Чудесные кристаллы

В МИРЕ КРИСТАЛЛОВ

Известно, что окружающие нас тела состоят из мельчайших невидимых глазом частиц — атомов. Размеры атомов чрезвычайно малы: они составляют стомиллионные доли сантиметра. Атомы объединяются в молекулы, более крупные частицы.

Молекулы бывают однородными и разнородными. Однородные молекулы состоят из одинаковых атомов, а разнородные — из самых различных. Вещество, состоящее из однородных молекул, простое, его нельзя разложить на какие-либо другие вещества. Если же в состав вещества входят молекулы, построенные из разных атомов, то такие вещества называются сложными. Вода, например, сложное вещество: она состоит из кислорода и водорода, которые уже нельзя разложить на другие вещества.

Сами атомы имеют сложное строение и состоят из электрически заряженных частиц. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные частицы — электроны (рис. 1). При этом положительный заряд ядра уравновешен отрицательным зарядом электронов, и в своем обычном состоянии атом электрически нейтрален.

Если же изменить число электронов в атоме, то он выйдет из состояния равновесия. Если, например, удалить один или несколько электронов, то положительный заряд атома станет больше отрицательного и весь атом в целом окажется заряженным положительно. Такой атом называется положительным ионом. Или наоборот, если добавить один или несколько электронов, то атом приобретет отрицательный заряд и превратится в отрицательный ион.

Как располагаются атомы в веществе? Расположены ли они в определенном порядке или беспорядочно, хаотично? Ответить на этот вопрос было трудно. Ведь атомы и молекулы настолько малы, что их невозможно увидеть даже в самый мощный микроскоп. Но ученые обошлись и без этого. Им помогли рентгеновские лучи, которые показали, как расположены атомы в разных веществах.

В кристаллических веществах частицы расположены геометрически правильно, по строгим законам. Если бы мы могли уменьшить свой рост до величины атома и проникнуть внутрь кристалла, то увидели бы, что вокруг нас во все стороны, не только вправо и влево, вперед и назад, но и вверх и вниз тянутся ровные бесконечные ряды атомов. Эти правильные ряды атомов в пространстве называются пространственными решетками, так как они действительно напоминают решетки (рис. 2).

С помощью рентгеновских лучей люди узнали, что у разных кристаллических веществ пространственные решетки разные. Каждое кристаллическое вещество можно отличить от другого кристаллического вещества по его пространственной решетке. В одних кристаллах очень простые решетки, в других — сложные.

Теперь мы можем сказать, что кристаллы — это тела, в которых атомы (молекулы, ионы) расположены в пространственных решетках строгой геометрической формы.

Рентгеновские лучи обнаружили кристаллическое строение не только в известных до того времени кристаллах, но и во многих других телах. Даже сажа, человеческий волос, шерсть, шелк и т. п. оказались построенными из кристаллов.

Но во всех ли веществах атомы расположены геометрически правильно? Конечно, нет. Существуют и такие твердые тела, в которых атомы расположены в беспорядке, как в газе или в жидкостях. Подобные тела называются аморфными, что означает в переводе с греческого «бесформенный». К такой группе тел относятся стекло, смола, столярный клей.

Однако и в аморфных телах атомы с течением времени могут в одном месте или сразу в нескольких местах собраться в правильную решетку. Тогда в этих местах появляются микроскопически маленькие кристаллики. Постепенно они вырастают и заполняют всю массу тела: аморфное тело закристаллизовалось. Так можно наблюдать помутнение старого стекла. Оно становится мутным, потому что в нем образуется множество мелких непрозрачных кристаллов.

Кристаллические тела бывают двух видов. Кристаллы, имеющие природную форму многогранников — кубов, параллелепипедов, призм, пирамид, называются монокристаллами или просто кристаллами. Тела, не имеющие многогранной формы, а состоящие из множества мелких, сросшихся между собой кристалликов, называются поликристаллами.

Кристаллы различных веществ отличаются друг от друга по форме (рис. 3). Кристаллы кварца имеют форму шестигранных призм, алмаза — восьмигранника, а граната — двенадцатигранника. Столбики берилла никогда не спутаете с пластинками слюды. Самая простая форма у кристаллов поваренной соли — форма куба.

Но в природе редко встречаются кристаллы в виде правильных многогранников, чаще они неправильной формы. Это объясняется тем, что от действия воды, ветра, морозов кристаллы растрескиваются; в твердых породах кристаллы мешают друг другу расти; различные растворы разъедают кристаллы. Но все-таки свойства кристаллов остаются прежними. А что самое замечательное — остаются постоянными углы между одними и теми же гранями кристалла. Это свойство кристаллов называется законом постоянства углов, который объясняется внутренним строением кристаллов, т. е. тем, что частицы вещества расположены в геометрически правильной пространственной решетке. От ее формы и зависит форма кристалла. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим ячейку пространственной решетки кристалла поваренной соли (рис. 4). Этот кристалл состоит из молекул, каждая из которых содержит положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. Поскольку разноименно заряженные тела притягиваются друг к другу, а одноименно заряженные отталкиваются, молекулы поваренной соли группируются так, чтобы расстояния между одноименными ионами были как можно большими, а между разноименными — как можно меньшими.

Поэтому ячейка пространственной решетки поваренной соли представляет собой куб, по углам которого, чередуясь в шахматном порядке, располагаются ионы натрия и хлора, потому что такое расположение уравновешивает электрические силы ионов.

Образованная таким образом ячейка кристалла является его зародышем. Если поместить ее в среду, насыщенную ионами натрия и хлора, то ячейка со всех сторон начнет обрастать все новыми и новыми молекулами. При этом разноименные ионы будут чередоваться в таком же шахматном порядке. Следовательно, при росте кристалла его грани будут передвигаться параллельно самим себе, а значит, углы между гранями кристалла не изменятся.

Таким же образом происходит образование и рост не только кристаллов поваренной соли, но и всех других кристаллических тел.

Проще всего получить кристаллы из насыщенных растворов. Такой раствор легко приготовить, если взять стакан горячей воды и насыпать в него любой порошок кристаллического вещества: сахара или соли, медного купороса или соды. При этом нужно размешивать порошок до тех пор, пока он не перестанет растворяться. Если раствор охладить, то растворимость вещества уменьшится и раствор станет пересыщенным. А это значит, что вещества в растворе оказалось больше, чем его может раствориться при данной температуре. Поэтому лишнее вещество выделяется из раствора и оседает на дне стакана в виде кристаллов. Чтобы получить кристаллы большей величины, надо полученный осадок опустить в новый пересыщенный раствор. Проделывая это несколько раз, можно получить кристаллы значительных размеров.

Пересыщенный раствор можно получить и другим способом, оставив насыщенный раствор в открытом сосуде с широким дном и низкими стенками. Вода из такого сосуда будет испаряться, а растворенные вещества останутся и раствор окажется пересыщенным. Кристаллы можно получить также из твердых и газообразных веществ. Так, из охлажденных водяных паров образуются кристаллики снега и льда. Примером образования кристаллов из твердого вещества может служить кристаллизация аморфных тел.

В настоящее время выращивание кристаллов из растворов превратилось в целую техническую отрасль. Созданы заводы и фабрики, на которых в больших количествах выращивают крайне нужные для нашего народного хозяйства кристаллические вещества.

Какими же еще свойствами обладают кристаллы?

Если ударить по кристаллу, то он расколется на маленькие кристаллики — осколки, которые по форме окажутся такими же, как и большой кристалл до удара. Кристалл поваренной соли, например, расколется на правильные кубики, а кристаллы слюды можно расщепить только в одном направлении — в виде тонких лепестков.

Это свойство кристаллов называется спайностью, а плоскости, по которым кристалл раскалывается, — плоскостями спайности. Поэтому кристаллы легко отличить от аморфных тел, прочность которых одинакова по всем направлениям.

Твердость кристаллов также зависит от направления. Поцарапайте кристалл иглой и вы заметите, что в одном направлении это сделать легче, чем в другом.

Если из кристаллического вещества выточить шар и опустить его в пересыщенный раствор такого же вещества, то уже через несколько часов на шаре появятся ровные площадки граней, которые будут увеличиваться, пока шар снова не превратится в многогранник. Следовательно, скорость роста в кристаллах тоже зависит от направления, иначе шар никогда бы не превратился в многогранник.

Известно, что при нагревании вещества расширяются. Если же нагреть шар, выточенный из кристалла, то расширяться он будет по разным направлениям по-разному. Например, кристалл кварца в одном из перпендикулярных направлений при нагревании расширяется вдвое больше. Другие физические свойства кристаллов — теплопроводность, электропроводность, оптические свойства — тоже зависят от направления. Это свойство называется анизотропией, что в переводе означает неравносвойственность.

Анизотропными свойствами обладают не только кристаллы. Вам не раз приходилось колоть дрова, и вы, конечно, заметили, что кусок дерева легко расколоть в одном направлении и очень трудно в другом. Стало быть, дерево тоже обладает анизотропными свойствами.

В отличие от кристаллических тел свойства аморфных тел не зависят от направления. Это свойство называется изотропией. Слово «изотропный» означает одинаковый по всем направлениям.

Чем же объясняются анизотропные свойства кристаллов? Если посмотреть на пространственную решетку какого-нибудь кристалла и мысленно провести в одном направлении линию, то она пересечет определенное число атомов, отстоящих друг от друга на определенных расстояниях. Если провести линию в другом направлении, то она пересечет уже другое число атомов, отстоящих друг от друга на иных расстояниях. Это и является причиной анизотропии кристаллов.

Возьмите большой кристалл кварца и от противоположных концов его одинаковыми по силе ударами отколите небольшие кусочки. Вы убедитесь, что с обоих концов по одинаковым плоскостям отколются равные по величине кусочки. Следовательно, прочность кристалла одинакова в разных местах. Можно провести ряд других опытов и показать, что и другие свойства кристалла одинаковы в разных местах, но различны в разных направлениях. Это свойство, тоже общее для всех кристаллов, называется однородностью. Однородность кристаллов, как и анизотропия, является следствием внутреннего строения кристаллов.

Кристаллы обладают еще одним общим свойством — они симметричны Посмотрите на кристаллы воды — снежинки. Они состоят из нескольких совершенно одинаковых частей. Такие тела называются симметричными, а плоскости, разделяющие одинаковые части, — плоскостями симметрии. Примерами симметричных геометрических фигур могут служить круг, квадрат, параллелограмм (рис. 5).

Для симметричных тел свойственно понятие центра симметрии. У круга он находится в центре, у параллелограмма — в точке пересечения его диагоналей. Однако у многих кристаллов центра симметрии нет.

Понятие центра симметрии у кристаллов гораздо шире, чем у прочих симметричных тел. Если до этого мы рассматривали симметрию различных тел только по форме, то симметрия кристаллов заключается не столько в форме, сколько в физических свойствах — прочности, твердости, электропроводности и других. Так, например, если разрезать кристалл кварца по плоскостям симметрии на разные части, то каждая из них будет похожа на другую не только по форме, но и по своим физическим свойствам.

Благодаря свойству симметрии ученые распределили все существующие в природе кристаллы по классам и системам, что очень помогает при описании и изучении их. Оказалось, что по симметрии кристаллы делятся на 32 класса. При этом только 12 классов имеют центр симметрии, а остальные 20 его не имеют.

Но самым примечательным оказалось то, что только кристаллы, не имеющие центра симметрии, обладают пьезоэлектрическими свойствами. Только они в результате механического воздействия способны выделять электрические заряды.

Какова же природа пьезоэлектричества? Почему пьезоэлектричество наблюдается только у кристаллов, не имеющих центра симметрии, и не может наблюдаться у других?