Кристаллография

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эту статью следует викифицировать.

Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей.

Кристаллография — наука о кристаллах, их структуре, возникновении и свойствах. Она тесно связана с минералогией, физикой твёрдых тел и химией; Исторически кристаллография возникла в рамках минералогии, как наука описывающая идеальные кристаллы.

Содержание

1 История науки
2 Из курса кристаллографии
- 2.1 Введение
3 Основные понятия кристаллографии
4 См. также
5 Ссылки

[править] История науки

Истоки кристаллографии можно усмотреть ещё в античности, когда греки предприняли первые попытки описания кристаллов. При этом большое значение придавалось их форме. Греками же была создана геометрия, выведены пять платоновых тел и сконструировано множество многогранников, позволяющих описывать форму кристаллов.

[править] Из курса кристаллографии

[править] Введение

Важность кристаллов для геологических наук состоит в том, что подавляющая часть земной коры находится в кристаллическом состоянии. В классификации таких фундаментальных объектов геологии, как минерал и горная порода, понятие кристалла является первичным, элементарным, аналогично атому в периодической системе элементов или молекуле в химической классификации веществ.

Слово «кристалл» – греческое (krustalloV), исходное его значение – «лёд». Однако уже в античное время этот термин был перенесён на прозрачные природные многогранники других веществ (кварца, кальцита и т. п.), так как считалось, что это тоже лёд, получивший в силу каких-то причин устойчивость при высокой температуре. В русском языке это слово имеет две формы: собственно «кристалл», означающее возникшее естественным путем многогранное тело, и «хрусталь» – особый сорт стекла с высоким показателем преломления, а также прозрачный бесцветный кварц («горный хрусталь»). В большинстве европейских языков для обоих этих понятий используется одно слово (сравните английские «Crystal Palace» – «Хрустальный дворец» в Лондоне и «Crystal Growth» – международный журнал по росту кристаллов).

С кристаллами человечество познакомилось в глубокой древности. Связано это, в первую очередь, с их часто реализующейся в природе способностью самоограняться, т. е. самопроизвольно принимать форму изумительных по совершенству полиэдров. Даже современный человек, впервые столкнувшись с природными кристаллами, чаще всего не верит, что эти многогранники не являются делом рук искусного мастера. Форме кристаллов издавна придавалось магическое значение, о чём свидетельствуют некоторые археологические находки [1]. Упоминания о «кристалле» (по-видимому, всё-таки речь идёт о «хрустале») неоднократно встречаются в Библии (см., напр.: Откровение Иоанна, 21, 11; 32, 1, и др.). В среде математиков существует аргументированное мнение, что прототипами пяти правильных многогранников (тел Платона) послужили природные кристаллы. Многим архимедовым (полуправильным) многогранникам также имеются точные или очень близкие аналоги в мире кристаллов. А в прикладном искусстве древности иногда в качестве образцов для подражания использовались кристаллические многогранники, причём и такие, которые заведомо не рассматривались тогдашней наукой. Например, в Государственном Эрмитаже хранится нитка бус, форма которых с высокой точностью воспроизводит характерную форму кристаллов красивого полудрагоценного минерала граната. Бусины эти изготовлены из золота (предположительно, ближневосточная работа I–V вв. н. э.). Таким образом, кристаллы с давних пор оказывали заметное воздействие на основные сферы интересов человека: эмоциональную (религия, искусство), идеологическую (религия), интеллектуальную (наука, искусство).

Одним из первых законов, замеченных в отношении формы кристаллов, был закон постоянства углов между гранями или рёбрами кристаллов (И. Кеплер; Н. Стенон, ХVII в.): на разных индивидах одного и того же кристаллического вещества углы между соответственными гранями или pёбpaми одинаковы (рис. 1.1).

Стенон первый предложил рациональное объяснение этого, состоящее в послойном нарастании граней (т. е. их параллельном перемещении) при увеличении объёма кристалла, а Кеплер выдвинул первую правильную, хотя и неполную теорию строения кристаллов из шаров одинакового диаметра. Довольно давно были отмечены и такие общие особенности кристаллов, как однородность – постоянство свойств кристалла в любой его точке, и анизотропность – различие свойств кристалла по непараллельным направлениям (при одинаковости тех же свойств по параллельным направлениям). С анизотропностью тесно связана группировка всех граней кристалла в призматические пояса (зоны), оси которых имеют вполне определённые взаимные ориентировки (рис. 1.2). Эти оси (как и параллельные им рёбра между гранями одной зоны) соответствуют направлениям с наиболее плотным расположением атомов.

И, разумеется, не могло остаться без внимания одно из основных свойств кристаллов – их симметричность, визуально выражающаяся в закономерном, «правильном» расположении одинаковых граней кристалла. Как говорил творец современной теории строения кристаллов E.С. Фёдоров, «кристаллы блещут симметрией». Эти и многие другие геометрические и физические закономерности, обнаруженные в кристаллах, привели к середине XIX в. к представлению об их трёхмерно-периодическом или решётчатом строении (рис. 1.3). Это представление просуществовало в виде гипотезы (хотя и весьма солидно обоснованной) до 1912 г., когда был проведён исторический эксперимент по дифракции рентгеновских лучей в кристаллах (Макс фон Лауэ). Этот эксперимент непосредственно доказал правильность принятой гипотезы и послужил стимулом бурного развития кристаллографии и её проникновения буквально во все области человеческой деятельности.

Изображение:NaCllatice.jpg

Разнообразие и высокая стабильность свойств кристаллов, возможность целенаправленного изменения этих свойств обусловили широчайшее применение кристаллов в науке и технике. Без использования кристаллов немыслима современная микроэлектроника и, следовательно, электронно-вычислительная техника. В оптике кристаллы используются не только в качестве пассивных элементов типа призм и линз, но и как генераторы и разнообразные модуляторы оптического излучения. Работы по высокотемпературной сверхпроводимости, сулящей необозримые перспективы для энергетики и экологии, также базируются на получении определённых кристаллов и исследовании их свойств. Интенсивно изучается и используется роль кристаллов в биологических системах, в медицине и т. д. Разнообразные запросы науки и техники вызвали появление целой отрасли промышленности – производства синтетических кристаллов. Определяя позицию кристаллографии в системе наук, её можно поместить в центре тетраэдра, вершинами которого являются минералогия, математика, физика и химия. Это те области знаний, с которыми кристаллография наиболее тесно связана как генетически, так и при обмене новой информацией. Минералогия (буквально – рудознание), древняя наука о мире камня, была подлинной колыбелью, в которой зародилась и приобрела свои основные характерные черты кристаллография. Минералы, с их неисчерпаемым разнообразием свойств, и сейчас являются богатейшим источником новых данных и задач для кристаллографии. Перед математикой со стороны кристаллографии были поставлены крайне интересные и глубокие теоретические вопросы. Бóльшую часть из них математика разрешила, создав фундамент структурной кристаллографии и теории симметрии. Но и до сих пор сотрудничество кристаллографии и математики обогащает обе эти науки. Взаимодействие физики с кристаллографией имеет богатую и длительную историю. Достаточно вспомнить, что многие новые физические явления: разделение естественного света на две плоскополяризованные компоненты, пьезо- и пироэлектричество, электро- и магнитооптические эффекты и т. д., были открыты именно в кристаллах, а первый оптический квантовый генератор (лазер) был создан на кристалле рубина. О современном единении этих областей знания говорит название специального раздела науки – кристаллофизики. Можно упомянуть и печальный курьёз этой темы: крупнейший физик, нобелевский лауреат академик П.Л. Капица в дни своей опалы (на закате сталинской эпохи) был переведён с поста директора созданного им Института физических проблем на должность старшего научного сотрудника Института кристаллографии.

С химией у кристаллографии также существуют давние и тесные связи. Закон Дальтона и закон Гаюи, одинаковые по форме, взаимно подкрепляли гипотезу о дискретном строении материи. Кристаллография является одной из надёжнейших основ стереохимии. Связь этих наук ярко иллюстрируется тем фактом, что дважды лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг был одновременно крупнейшим и химиком, и кристаллографом. Кристаллам и кристаллографии отдали надлежащую дань и художники, и литераторы. Так, центром композиции своей знаменитой гравюры «Меланхолия» один из гениев Возрождения Альбрехт Дюрер сделал кристаллический многогранник; своеобразнейший художник нашего столетия Морис Эшер широко использовал в своих работах принципы кристаллографической симметрии; будущий нобелевский лауреат по литературе поэт Иосиф Бродский некоторое время служил лаборантом в лаборатории Синтеза кристаллов Санкт-Петербургского (тогдашнего Ленинградского) университета (впрочем, следов его деятельности в этой науке не сохранилось). Кристаллографом был и известный ученый, московский физик Михаил Волькенштейн. Число же упоминаний о кристаллах в литературных произведениях перечислить невозможно. Таким образом, кристаллографии принадлежит почётная роль связующего звена между самыми разными сторонами духовного мира человека. Наверное, наиболее глубоко и синтетично выразил это обстоятельство Н.А. Морозов, крупный учёный, поэт, многолетний узник Шлиссельбургской крепости, в стихотворении, посвящённом Е.С. Фёдорову:

В недрах стеклянных фиалов Словно волшебный скульптóр Светлые грани кристаллов Лепит бесцветный раствор.

В нас из мечтаний неясных, Мыслей, томлений и дум Грёзы творений прекрасных Вечно ваяет наш ум.

Родствен семье минералов Мир бестелесных идей. Грёзы, как грани кристаллов, Вкраплены в души людей.

[1] Г. Вейль. Симметрия. М.: Наука, 1968. 192 с.

[править] Основные понятия кристаллографии

Для описания симметрии многограниников и кристаллических решеток в кристаллографии установлена следующая иерархия терминов:

3 Категории симметрии
- 7 Сингоний
  - 32 Классов или видов симметрии
    - 230 пространственных групп или точечных групп

Простая форма

кристаллическая решетка

Элементарная ячейка

Индекс грани

Полиморфизм кристаллов

[править] См. также

Кристаллохимия
Классификация кристаллических решёток
Первым в России предпринял точные кристаллографические исследования Н.И. Кокшаров.

Виды симметрии:

Вид симметрии

Категория	Низшая			Средняя			Высшая

Сингония	Триклинная	Моноклинная	Ромбическая	Тетрагональная	Тригональная	Гексагональная	Кубическая
Примитивный	L₁			L₄	L₃	L₆	4L_33L₂
Центральный	C			L₄PC	L₃C = L_i3	L₆PC	4L₃3L₂3PC
Планальный		P	L₂2P	L₄4P	L₃3P	L₆6P	3L_i44L_36P
Аксиальный		L₂	3L₂	L₄4L₂	L₃3L₂	L₆6L₂	3L₄4L₃6L₂
План-аксиальный		L₂PC	3L₂3PC	L₄4L₂5PC	L₃3L₂3PC = L_i33L₂3P	L₆6L₂7PC	3L₄4L₃6L₂9PC
«Инверсионно-примитивный»					L_i4	L_i6 =L₃+^ P
«Инверсионно-планальный»					L_i42L₂2P	L_i63L₂3P