Горизонты техники для детей, 1972 №1

Мир в глазах физика

Помните, ребята, в одной из физических статей мы писали о том, что окружающий нас мир состоит из атомов и рассматривали под микроскопом кристалл соли, каплю воды и мыльный пузырь с воздухом? Мы познакомились с тремя состояниями вещества — кристаллическими телами, жидкостями и газами. Они отличаются разными свойствами, так как имеют неодинаковое атомное строение.

Давайте сегодня поговорим о кристаллах. Вы наверное, сразу спросите: а какие другие вещества, кроме поваренной соли, относятся К кристаллическим телам? Запомните — большинство встречающихся в природе и технике веществ имеет кристаллическую структуру.

Например, песчинка — тоже кристалл. Правда, по сравнению с поваренной солью её форма менее регулярна, но при увеличении в 100 миллионов раз мы тоже увидим упорядоченную сеть атомов кислорода (О) и кремния (Si). Все металлы (за исключением ртути), драгоценные камни (рубин, бриллиант, сапфир и т. д.), а также многие органические соединения (например, сахар) имеют кристаллическое строение.

Рассматривая под микроскопом кристалл поваренной соли (NaCl) и двуокиси кремния (SiO₂), мы сразу замечаем не только то, что они состоят из разных атомов, но и то, что атомы образуют неодинаковые пространственные решетки.

Именно кристаллическая решетка во многом обуславливает свойства различных веществ. Чтобы убедиться в этом, давайте ближе познакомимся с кристаллами углерода — наиболее распространенного в природе химического элемента. Одной из разновидностей чистого углерода является графит, а он вам хорошо известен. Я только напомню, что из графита изготовляют, между прочим, стержни карандашей и непроволочных резисторов.

Графит — очень мягкий, легкораскалываемый минерал, он хорошо поддаётся механической обработке. Какова кристаллическая решетка графита? При большом увеличении мы видим, что атомы углерода образуют что-то наподобие сотовых ячеек: отдельные плоскости, состоящие из шестиугольников, расположены рядами. Причём атомы одного ряда тесно связаны между собой, а связь между отдельными рядами — более слабая. Вот почему даже при легком нажатии кусочек графита ломается. По шкале Мооса твёрдость графита равна 1, а у алмаза — второй разновидности углерода — наивысшая твёрдость 10.

Кристаллически решети графита

Кристаллическая решетка алмаза

Семь основных групп кристаллических решеток

Чем это объясняется? Безусловно, кристаллической решеткой. В алмазе каждый атом углерода тесно связан с четырьмя соседними атомами, лежащими в вершинах правильной треугольной пирамиды (такая пирамида называется тетраэдром).

Ребята, обратите внимание на кристаллические решетки графита и алмаза, указанные ниже. Вы видите, что регулярное расположение атомов периодически повторяется в пространстве. Это значит, что если мы заглянем внутрь какого-нибудь кристалла, то в любом месте (сбоку, сверху или в центре) увидим такую же сеть атомов. Поэтому при описании строения какого-нибудь кристаллического тела можно рассматривать его наименьшую частичку, из которых как из кубиков можно построить целый большой кристалл. Физики охотно пользуются именно таким методом, а наименьшую частицу кристалла обычно называют элементарной ячейкой.

Ребята, вас, наверное, интересует, сколько существует видов кристаллических решеток. Конечно, очень много, но в зависимости от формы элементарной ячейки их объединяют в семь основных групп. Внешний вид элементарных ячеек показаны на приведенном рисунке. Вполне понятно, что в природе некоторые ячейки имеют посторонние примеси, т. е. инородные атомы, но от этого основные свойства частицы не меняются.

Чтобы лучше представить, как выглядят некоторые кристаллы, попробуйте построить из пластилина и спичек какую-нибудь модель кристаллической решетки. Интересно, получится ли у вас пространственная решетка графита или алмаза.

ПЕТР СЛОДОВЫ