კრისტალებისა და ძვირფასი ქვების დათვალიერებისას ადამიანს სურს გაიგოს, როგორ შეიძლებოდა გამოჩენილიყო ეს იდუმალი სილამაზე, როგორ იქმნება ბუნების ასეთი საოცარი ნამუშევრები. არსებობს სურვილი, მეტი გაიგოს მათი თვისებების შესახებ. ყოველივე ამის შემდეგ, კრისტალების განსაკუთრებული, ბუნებაში არსად განმეორებადი სტრუქტურა საშუალებას აძლევს მათ გამოიყენონ ყველგან: სამკაულებიდან უახლეს სამეცნიერო და ტექნიკურ გამოგონებებამდე.
კრისტალური მინერალების შესწავლა
კრისტალების აგებულება და თვისებები იმდენად მრავალმხრივია, რომ ცალკე მეცნიერება, მინერალოგია, ამ ფენომენების შესწავლასა და შესწავლას ეწევა. ცნობილი რუსი აკადემიკოსი ალექსანდრე ევგენიევიჩ ფერსმანი იმდენად იყო აღტაცებული და გაკვირვებული კრისტალების სამყაროს მრავალფეროვნებითა და უსასრულობით, რომ ცდილობდა რაც შეიძლება მეტი გონება დაეპყრო ამ თემით. თავის წიგნში გასართობი მინერალოგია, მან ენთუზიაზმით და თბილად მოუწოდა გაეცნო მინერალების საიდუმლოებას და ჩაძირულიყო ძვირფასი ქვების სამყაროში:
მე შენ ძალიან მინდადატყვევება. მინდა, დაიწყოთ დაინტერესება მთებითა და კარიერებით, მაღაროებითა და მაღაროებით, რათა დაიწყოთ მინერალების კოლექციების შეგროვება, რათა ჩვენთან ერთად წასვლა უფრო შორს ქალაქიდან, მდინარის დინებაში, სადაც იქ არის მაღალი კლდოვანი ნაპირები, მთების მწვერვალებამდე ან კლდოვან ზღვის სანაპირომდე, სადაც ქვა იშლება, ქვიშა მოიპოვება ან მადანი ფეთქდება. იქ, ყველგან, შენ და მე ვიპოვით რაიმეს გასაკეთებლად: და მკვდარ კლდეებში, ქვიშასა და ქვებში, ჩვენ ვისწავლით ბუნების რამდენიმე დიდი კანონის კითხვას, რომელიც მართავს მთელ სამყაროს და რომლის მიხედვითაც მთელი სამყაროა აგებული.
ფიზიკა სწავლობს კრისტალებს და ამტკიცებს, რომ ნებისმიერი მართლაც მყარი სხეული კრისტალია. ქიმია იკვლევს კრისტალების მოლეკულურ სტრუქტურას და მიდის დასკვნამდე, რომ ნებისმიერ ლითონს აქვს კრისტალური სტრუქტურა.
კრისტალების საოცარი თვისებების შესწავლას უდიდესი მნიშვნელობა აქვს თანამედროვე მეცნიერების, ტექნოლოგიების, სამშენებლო ინდუსტრიისა და მრავალი სხვა დარგის განვითარებისთვის.
კრისტალების ძირითადი კანონები
პირველი, რასაც ადამიანები ამჩნევენ კრისტალის დათვალიერებისას, არის მისი იდეალური მრავალმხრივი ფორმა, მაგრამ ეს არ არის მინერალის ან ლითონის მთავარი მახასიათებელი.
როდესაც კრისტალი იშლება პატარა ფრაგმენტებად, არაფერი დარჩება იდეალური სახით, მაგრამ ნებისმიერი ფრაგმენტი, როგორც ადრე, დარჩება კრისტალად. ბროლის გამორჩეული თვისება არის არა მისი გარეგნობა, არამედ მისი შიდა სტრუქტურის დამახასიათებელი ნიშნები.
სიმეტრიული
პირველი, რაც უნდა გვახსოვდეს და გაითვალისწინოთ კრისტალების შესწავლისას არის ფენომენისიმეტრია. ის ფართოდ არის გავრცელებული ყოველდღიურ ცხოვრებაში. პეპლის ფრთები სიმეტრიულია, ნახევრად დაკეცილი ქაღალდის ანაბეჭდი. სიმეტრიული თოვლის კრისტალები. ექვსკუთხა ფიფქს აქვს სიმეტრიის ექვსი სიბრტყე. ნახატის მოხრით ნებისმიერი ხაზის გასწვრივ, რომელიც ასახავს ფიფქის სიმეტრიის სიბრტყეს, შეგიძლიათ დააკავშიროთ მისი ორი ნახევარი ერთმანეთთან.
სიმეტრიის ღერძს აქვს ისეთი თვისება, რომ ფიგურის გარშემო ცნობილი კუთხით შემობრუნებით, შესაძლებელია ფიგურის შესაფერისი ნაწილების ერთმანეთთან შერწყმა. შესაფერისი კუთხის ზომის მიხედვით, რომლითაც საჭიროა ფიგურის შემობრუნება, კრისტალებში განისაზღვრება მე-2, მე-3, მე-4 და მე-6 რიგის ღერძები. ამრიგად, ფიფქებში არის მეექვსე რიგის სიმეტრიის ერთი ღერძი, რომელიც პერპენდიკულარულია ნახატის სიბრტყეზე.
სიმეტრიის ცენტრი არის ისეთი წერტილი ფიგურის სიბრტყეში, საიდანაც იმავე მანძილზე, საპირისპირო მიმართულებით არის ფიგურის იგივე სტრუქტურული ელემენტები.
რა არის შიგნით?
კრისტალების შინაგანი სტრუქტურა არის მოლეკულების და ატომების ერთგვარი კომბინაცია მხოლოდ კრისტალებისთვის დამახასიათებელი რიგით. როგორ იციან ნაწილაკების შიდა სტრუქტურა, თუ ისინი მიკროსკოპითაც არ ჩანს?
ამისთვის გამოიყენება რენტგენი. მათი გამოყენებით გამჭვირვალე კრისტალებისთვის, გერმანელმა ფიზიკოსმა მ.ლაუემ, ინგლისელმა ფიზიკოსებმა მამა-შვილმა ბრაგმა და რუსმა პროფესორმა იუ ვულფმა დაადგინეს კანონები, რომელთა მიხედვითაც შეისწავლება კრისტალების სტრუქტურა და სტრუქტურა.
ყველაფერი გასაკვირი და მოულოდნელი იყო. სამომოლეკულის სტრუქტურის კონცეფცია გამოუყენებელი აღმოჩნდა მატერიის კრისტალური მდგომარეობისთვის.
მაგალითად, ისეთ ცნობილ ნივთიერებას, როგორიცაა სუფრის მარილი, აქვს NaCl მოლეკულის ქიმიური შემადგენლობა. მაგრამ კრისტალში ქლორისა და ნატრიუმის ცალკეული ატომები არ ერწყმის ცალკეულ მოლეკულებს, არამედ ქმნიან გარკვეულ კონფიგურაციას, რომელსაც ეწოდება სივრცითი ან კრისტალური ბადე. ქლორისა და ნატრიუმის უმცირესი ნაწილაკები ელექტრული კავშირია. მარილის ბროლის ბადე იქმნება შემდეგნაირად. ნატრიუმის ატომის გარე გარსის ერთ-ერთი ვალენტური ელექტრონი შეყვანილია ქლორის ატომის გარე გარსში, რომელიც ბოლომდე არ არის შევსებული ქლორის მესამე გარსში მერვე ელექტრონის არარსებობის გამო. ამრიგად, კრისტალში ნატრიუმის და ქლორის თითოეული იონი არ ეკუთვნის ერთ მოლეკულას, არამედ მთელ კრისტალს. იმის გამო, რომ ქლორის ატომი ერთვალენტიანია, მას შეუძლია მხოლოდ ერთი ელექტრონის მიმაგრება. მაგრამ კრისტალების სტრუქტურული თავისებურებები იწვევს იმ ფაქტს, რომ ქლორის ატომი გარშემორტყმულია ნატრიუმის ექვსი ატომით და შეუძლებელია იმის დადგენა, თუ რომელი მათგანი გაუზიარებს ელექტრონს ქლორს.
გამოდის, რომ სუფრის მარილის ქიმიური მოლეკულა და მისი ბროლი სულაც არ არის ერთი და იგივე. მთელი ერთი კრისტალი ერთ გიგანტურ მოლეკულას ჰგავს.
გრილი - მხოლოდ მოდელი
შეცდომის თავიდან აცილება უნდა მოხდეს, როდესაც სივრცითი გისოსი კრისტალური სტრუქტურის რეალურ მოდელად არის აღებული. გისოსი - კრისტალების სტრუქტურაში ელემენტარული ნაწილაკების შეერთების მაგალითის ერთგვარი პირობითი გამოსახულება. ქსელის კავშირის წერტილები ბურთების სახითვიზუალურად საშუალებას გაძლევთ გამოსახოთ ატომები და მათი დამაკავშირებელი ხაზები არის მათ შორის დამაკავშირებელი ძალების სავარაუდო სურათი.
სინამდვილეში, ატომებს შორის უფსკრული კრისტალის შიგნით გაცილებით მცირეა. ეს არის მისი შემადგენელი ნაწილაკების მკვრივი შეფუთვა. ბურთი არის ატომის ჩვეულებრივი აღნიშვნა, რომლის გამოყენება შესაძლებელს ხდის წარმატებით ასახოს მჭიდრო შეფუთვის თვისებები. სინამდვილეში, არ არის ატომების მარტივი შეხება, არამედ მათი ურთიერთ ნაწილობრივი გადახურვა ერთმანეთთან. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ბურთის გამოსახულება ბროლის გისოსის სტრუქტურაში, სიცხადისთვის არის ისეთი რადიუსის გამოსახული სფერო, რომელიც შეიცავს ატომის ელექტრონების ძირითად ნაწილს..
სიძლიერის პირობა
არსებობს მიზიდულობის ელექტრული ძალა ორ საპირისპიროდ დამუხტულ იონს შორის. ეს არის დამაკავშირებელი იონური კრისტალების სტრუქტურაში, როგორიცაა სუფრის მარილი. მაგრამ თუ იონებს ძალიან მიახლოვებთ, მაშინ მათი ელექტრონული ორბიტები გადაფარავს ერთმანეთს და გამოჩნდება მსგავსი დამუხტული ნაწილაკების საწინააღმდეგო ძალები. კრისტალის შიგნით იონების განაწილება ისეთია, რომ ამაღელვებელი და მიმზიდველი ძალები წონასწორობაშია, რაც უზრუნველყოფს კრისტალურ ძალას. ეს სტრუქტურა ტიპიურია იონური კრისტალებისთვის.
ხოლო ალმასის და გრაფიტის კრისტალურ ბადეებში არის ატომების კავშირი საერთო (კოლექტიური) ელექტრონების დახმარებით. მჭიდროდ განლაგებულ ატომებს აქვთ საერთო ელექტრონები, რომლებიც ბრუნავენ როგორც ერთი, ისე მეზობელი ატომების ბირთვის გარშემო.
ასეთი ბმებით ძალების თეორიის დეტალური შესწავლა საკმაოდ რთულია და მდგომარეობს კვანტური მექანიკის სფეროში.
მეტალის განსხვავებები
მეტალის კრისტალების სტრუქტურა უფრო რთულია. იმის გამო, რომ ლითონის ატომები ადვილად აძლევენ ხელმისაწვდომ გარე ელექტრონებს, მათ შეუძლიათ თავისუფლად გადაადგილდნენ კრისტალის მთელ მოცულობაში, ქმნიან ე.წ. ელექტრონულ გაზს მის შიგნით. ასეთი „მოხეტიალე“ელექტრონების წყალობით იქმნება ძალები, რომლებიც უზრუნველყოფენ ლითონის ინგოტის სიმტკიცეს. ნამდვილი ლითონის კრისტალების სტრუქტურის შესწავლა გვიჩვენებს, რომ ლითონის ჟოლოს გაგრილების მეთოდიდან გამომდინარე, ის შეიძლება შეიცავდეს ნაკლოვანებებს: ზედაპირულ, წერტილოვან და ხაზოვან. ასეთი დეფექტების ზომა არ აღემატება რამდენიმე ატომის დიამეტრს, მაგრამ ისინი ამახინჯებენ კრისტალურ ქსელს და გავლენას ახდენენ მეტალებში დიფუზიის პროცესებზე.
კრისტალური ზრდა
უფრო მოსახერხებელი გაგებისთვის, კრისტალური ნივთიერების ზრდა შეიძლება წარმოდგენილი იყოს აგურის სტრუქტურის აღმართვით. თუ დაუმთავრებელი ქვისა ერთი აგური წარმოდგენილია როგორც ბროლის განუყოფელი ნაწილი, მაშინ შესაძლებელია დადგინდეს სად გაიზრდება ბროლი. ბროლის ენერგეტიკული თვისებები ისეთია, რომ პირველ აგურზე მოთავსებული აგური განიცდის მიზიდულობას ერთი მხრიდან - ქვემოდან. მეორეზე დაყრისას - ორი მხრიდან, ხოლო მესამეზე - სამიდან. კრისტალიზაციის პროცესში - თხევადი მდგომარეობიდან მყარ მდგომარეობაში გადასვლა - გამოიყოფა ენერგია (შერწყმის სითბო). სისტემის უდიდესი სიმტკიცისთვის, მისი შესაძლო ენერგია მინიმუმამდე უნდა იყოს მიდრეკილი. ამრიგად, კრისტალების ზრდა ხდება ფენით. ჯერ სრულდება თვითმფრინავის რიგი, შემდეგ მთელი თვითმფრინავი და მხოლოდ ამის შემდეგ დაიწყება შემდეგის აგება.
მეცნიერებაკრისტალები
კრისტალოგრაფიის ძირითადი კანონი - მეცნიერება კრისტალების შესახებ - ამბობს, რომ ყველა კუთხე ბროლის სხვადასხვა სიბრტყეს შორის ყოველთვის მუდმივი და ერთნაირია. რაც არ უნდა დამახინჯებული იყოს მზარდი კრისტალი, მის სახეებს შორის კუთხეები ინარჩუნებს იგივე მნიშვნელობას, რომელიც თან ახლავს ამ ტიპს. განურჩევლად ზომისა, ფორმისა და რიცხვისა, ერთი და იგივე კრისტალური სიბრტყის სახეები ყოველთვის იკვეთება წინასწარ განსაზღვრული კუთხით. კუთხეების მუდმივობის კანონი აღმოაჩინა მ.ვ. ლომონოსოვი 1669 წელს და დიდი როლი ითამაშა კრისტალების სტრუქტურის შესწავლაში.
ანიზოტროპია
კრისტალების წარმოქმნის პროცესის თავისებურება განპირობებულია ანიზოტროპიის ფენომენით - სხვადასხვა ფიზიკური მახასიათებლები ზრდის მიმართულებიდან გამომდინარე. ერთკრისტალები ელექტროენერგიას, სითბოს და სინათლეს განსხვავებულად ატარებენ სხვადასხვა მიმართულებით და აქვთ არათანაბარი ძალა.
ამგვარად, ერთსა და იმავე ქიმიურ ელემენტს ერთი და იგივე ატომებით შეუძლია შექმნას სხვადასხვა კრისტალური გისოსები. მაგალითად, ნახშირბადს შეუძლია კრისტალიზაცია მოახდინოს ბრილიანტად და გრაფიტად. ამავდროულად, ბრილიანტი მინერალებს შორის მაქსიმალური სიმტკიცის მაგალითია და გრაფიტი ადვილად ტოვებს თავის სასწორებს ქაღალდზე ფანქრით წერისას.
მინერალების სახეებს შორის კუთხეების გაზომვას დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს მათი ბუნების დასადგენად.
ძირითადი ფუნქციები
კრისტალების სტრუქტურული მახასიათებლების გაცნობის შემდეგ, შეგვიძლია მოკლედ აღვწეროთ მათი ძირითადი თვისებები:
- ანიზოტროპია - არათანაბარი თვისებები სხვადასხვა მიმართულებით.
- ერთგვაროვნება - ელემენტარულიკრისტალების შემადგენელ კომპონენტებს, თანაბრად განლაგებული, აქვთ იგივე თვისებები.
- თვითდაჭრის უნარი - ბროლის ნებისმიერი ფრაგმენტი მისი ზრდისთვის შესაფერის გარემოში მიიღებს მრავალმხრივ ფორმას და დაიფარება ამ ტიპის კრისტალების შესაბამისი სახეებით. ეს არის ის თვისება, რომელიც საშუალებას აძლევს კრისტალს შეინარჩუნოს სიმეტრია.
- დნობის წერტილის უცვლელობა. მინერალის სივრცითი გისოსების განადგურება, ანუ კრისტალური ნივთიერების გადასვლა მყარი მდგომარეობიდან თხევად მდგომარეობაში, ყოველთვის ერთსა და იმავე ტემპერატურაზე ხდება.
კრისტალები არის მყარი ნივთიერებები, რომლებმაც მიიღეს სიმეტრიული პოლიედრონის ბუნებრივი ფორმა. კრისტალების სტრუქტურა, რომელიც ხასიათდება სივრცითი გისოსებით, ემსახურებოდა ფიზიკაში მყარი ნივთიერების ელექტრონული სტრუქტურის თეორიის შემუშავებას. მინერალების თვისებებისა და აგებულების შესწავლას დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს.
