристаллы имеют большие различия в направлениях теплопроводности.

Теплопроводность зависит также от степени дефектности кристалла – у более дефектных кристаллов она ниже, чем у синтетических. Вещество в аморфном состоянии обладает более низкой теплопроводностью, чем кристаллы того же состава. Например, теплопроводность кварцевого стекла значительно ниже теплопроводности кристаллов кварца. На этом свойстве основано широкое применение посуды из кварцевого стекла.

Оптические свойства.

Каждое вещество с определенной кристаллической структурой характеризуется своеобразными оптическими свойствами. Оптические свойства тесно связаны с кристаллическим строением твердых тел, его симметрией.

В отношении оптических свойств все вещества можно разделить на оптически изотропные и анизотропные. К первым относятся аморфные тела и кристаллы высшей категории, ко вторым – все остальные. В оптически изотропных средах световая волна, представляющая собой совокупность поперечных гармонических колебаний электромагнитной природы, распространяется с одинаковой скоростью во всех направления. При этом колебания вектора напряженности электрического и магнитного полей происходят также по всевозможным направлениям, но в плоскости, перпендикулярной направлению луча. Вдоль его направления происходит передача световой энергии. Такой свет называется естественным или неполяризованным (рисунок а, б).

В оптически анизотропных средах скорости распространения волны в разных направлениях могут быть различными. При определенных условиях может быть получен так называемый поляризованный свет , для которого все колебания вектора электрического и магнитного полей проходят в строго определенном направлении (рисунок в, г). На поведении такого поляризованного света в кристаллах основана методика кристаллооптических исследований с помощью поляризационного микроскопа.

Двойное лучепреломление света в кристаллах.

линейно поляризованным с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Разложение света на два поляризованных луча называется двойным лучепреломлением или двупреломлением.

Двупреломление света наблюдается в кристаллах всех сингоний, за исключением кубической. В кристаллах низшей и средней категории двупреломление происходит по всем направлениям, за исключением одного или двух направлений, называемых оптическими осями .

Явление двупреломления связано с анизотропией кристаллов. Оптическая анизотропность кристаллов выражается в том, что скорость распространения света в них различна по разным направлениям.

В кристаллах средней категории среди множества направлений оптической анизотропии существует одно единичное направление – оптическая ось , совпадающее с главной осью симметрии 3-го, 4-го, 6-го порядков. Вдоль этого направления свет идет не раздваиваясь.

В кристаллах низшей категории имеется два направления, вдоль которых свет не раздваивается. Сечения кристаллов, перпендикулярные этим направлениям, совпадают с оптически изотропными сечениями.

Влияние структурных особенностей на оптические свойства.

В кристаллических структурах со слоями из плотноупакованных атомов расстояние между атомами внутри слоя превышают расстояние между ближайшими атомами, расположенными в соседних слоях. Подобная упорядоченность приводит к более легкой поляризации, если вектор напряжения электрического поля световой волны будет параллелен плоскости слоев.

Электрические свойства.

Все вещества можно разделить на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Некоторые кристаллы (диэлектрики) поляризуются под влиянием внешних воздействий. Способность диэлектриков поляризоваться – одно из их фундаментальных свойств. Поляризация – это процесс, связанный с созданием в диэлектрике под действием внешнего электрического поля электрических диполей.

В кристаллографии и физике твердого тела важное теоретическое практическое значение получили явления пьезоэлектричества и пироэлектричества.

Пьезоэлектрический эффект – изменение поляризации некоторых диэлектрических кристаллов при механической деформации. Величина возникших зарядов пропорциональна приложенной силе. Знак заряда зависит от типа кристаллической структуры. Пьезоэлектрический эффект возникает только в кристаллах, лишенных центра инверсии, т. е. имеющих полярные направления. Например, кристаллы кварца SiO2, сфалерита (ZnS).

Пироэлектрический эффект – появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов при их нагревании или охлаждении. Пироэлектрический эффект возникает только в диэлектрических кристаллах с единственным полярным направлением, противоположные концы которого не могут быть совмещены ни одной операцией данной группы симметрии. Появление электрических зарядов может происходить только по определенным, полярным направления. Грани, перпендикулярные этим направлениям, получают разные по знаку заряды: одна – положительный, а другая – отрицательный. Пироэлектрический эффект может возникнуть в кристаллах, относящихся к одному из полярных классов симметрии: 1, 2, 3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm.

Из геометрической кристаллографии следует, что направления, проходящие через центр симметрии, не могут быть полярными. Не могут быть полярными и направления, перпендикулярные плоскостям симметрии или осям четного порядка.

В классе пироэлектриков выделяют два подкласса. К первому относятся линейные пироэлектрики, у которых во внешнем поле электрическая поляризация линейно зависит от напряженности электрического поля. Например, турмалин NaMgAl3B3.Si6(O, OH)30.

Кристаллы второго подкласса называются сегнетоэлектриками. У них зависимость поляризации от напряженности внешнего поля носит нелинейный характер и поляризуемость зависит от величины внешнего поля. Нелинейная зависимость поляризации от напряженности электрического поля характеризуется петлей гистерезиса. Эта особенность сегнетоэлектриков предполагает сохранение у них электрической поляризации в отсутствии внешнего поля. Благодаря этому кристаллы сегнетовой соли (отсюда название сегнетоэлектрики) оказались надежными хранителями электрической энергии и регистраторами электрических сигналов, что позволяет их использовать в «ячейках памяти» ЭВМ.

Магнитные свойства.

Это способность тел взаимодействовать с магнитным полем, т. е. намагничиваться при помещении их в магнитное поле. В зависимости от величины магнитной восприимчивости различают диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные и антиферромагнитные кристаллы.

Магнитные свойства всех веществ зависят не только от особенностей их кристаллической структуры, но и от природы слагающих их атомов (ионов), т. е. магнетизм определяется электронным строением оболочек и ядер, а также орбитальным движением вокруг них электронов (спинами).

При внесении атома (иона) в магнитное поле изменяется угловая скорость движения электронов на орбите за счет того, что на первоначальное вращательное движение электронов вокруг ядра накладывается дополнительное вращательное движение, в результате чего атом получает дополнительный магнитный момент. При этом если все электроны с противоположными спинами в атоме сгруппированы попарно (рисунок А), то магнитные моменты электронов оказываются скомпенсированными и их суммарный магнитный момент будет равен нулю. Такие атомы называются диамагнитными, а вещества, состоящие из них – диамагнетиками . Например, инертные газы, металлы В-подгрупп – Cu, Ag, Au, Zn, Cd, большинство ионных кристаллов (NaCl, CaF2), а также вещества с преобладающей ковалентной связью – Bi, Sb, Ga, графит. В кристаллах со слоистыми структурами магнитная восприимчивость для направлений, лежащих в слое, значительной превышает таковую для перпендикулярных направлений.

При заполнении электронных оболочек в атомах электроны стремятся быть неспаренными. Поэтому существует большое количество веществ, магнитные моменты электронов, в атомах которых, расположены беспорядочно и при отсутствии внешнего магнитного поля в них не происходит самопроизвольная ориентация магнитных моментов (рисунок Б). Суммарный магнитный момент, обусловленный несвязанными попарно и слабо взаимодействующими друг с другом электронами, будет постоянным, положительным или несколько большим, чем у диэлектриков. Такие атомы называются магнитными, а вещества – парамагнетиками . При внесении парамагнетика в магнитное поле разориентированные спины приобретут некоторую ориентировку, в результате чего наблюдаются три типа упорядочения нескомпенсированных магнитных моментов – три типа явлений: ферромагнетизм (рисунок В), антиферромагнетизм (рисунок Г) и ферримагнетизм (рисунок Д).

Ферромагнитными свойствами обладают вещества, магнитные моменты атомов (ионов) которых направлены параллельно друг другу, в результате чего внешнее магнитное поле может усилиться в миллионы раз. Название группы связано с присутствием в ней элементов подгруппы железа Fe, Ni, Co.

Если магнитные моменты отдельных атомов антипараллельны и равны, то суммарный магнитный момент атомов равен нулю. Такие вещества называются антиферромагнетиками. К ним относятся оксиды переходных металлов – MnO, NiO, CoO, FeO, многие фториды, хлориды, сульфиды, селениды и др.

При неравенстве антипараллельных моментов атомов структуры кристаллов суммарный момент оказывается отличным от нуля и такие структуры обладают спонтанной намагниченность. Подобными свойствами обладают ферриты (Fe3O4, минералы группы граната).

Твердые тела разделяют на аморфные тела и кристаллы. Отличие вторых от первых состоит в том, что атомы кристаллов располагаются согласно некоторому закону, образуя тем самым трехмерную периодическую укладку, что называется – кристаллическая решетка.

Примечательно, что название кристаллов происходит от греческих слов «застывать» и «холод», и во времена Гомера этим словом называли горный хрусталь, который тогда считался «застывшим льдом». Сперва данным термином называли лишь ограненные прозрачные образования. Но позже, кристаллами стали звать также непрозрачные и не ограненные тела природного происхождения.

Кристаллическая структура и решетка

Идеальный кристалл представляется в виде периодически повторяющихся одинаковых структур – так называемых элементарных ячеек кристалла. В общем случае, форма такой ячейки – косоугольный параллелепипед.

Следует различать такие понятия как кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Первая – это математическая абстракция, изображающая регулярное расположение неких точек в пространстве. В то время как кристаллическая структура – это реальный физический объект, кристалл, в котором с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов или молекул.

Кристаллическая структура граната — ромб и додекаэдр

Основным фактором, определяющим электромагнитные и механические свойства кристалла, является строение элементарной ячейки и атомов (молекул), связанных с ней.

Анизотропия кристаллов

Главное свойство кристаллов, отличающее их от аморфных тел – это анизотропия. Это означает, что свойства кристалла различны, в зависимости от направления. Так, например, неупругая (необратимая) деформация осуществляется лишь по определенным плоскостям кристалла, и в определенном направлении. В связи с анизотропией кристаллы по-разному реагируют на деформацию в зависимости от ее направления.

Однако, существуют кристаллы, которые не обладают анизотропией.

Виды кристаллов

Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на все тело. Такие тела являются однородными и имеют непрерывную кристаллическую решетку. Обычно, такой кристалл обладает ярко выраженной огранкой. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварца.

Немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень маленьких монокристаллов — кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называется поликристаллическим. Поликристаллы зачастую не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границу. К поликристаллам относятся такие вещества как металлы и сплавы, керамики и минералы, а также другие.

Рассматривая различные кристаллы мы видим, что все они разные по форме, но любой из них представляет симметричное тело. И действительно, симметричность - это одно из основных свойств кристаллов. Симметричными мы называем тела, которые состоят из равных одинаковых частей.

Все кристаллы симметричны. Это значит, что в каждом кристаллическом многограннике можно найти плоскости симметрии, оси симметрии, центры симметрии и другие элементы симметрии так, чтобы совместились друг с другом одинаковые части многогранника. Введем еще одно понятие относящиеся к симметрии - полярность.

Каждый кристаллический многогранник обладает определенным набором элементов симметрии. Полный набор всех элементов симметрии, присущих данному кристаллу называется классом симметрии. Их количество ограничено. Математическим путем было доказано, что в кристаллах существует 32 вида симметрии.

Рассмотрим более подробно виды симметрии в кристалле. Прежде всего, в кристаллах могут быть оси симметрии только 1, 2, 3, 4 и 6 порядков. Очевидно, оси симметрии 5, 7-го и выше порядков не возможны, потому что при такой структуре атомные ряды и сетки не заполнят пространство непрерывно, возникнут пустоты, промежутки между положениями равновесия атомов. Атомы окажутся не в самых устойчивых положениях и кристаллическая структура разрушится.

В кристаллическом многограннике можно найти разные сочетания элементов симметрии - у одних мало, у других много. По симметрии, прежде всего по осям симметрии, кристаллы делятся на три категории.

К высшей категории относятся самые симметричные кристаллы, у них может быть несколько осей симметрии порядков 2, 3 и 4, нет осей 6-го порядка, могут быть плоскости и центры симметрии. К таким формам относятся куб, октаэдр, тетраэдр и др. Им всем присуща общая черта: они примерно одинаковы во все стороны.

У кристаллов средней категории могут быть оси 3, 4 и 6 порядков, но только по одной. Осей 2 порядка может быть несколько, возможны плоскости симметрии и центры симметрии. Формы этих кристаллов: призмы, пирамиды и др. Общая черта: резкое различие вдоль и поперек главной оси симметрии.

Из кристаллов к высшей категории относятся: алмаз, кварцы, гранаты германий, кремний, медь, алюминий, золото, серебро, серое олово вольфрам, железо; к средней категории - графит, рубин, кварц, цинк, магний, белое олово, турмалин, берилл; к низшей - гипс, слюда, медный купорос, сегнетовая соль и др. Конечно в этом списке не были перечислены все существующие кристаллы, а только наиболее известные из них.

Категории в свою очередь разделяются на семь сингоний. В переводе с греческого «сингония» означает «сходноугольство». В сингонию объединяются кристаллы с одинаковыми осями симметрии, а значит, со сходными углами поворотов в структуре.

Сначала стоит упомянуть два основных свойства кристаллов. Одним из них является анизотропия. Под этим термином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления. Вместе с тем кристаллы являются телами однородными. Однородность кристаллического вещества состоит в том, что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по свойствам.

Поговорим сначала об электрических свойствах. В принципе электрические свойства кристаллов можно рассматривать на примере металлов, так как металлы, в одном из состояний, могут представлять собой кристаллические агрегаты. Электроны, свободно передвигаясь в металле, не могут выйти наружу, для этого нужно затратить энергию. Если при этом затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает так называемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и в монокристаллах. Вырванный из молекулярной орбиты электрон, оставаясь внутри кристалла, обуславливает у последнего металлическую проводимость (внутренний фотоэлектрический эффект). В нормальных же условиях (без облучения) такие соединения не являются проводниками электрического тока.

Поведением световых волн в кристаллах занимался Э. Бертолин, который первый заметил, что волны ведут себя нестандартно при прохождении через кристалл. Однажды Берталин зарисовывал двугранные углы исландского шпата, затем он положил кристалл на чертежи, тогда ученый в первый раз увидел, что каждая линия раздваивается. Он несколько раз убедился, что все кристаллы шпата раздваивают свет, лишь тогда Берталин написал трактат «Опыты с двупреломляющим исландским кристаллом, которые привели к открытию чудесного и необыкновенного преломления» (1669г.). Ученый разослал результаты своих опытов в несколько стран отдельным ученым и академиям. Работы были приняты с полным недоверием. Английская Академия наук выделила группу ученых на проверку данного закона (Ньютон, Бойль, Гук и др.). Эта авторитетная комиссия признала явление случайным, а закон несуществующим. О результатах опытов Берталина было забыто.

Лишь через 20 лет Христиан Гюйгенс подтвердил правильность открытие Берталина и сам открыл двупреломление в кварце. Многие ученые, в последствии занимавшиеся этим свойством подтвердили, что не только исландский шпат, но и многие другие кристаллы раздваивают свет.

Не раздваивают свет кристаллы высшей категории такие как алмаз, каменная соль, квасцы, гранаты, флюорит. У них вообще анизотропия многих свойств проявляется слабее, чем в остальных кристаллах а некоторые свойства изотропны. Во всех кристаллах низшей и средней категорий, если они прозрачны, наблюдается двойное преломление света.

Преломление возникает из-за различия скорости света в разных средах. Так в стекле скорость света в 1,5 раза меньше, чем в воздухе, следовательно, коэффициент преломления равен 1,5.

Причиной двупреломления является анизотропия скорости света в кристаллах. В изотропной среде волны расходятся во все стороны одинаково, как бы по радиусам шара. В кристаллах же световые и звуковые волны расходятся не кругами, и скорость этих волн, а значит и показатели преломления, в разных направлениях различны.

Представим, что в кристалле луч света раздваивается, один ведет себя как «обыкновенный», т.е. идет во все стороны по радиусам шара, другой - «необыкновенный» - идет по радиусам эллипсоида. В таком кристалле существует одно-единственное направление, в котором двупреломления нет. Обыкновенный и необыкновенный лучи идут вместе, луч света не раздваивается. Оно называется оптической осью. Так ведут себя по отношению к свету кристаллы средней категории, поэтому их называют оптически одноосными. В кристаллах низшей категории свет тоже испытывает двойное преломление, но уже оба луча ведут себя как необыкновенные, у обоих показатели преломления во всех направлениях разные и оба распространяются по радиусам эллипсоида. Кристаллы низшей категории называются оптически двуосными. Кристаллы высшей категории, где свет расходится по радиусам шара во все стороны одинаково, называются оптически изотропны.

Проходя через двупреломляющий кристалл, волна света не только раздваивается, но каждый из образованных лучей еще и поляризуется, раскладываются на две плоскости перпендикулярных друг другу. Волна ведет себя подобным образом, т.к. она должна пройти сквозь атомную решетку, ряды которой лежат перед ней. Поэтому она распадается в кристалле на две волны, у которых плоскости колебаний взаимно перпендикулярные.

Такие свойства твёрдых тел как упругость, прочность, поверхностное натяжения определяются силами взаимодействия между атомами и строением кристаллов. Изучая силы межатомного взаимодействия, можно, например, определить величину модуля упругости, предела прочности материала, энергии связи кристалла и коэффициента поверхностного натяжение.

Таким образом, оцениваются характеристики любых твёрдых тел, но проще всего это сделать для идеальных ионных кристаллов. В решетке таких кристаллов периодически чередуются положительные и отрицательные ионы. Для оценки, прежде всего, необходимо выяснить величину силу единичной межатомной связи, которая в ионных кристаллах определяется силой взаимодействия между двумя ионами.

Зависимость сил межатомного взаимодействия от расстояния между центрами атомов в твёрдых телах заключается в следующем:

1) Между атомами одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. Результирующая сила межатомного взаимодействия - сумма этих двух сил.

2) При уменьшении расстояния между атомами силы отталкивания нарастают значительно быстрее, чем силы притяжения, поэтому существует некоторое расстояние, при котором силы притяжения и силы отталкивания уравновешиваются и результирующая сила становится равной нулю. В кристалле, предоставленном самому себе, ионы располагаются именно на расстоянии r0 друг от друга. Если расстояние между атомами меньше равновесного (r меньше r0), то преобладают силы отталкивания, если (r больше r0), то преобладают силы притяжения.

Эти свойства межатомных сил позволяют условно рассматривать частицы, образующие кристалл как твердые упругие шары, взаимодействующие друг с другом. Деформация растяжения кристалла приводит к увеличению расстояния между центрами соседних шаров и преобладанию сил притяжения, а деформация сжатия - к уменьшению этого расстояния и преобладанию сил отталкивания.

Пределом прочности обычно называют наибольшее напряжение, которое может выдержать материал, не разрушаясь. При растяжении образца предел прочности определяется максимальной величиной результирующей силы межатомного притяжения, приходящейся на единицу площади сечения, перпендикулярного направлению растяжения.

Результирующая сила межатомного взаимодействия достигает максимального значения, когда центры атомов находятся на расстоянии r1 друг от друга. Когда растяжение ещё более увеличивается, силы взаимодействия становятся настолько малыми, что связи между атомами разрываются.

Современное человечество только в XVII веке заново открыло для себя кристаллы. Датой рождения кристаллографии - науки, занимающейся изучением кристаллов, принято считать 1669 г.
Хотя научная кристаллография зародилась в XVII веке, теоретические основы о строении кристаллов и способах их исследования были заложены лишь в XIX веке. В XX веке эти открытия нашли практическую реализацию в самых разных областях человеческой жизни. Кристаллы стали широко применяться в самых разных областях науки и техники. Будущее - тоже за ними.
Кристаллы окружают нас со всех сторон. Они - основа физического мира. Из них состоят почти все минералы, в том числе базальт, гранит, известняк и мрамор. Из них состоят все металлы и большинство неметаллов: каучук, кости, волосы, целлюлоза и многое другое.
Мы живем в мире кристаллов. Дома, пароходы, автобусы, самолеты, ракеты, ножи и вилки... - все состоит из них.
Даже в пищу потребляем кристаллические вещества: соль, сахар, не говоря уже о лекарствах в таблетках и порошках, которые мы принимаем во время болезни.
Нет на Земле такого места, где не было бы кристаллов. Да и во Вселенной они широко распространены, так как служат ее материальной основой.
В 1669 году датский врач Н. Стенон сделал важное открытие, он установил, что в кристаллах, образованных одним и тем же веществом, углы между соседними гранями всегда одинаковы, независимо от формы и размеров кристалла.
Это значит, что каждый кристалл имеет присущий только ему угол между гранями.
Это открытие вошло в кристаллографию как закон постоянства углов. Таким образом, если известен угол между гранями, то можно определить вещество кристалла, не прибегая к химическому или физическому анализу. Достаточно только сравнить их с углами известных кристаллов.
Кроме того, тот же Стенон впервые предложил замечательную версию, что кристаллы растут не изнутри, как это наблюдается у растений, а снаружи, путем наложения на внешние плоскости новых частиц.
Кристаллы состоят из атомов, ионов и молекул. Эти частицы располагаются в строго определенном порядке, образуя пространственную решетку. Атомы и ионы удерживаются в них силами притяжения и отталкивания. Они не стоят на месте, а непрерывно колеблются.
Каждый кристалл имеет свою характерную форму, зависящую не только от среды, в которой он вырос, но и от строения пространственной решетки. Форма решетки определяет и свойства самого кристалла. В этом отношении наиболее показателен пример алмаза и графита, пространственные решетки, которых образованы атомами одного и того же элемента - углерода.
Графит - минерал черного цвета, мягкий и пластичный, проводит электрический ток и устойчив к огню. И все потому, что решетка его состоит как бы из слоев, связь между которыми не такая прочная, как между отдельными атомами внутри этого слоя. Такие слои легко сдвинуть один относительно другого при легком нажиме, что мы и наблюдаем, когда пишем карандашом. Он, как мы уже догадались, и является графитом.
А вот алмаз - полная противоположность графиту. Он прозрачен, по прочности превосходит другие кристаллы, но не проводит ток и легко сгорает в струе кислорода. Он почти вдвое тяжелее графита. "Виновата" во всем этом его пространственная решетка. Она трехмерна, а каждый атом в ней крепко связан с четырьмя другими.
Кристаллы бывают твердыми телами и могут быть жидкими, если их молекулы обладают способностью ориентироваться в одном направлении "все вдруг" или группами-слоями или другими способами.
Наконец, "кристаллы" могут быть чисто энергетическими, невидимыми, но наука кристаллография такими "призраками" пока не занимается.
В кристалле грани пересекаются по ребрам, а ребра пересекаются в вершинах. Грани, ребра и вершины - обязательные элементы гранения.
Основные особенности кристаллов - однородность и плоскогранность. Таким образом, если кристаллы имеют плоские грани, то значит, состав их однороден. И наоборот: если вещество кристалла однородно, то оно имеет плоские грани.
Кристаллы могут издавать звуки, например, поющие пески. Это явление привлекает внимание путешественника, оказавшегося среди песчаных барханов пустыни Каракум или других пустынь.
Вдруг неведомо откуда раздаются невнятные звуки пения, но никого нет вокруг, только пески. Они издают звуки, когда при слабом ветре начинает сползать песчаный откос.
Поющие пески есть не только в пустынях. Гармоничные мелодии часто возникают, когда идешь по влажному песку на пляже.
Русский путешественник А. Елисеев оставил свои впечатления о Сахаре:
"...в раскаленном воздухе послышались какие-то чарующие звуки, довольно высокие, певучие, не лишенные гармонии, с сильным металлическим оттенком. Они слышались отовсюду, словно их производили невидимые духи пустыни...
Пустыня была безмолвна, но звуки летели и таяли в раскаленной атмосфере, возникая откуда-то сверху и пропадая будто бы в земле... То веселые, то жалостливые, то резкие и крикливые, то нежные и мелодические, они казались говором живых существ, но не звуками мертвой пустыни...
Никакие нимфы древних не могли придумать чего-либо более поразительного и чудесного, чем эти таинственные песни песков".
Всех, кто слышал песни песков, удивляет это явление, и многие пытались объяснить его. Например, древние египтяне считали, что такие звуки являются порождением духов пустыни, и были правы.
Современные ученные считают, что причина возникновения звуков может скрываться в самой структуре песчинки. В ней, как известно, много кварца и других кремнеземов.
Кварц - это окись кремния, наиболее распространенная в земной коре. Его кристаллы обладают рядом выдающихся свойств. Они богаты простыми, то есть замкнутыми, закрытыми формами. Здесь можно найти пирамиды, призмы, ромбоэдры, - более пятисот простых форм. Для кварца характерны образования двойников - симметричных сростков кристаллов.
Но не только многообразием внешних форм удивляет кварц. Его кристалл не имеет центра симметрии, а это верный признак, что он обладает пьезоэлектрическими свойствами.
Поэтому, если сжать кристалл, то на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, возникают разноименные электрические заряды: положительный - на одной грани, отрицательный - на другой.
Так механическая энергия с помощью кристалла кварца превращается в электрическую энергию. Если же снять механическую нагрузку с кристалла и начать его растягивать, то полярность зарядов на гранях меняется на противоположные заряды. И это происходит в кристалле кварца, который сам по себе является изолятором!
Это явление в кварцевых кристаллах было открыто в 1817 году французским кристаллографом Р. Гаюи, и повторно - в 1880 г. французскими учеными братьями Жаном и Пьером Кюри и названо пьезоэлектричеством. Позднее они же обнаружили и обратимость этого эффекта.
Оказалось, что кристалл кварца мог сжиматься или растягиваться, если на его гранях создаются разноименные электрические заряды. При этом электрическая энергия превращалась в механическую энергию.
Именно это свойство кристалла дает основание полагать, что пение песков пустыни связано с пребыванием духов. Так как духи пустыни являются демоническими сущностями, которые представляют собой хаотическое движение электронов.
В демонических сущностях отсутствует ядро и магнетизм. Они представляют собой пустоту, которая окружена, хаотично движущими электронами. Таким образом, демонические сущности являются носителями электрического заряда, который вызывает напряжение на поверхности молекул кристаллов.
В результате этого воздействия кристаллы песка сжимаются и разжимаются, вызывая колебание воздуха, которое проявляется в виде звуков.
Пение песков сильно воздействует на психику человека, вызывая инстинктивный страх. Причину этого страха можно объяснить тем, что человеческая душа в пении песков улавливает "дыхание" смерти, носителем которой является демоническая сущность.
Человек, животное и растение, как живые организмы, не могут подобно демонической сущности переносить напряжение и влиять на кристаллы, не могут вызывать пение песков. Так как атомарная система живых клеток органических тел производит вибрации другой частоты и электромагнитную индукцию, что делает систему организма закрытой в смысле электрического воздействия. То есть электрическая энергия организма захвачена собственным магнитным полем, которое ею и управляет.
И только в том случае, когда духовность человека падает, что снижает потенциал магнитного поля его организма, может образовываться избыток электрической энергии и дополнительное напряжение. Именно это напряжение демоническая сила улавливает и переносит. Этот избыток электричества негативно влияет в первую очередь на кристаллические структуры самого человеческого организма, а затем на кристаллические тела, которые его окружают. Например, на ювелирные украшения, которые носит человек. Поэтому в древности по состоянию камней-амулетов прогнозировали состояние здоровья человека и даже его будущее. Обращали внимание на молоко, которое чутко реагирует на присутствие в доме нечистой силы.
В результате исследований было установлено, что кварц в виде пластинки, вырезанной из тела кристалла, обладает такой большой упругостью, что может колебаться с очень высокой частотой, последовательно сжимаясь и растягиваясь при смене полярности электрического поля.
Кварц может вибрировать в широком диапазоне частот, создавая акустические и электрические волны, то есть петь. Когда с бархана сползает песчаная лавина или обрушивается песчаный массив, нижележащие слои песка испытывают переменное давление от движущегося слоя. Они сжимаются под давлением и "распрямляются" после уменьшения давления. Кварцевые кристаллы, имеющиеся в песчинках, начинают колебаться, вибрировать, генерируя акустические волны. Аналогичные процессы возникают и при ходьбе по мокрому песку.
Механические колебания кристалликов кварца в песчинках приводят к образованию электрических зарядов на их гранях, полярность которых меняется синхронно с механическими колебаниями кристаллов. Возникают не только акустические волны, но и переменное электрическое поле определенного спектра частот.
Каждая песчинка, каждый кристаллик поет свою песню на своей частоте. Их голоса складываются. И вот уже звучит многоголосое пение, достаточно громко, диапазон частот широк. Его-то и слышит человеческое ухо. Но только низкие частоты. Высокие частоты наше ухо не воспринимает. Когда движение песка замирает, возбужденные механические и электрические колебания кристаллов кварца в песчинках затухают, звучание прекращается.
В 1957 г. советский ученый К. Баранский установил, что акустические волны можно возбудить непосредственно на поверхности кристалла, что еще выше расширяло диапазон генерируемых частот. Затем американские ученые увеличили потолок частот еще на порядок.
Если поют пески, когда подвергаются механическим и электрическим воздействиям, то по аналогичной причине поет и сама Земля. Пульсирующее огненное сердце планеты, влияние других планет и Солнца вызывают подвижку и вибрацию пород земной коры, заставляя звучать Землю. Ее песня, не воспринимаемая человеческим ухом, далеко разносится в космосе.
Земная кора находится в постоянном напряжении. То тут, то там происходят землетрясения и вулканические извержения, освобождающие опасные зоны от перегрузок на них демонических сущностей - бездуховных пустот.
Количество землетрясений на Земле достигает до ста тысяч в год. Из общего числа землетрясений сильных землетрясений происходит до тысячи в год.
Из очагов деформации земной коры колебания передаются на большие расстояния. Скорость распространения волн очень высока. В гранитных породах для продольных волн она составляет более 5000 метров в секунду, для поперечных - около 2509 метров в секунду.
На своем пути земные волны то сжимают породы, то растягивают их, вызывая образование мощных электрических зарядов разной полярности. Особенно они велики в эпицентре сжатия или растягивания, где земные породы испытывают очень сильные, вплоть до разрыва, деформации.
Электрические разряды в виде сильнейших подземных молний стремительно распространяются по зонам наименьшего сопротивления и часто прорываются из глубин на поверхность Земли, оставляя оплавленные твердые породы или странные круглые отверстия.
В том, что Земля звучит, нет ничего странного. Ее твердые породы, базальта, граниты, песчаники и другие имеют кристаллическую структуру. В них много кварцевых образований. При деформации кристаллов возникают не только акустические и электрические волны, но протекают попутно и другие физические и химические процессы.
Грозный рокот глубинных бурь "слышат" многие животные, птицы, насекомые. Они даже могут быть "оповещателями", приближающегося подземного удара. И только человек, как правило, оказывается застигнутым врасплох. Так как перестал воспринимать себя частью природы и следить за происходящими процессами в природе.
Кроме "пения" кристаллы вибрируют в определенном диапазоне светового спектра, поэтому приобретают свой цвет, например, ювелирные камни. Камни прозрачные и с сильным блеском способны пропускать и модифицировать лучистую энергию. Цветность минералов связывается с включением в их кристаллическую решетку ионов металлов, легко меняющих свою валентность, способных при минимальной подаче энергии отдавать свои электроны.
Часть этих электронов "бродит" среди атомов кристаллической решетки, взаимодействуя с ними, обмениваясь с ними энергией. В результате в кристалле возникают и непрерывно меняют свой узор местные нарушения кристаллической решетки. Таким образом, кристалл интенсивно живет своей "внутренней жизнью", внешние проявления которой и составляют наборы "магических" свойств камней-амулетов.
К таким металлам, примеси соединений, которых заметно изменяют энергетический силуэт кристалла, относятся железо, медь, марганец, хром, редкоземельные элементы.