Кристаллы и их свойства

Когда атомы гелия соударяются с острием положительно заряженной иглы, от них отрывается по одному электрону, и они становятся положительными ионами. Чаще всего соударение атомов гелия происходит с выступающими участками поверхности острия — «с торчащими» из решетки металла отдельными, атомами или группами атомов. Поэтому ионизация гелия в основном происходит около таких выступов. От каждого выступа-атома ион за ионом летит по прямым в направлении отрицательно заряженного катода 3. При ударах об экран они вызывают его свечение, создавая увеличенное до 107 раз изображение поверхности острия. Пунктир из светлых точек на фотографии — это изображение края ступенек слоев атомов, а сами светлые точки — отдельные атомы в вершинах ступенек. Вся картина хорошо передает периодичность и симметрию расположения атомов в кристалле.

Процесс роста кристаллов.

Никто не видел, как образуется зародыш кристалла в растворе или расплаве. Можно высказать предположение, что беспорядочно движущиеся атомы или молекулы случайно могут расположиться в таком порядке, какой соответствует кристаллической решетке. Если раствор не насыщен или температура расплава выше температуры кристаллизации, то зародыши образуются и тут же растворяются или разрушаются тепловым движением. В перенасыщенном растворе или в расплаве, охлажденном до температуры ниже температуры кристаллизации, скорость роста зародыша превышает скорость его разрушения.

Такое, казалось бы разумное предположение не согласуется с результатами практики. Как показывают расчеты, зародыш будет устойчив и сможет расти, если число молекул на его поверхности много меньше числа внутренних молекул. Теоретическая оценка ребра такого зародыша дает величину около 1*10-8 м, т. е. равную нескольким десяткам межатомных расстояний. В объеме этого минимального устойчивого зародыша содержится несколько тысяч атомов. Ясно, что вероятность столкновения такого большого числа атомов ничтожно мала. Однако допустим, что зародыш каким-то образом все же образовался, и выясним, какие условия необходимы для того, чтобы он не растворился, а начал расти.

При образовании зародыша выделилось тепло. Атомы, образовавшие кристаллическую решетку зародыша, передали часть своей энергии соседним атомам расплава, которые начали двигаться быстрее. Атомы ближайшего окружения зародыша до тех пор не смогут «осесть» на нем, пока не передадут избыточную энергию более отдаленным атомам. Таким образом, рост зародыша будет происходить в том случае, если обеспечить постоянный отвод тепла из расплава.

Как же располагаются на поверхности зародыша оседающие атомы? Раньше считали, что рост кристаллов происходит слой за слоем. Сначала завершается построение одного слоя, потом начинается укладка следующего и т. д. В результате грани, наращиваясь слой за слоем, перемещаются параллельно самим себе в направлении, перпендикулярном плоскости грани, как при кладке кирпичной стены. О справедливости такого предположения, казалось бы, говорят факты существования плоских граней у кристаллов. На рисунке 6  показана модель недостроенной грани кристалла. Ясно, что осаждение нового атома наиболее вероятно в точке А поверхности, где он будет удерживаться тремя соседями, тогда как в любой другой точке поверхности грани он будет удерживаться меньшим числом соседей. Когда закончится застройка четвертого ряда, начнется застройка пятого и т. д., пока не завершится вся плоскость.

После этого рост кристалла затрудняется, так как образование нового слоя — событие менее вероятное. Где бы ни «осел» атом на завершенной плоскости, везде он будет связан с небольшим числом атомов кристалла. Вероятность того, что эта слабая связь будет нарушена тепловым движением, велика, поэтому атом не сможет закрепиться на кристалле и перейдет в раствор или в расплав. При таком механизме застройки атомных плоскостей скорость роста кристалла должна быть очень малой. В опыте же при выращивании кристаллов из паров с пересыщением всего в 1% была обнаружена скорость роста кристалла в 101000 раз больше рассчитанной теоретически! По-видимому, большего расхождения теории с опытом в физике не наблюдалось.

Объяснение этому расхождению теории и практики было найдено лишь сравнительно недавно, в 1949 г. Легкость, с какой начинается застройка новой атомной плоскости, оказалось возможным объяснить тем, что реальные кристаллы имеют множество дефектов структуры.

Описывая строение кристаллов, мы пользовались их идеальными моделями. Отличие реальных кристаллов от идеальных заключается в том, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой, а имеют целый ряд нарушений в расположении атомов, называемых дефектами. Знание условий образования дефектов и способов их устранения играет большую роль при использовании кристаллов на практике.

Схемы возникновения дефектов в кристаллах показаны на рисунке 7. Самые простые дефекты в идеальной кристаллической решетке возникают в результате замещения собственного атома чужеродным (рис.7,а), внедрения атома в междоузлие (рис.7,б), отсутствия атома в одном из узлов кристаллической решетки (рис.7.в).

Особую роль в процессе роста кристалла играют несовершенства его структуры, называемые дислокациями (смещениями). Простейшими видами дислокации являются краевая и винтовая. Краевая дислокация образуется в месте обрыва «лишней» атомной полуплоскости (pис. 8). В случае винтовой (дислокации атомные плоскости образуют систему, напоминающую винтовую лестницу. Количество дислокаций в кристаллах может быть очень большим, достигая 108 - 109 см-3. Кристаллов без дислокаций не существует. Постоянное наличие открытой ступеньки винтовой дислокации создает благоприятные условия для роста кристалла, Ведь не нужно начинать строить ни новый ряд, ни новую плоскость. Атомы, пристраивающиеся к ступенькам, наращивают ее, и за счет этого она начинает перемещаться по поверхности грани. Но это движение не будет перемещением ступеньки параллельно самой себе, так как ее конец неподвижен. Нетрудно сообразить, что если атомы укладываются с постоянной скоростью вдоль всей длины ступеньки, то она по мере роста начнет изгибаться и примет форму спирали. Постоянное наращивание ступеньки новыми слоями атомов приведет к тому, что на грани кристалла образуется спиральная башенка (рис. 9). Центральная часть ее как бы ввинчивается в пространство, опережая в своем движении нижние ступеньки лестницы, которые со временем будут застроены полностью и исчезнут, превратившись в завершенный атомный слой.

Фотографии, полученные с помощью электронного микроскопа, подтвердили реальность спирального механизма роста кристаллов. Если имеется много близко расположенных дислокаций, то ступеньки роста кристаллов имеют высоту во много атомных слоев и их можно видеть даже в обычный микроскоп.

Зарождение кристалла облегчается при наличии в растворе или расплаве мельчайших инородных тел — пылинок и других загрязнений. Очевидно, в данном случае зародыши кристаллов образуются не путем объединения при случайных столкновениях атомов или молекул, а в результате осаждения атомов на твердых инородных телах, пылинках, практически всегда присутствующих в расплаве или газе. Например, зародышами снежинок являются взвешенные в воздухе твердые пылинки, чаще всего мельчайшие кварцевые песчинки. Неправильная форма пылинки, на которой начинается зарождение кристалла, способствует возникновению в нем дислокации и резкому возрастанию скорости роста кристалла.

Способы зарождения новых слоев и скорости роста граней кристаллов различных веществ неодинаковы. Одни кристаллы вырастают в виде пластин, другие — в виде иголок. Это вызвано многими причинами. Одна из них — различие молекул вещества по форме. Различие скоростей роста граней кристаллов многих веществ объясняется зависимостью от направления величины сил связи частиц, образующих кристалл. Вероятность прилипания молекул в направлении действия больших сил, конечно, оказывается большей, чем в направлении действия меньших сил. Так обстоит дело в кристаллах с пластинчатой структурой (слюда, графит), в которых рост происходит преимущественно вдоль плоскостей, где действуют сильные связи. В направлениях, перпендикулярных этим плоскостям, скорость роста значительно ниже.

Но не только форма молекул и заметная разница сил их взаимодействия в различных направлениях определяют форму растущего кристалла. Если кристаллы растут при больших пересыщениях пара или раствора, то часто образуются необычные для данного вещества ветвистые, древовидные формы, называемые дендритами. Объясняется это тем, что вершины кристаллов соприкасаются с более пересыщенным паром или раствором, чем их грани. Опережая в росте боковые грани, вершины внедряются в глубь неиспользованного раствора или пара, что способствует их дальнейшему быстрому росту и т, д.

Примером дендритных образовании являются снежинки, ледяные узоры на стекле. При медленном росте кристаллы льда принимают обычную для них форму шестигранных призм. Дендриты образуются при быстром охлаждении расплавов солей и металлов. В природе довольно часто встречаются в виде дендритов серебро, медь, золото.

Кристаллы в природе

Вопрос о происхождении большинства минералов в природе тесно связан со сложной проблемой происхождения и развития Земли. Согласно современным представлениям Земля образовалась путем объединения первоначально холодного вещества, имевшегося в солнечной системе в виде твердых частиц пыли. За счет выделения энергии при столкновении частиц, а также за счет ряда других источников энергии Земля должна была разогреться до 1000—2000° С. При такой высокой температуре слои, близкие к поверхности и не сжатые давлением вышележащих слоев, должны были расплавиться. В этом расплавленном слое произошло разделение пород: менее плотные породы, типа гранитов, всплыли на поверхность, под ними расположился слой более плотных базальтов и еще ниже — породы, слагающие мантию. Газы, освободившиеся при расплавлении вещества верхнего слоя земного шара, образовали атмосферу Земли. При последующем остывании Земли расплавленные слои затвердели и образовали земную кору, пары воды после конденсации из атмосферы создали Мировой океан.

Многие минералы и горные породы образовались при охлаждении земной коры подобно тому, как образуется лед при замерзании воды. Магма, вещество земной коры в расплавленном состоянии, представляет собой сложный расплав различных веществ, насыщенный различными горячими газами и парами. При охлаждении магмы сначала в ней образовались кристаллы того вещества, температура кристаллизации которого самая высокая. По мере дальнейшего охлаждения происходила кристаллизация других минералов, обладающих меньшей температурой кристаллизации, и так до тех пор, пока вся магма не затвердела. Так, в честности, могли образовываться такие распространенные породы, как граниты.

   Рассматривая зернистую поверхность гранита, можно сделать вывод, какой из входящих в его состав минералов образовался раньше других. Зерна этого минерала крупнее и имеют форму, близкую к форме правильных кристаллов, так как им не мешали расти кристаллы других минералов. Зерна кристаллов, образовавшихся позднее, мельче и имеют случайную форму, так как для их роста остались лишь промежутки между зернами ранее выросших кристаллов. Чем медленнее понижалась температура магмы, т. е. чем дольше росли кристаллы, тем крупнозернистее получался минерал. Мелкозернистые же минералы образовались при более быстром охлаждении, А при очень быстром охлаждении магмы, например при ее выбросах на поверхность Земли во время извержения вулканов, она затвердела раньше, чем начали расти кристаллы. Вероятно, так образовался обсидиан, встречающийся на Кавказе.

При затвердевании объем земной коры уменьшался и в ней появлялись трещины и пустоты. В таких пустотах рост кристаллов происходит беспрепятственно. В них часто находят круги и хорошо ограненные кристаллы кварца, пластинчатые кристаллы слюды площадью в несколько квадратных метров и многие другие.

Многие минералы возникли из пересыщенных водных растворов. Первым среди них следует назвать каменную соль NaCl являющуюся одним из наиболее знакомых каждому человеку минералов. Толщина пластов каменной соли, образовавшихся при испарении воды соленых озер, достигает в некоторых месторождениях нескольких сотен метров.

Каждому знаком способ образования кристаллов из пара. Снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев, представляют собой кристаллы льда, выросшие из паров воды.

Подобным образом образуются и кристаллы некоторых минералов. Например, летучие пары соединений борного ангидрида оседая на стенках пустот и трещин остывающей магмы, образуют кристаллы турмалина, иногда достигающие 2—3 м длины.

На стенках кратеров «курящихся» вулканов постоянно образуются кристаллы серы, хлористого аммония, каменной соли и других веществ, достигающих поверхности Земли в виде пара. Однажды при извержении Везувия за несколько дней из паров образовалась жила кристаллов гематита (Ре2О3) толщиной 1 м.

Многие кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов. Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5 — 10 лет образуется драгоценный камень жемчуг, имеющий поликристаллическое строение.

В морской воде растворено много различных солей. Мириады организмов, населяющих моря, строят свои раковины и скелеты из углекислого кальция и кремнезема. Выпадая в осадок, раковины и скелеты умерших организмов образуют мощные пласты так называемых осадочных пород. Рифы и целые острова в океанах сложены из кристалликов углекислого кальция, составляющих основу скелета беспозвоночных животных — коралловых полипов. Мощные слои известняка в земной коре являются результатом многовековых отложений раковин и панцирей различных организмов. В результате движений земной коры часть известняка оказалась на значительной глубине, где под действием высокого давления и температуры без плавления превратилась в мрамор. Мрамор является типичным примером видоизмененных — метаморфических — пород. Кристалл обычно служит символом неживой природы. Однако грань между живым и неживым установить очень трудно и понятия «кристалл» и «жизнь» не являются взаимоисключающими. Простейшие живые организмы — вирусы — могут соединяться в кристаллы. Конечно, в кристаллическом состоянии они не обна­руживают никаких признаков живого, так как сложные жизненные процессы в кристаллах протекать не могут. Но при изменениях внешних условий на благоприятные (такими для вирусов являются условия внутри клеток живого организма) они начинают двигаться, размножаться.