Строение и симметрия кристаллов
Кристаллическое строение имеет подавляющее большинство твердых тел в природе. Такое же строение имеет и подавляющее большинство используемых в современной технике материалов. Сталь для машин, алюминиевые сплавы для ракет и самолетов, полупроводниковые приборы и многое другое содержат в основе кристаллы разного типа, с разными свойствами, но объединенные одним общим главным качеством: правильным расположением атомов или молекул в пространстве.
Именно упорядоченное расположение атомов или молекул благодаря наличию взаимодействия между ними соответствует термодинамически равновесному состоянию вещества при достаточно низких температурах. Аморфное состояние не является термодинамически равновесным, поэтому рано или поздно аморфное тело, предоставленное самому себе, переходит в равновесное состояние – кристаллизуется. Другое дело, что время кристаллизации может быть сколь угодно большим.
|
| Рис. 4.1. Кварц – кристаллическая форма оксида кремния SiO2. |
Кристаллы многих минералов и драгоценных камней были известны и описаны еще несколько тысячелетий назад. Однако вначале кристаллом называли только лед, а затем и кварц (рис.4.1), считавшийся окаменевшим льдом. И лишь в конце эпохи средневековья слово «кристалл» стало употребляться в более общем смысле.
Вся наука о кристаллах началась с осознания того факта, что независимо от своего происхождения кристаллы одного сорта имеют одинаковые внешние формы и внутреннее строение. В 1669 г. датский естествоиспытатель Николаус Стено (1638–1686) открыл закон постоянства углов между гранями кристалла, а в 1774 г. французский минеролог Рене Гаюи (1743–1822) сформулировал закон целых чисел, согласно которому положение любой грани кристалла в пространстве может быть выражено тремя целыми числами. Эти открытия потребовали использования математических понятий для строгого описания формы кристаллов. С этих открытий и началась научная кристаллография.
|
|
|
Основы физической кристаллографии, устанавливающей связь между свойствами кристаллов и свойствами атомов, из которых они состоят, были заложены нашим соотечественником Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711–1765), догадки которого тем более удивительны, что в годы его жизни не существовало сколько-нибудь правильных представлений о природе атомов и молекул. Однако настоящий расцвет кристаллографии начался в первые годы XX века, после открытия (в 1895 г.) рентгеновских лучей.
Применение таких лучей к расшифровке кристаллической структуры (М. Лауэ, 1912 г.) вооружило исследователей мощнейшим инструментом, позволяющим с точностью до четвертого знака после запятой определять межатомные расстояния в кристаллах. После этого экспериментальные исследования кристаллов стремительно двинулись вперед, и этот марш продолжается до сих пор.
|
|
|
В России начала XX века возникли две школы кристаллографов. Первую из них возглавил Евграф Степанович Федоров (1853–1919), который создал учение о строении и симметрии кристаллов, лежащее в основе современной структурной кристаллографии. Георгий Викторович Вульф (1863–1925) больше тяготел к физическому описанию природы кристаллов. Он первым в России начал использовать рентгеноструктурный анализ строения кристаллов и получил основное уравнение рентгеноструктурного анализа, известное как уравнение Вульфа-Брэгга. Ученик Вульфа Алексей Васильевич Шубников (1887–1970), организатор первого в мире Института кристаллографии Российской Академии наук, вошел в историю не только как выдающийся исследователь свойств кристаллов, но и как пионер использования кристаллов в промышленных масштабах.
Геометрически правильная внешняя форма кристаллов, образующихся в природных или лабораторных условиях, еще в 17 веке натолкнула ученых на мысль, что кристаллы образуются посредством регулярного повторения в пространстве одних и тех же структурных элементов. Как выяснилось позже, этими элементами являются атомы или группы атомов. В наиболее простых кристаллах структурная единица состоит из одного атома. В кристаллах более сложных веществ структурная единица может содержать несколько сотен и даже тысяч (как в белковых кристаллах) атомов или молекул.
|
|
|
Периодически повторяющиеся в пространстве группы атомов, из которых состоит кристалл, образуют кристаллическую решетку.
Дата добавления: 2015-12-17; просмотров: 17; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!