Основные понятия о кристаллах

«Кристаллография или наука, изучающая кристаллы во всевозможных отношениях, есть основание всех наук о неорганической природе». Эта цитата принадлежит выдающемуся русскому кристаллографу и геометру Е.С. Федорову. Он один из тех, кто стоял у истоков создания кристаллографии.

Кристаллами называют твердые тела, образующиеся в природе или искусственно полученные в научных и заводских лабораториях в виде многогранников с плоскими гранями. Несколько иное определение принадлежит Г.В. Вульфу: «... кристаллом называется тело, ограниченнное в силу своих внутренних свойств плоскими поверхностями ¾ гранями». Грани пересекаются называются по прямым линиям, именуемым ребрами. Точки пересечения ребер образуют вершины кристаллических многогранников. В реальных кристаллах часто наблюдаются различные отклонения от геометрически правильной формы. В частности, грани реальных кристаллов алмаза могут быть ступенчатыми и даже криволинейными. Ребра могут быть замещены узкими ступенчатыми, а вершины ¾ бугорчатыми поверхностями.

Симметрия и правильность внешней формы природных многогранников ¾ отличительная особенность кристаллов. Геометрическая четкость их формы отражает строгую закономерность и симметрию внутренней структуры кристаллов. С помощью дифракции рентгеновских лучей Лауэ в 1912 г. экспериментально доказал ранее выдвинутую учеными гипотезу, согласно которой все кристаллы построены из материальных частиц (атомов, ионов, молекул), геометрически правильно расположенных в пространстве в виде рядов, сеток, решеток.

Все твердые тела разделяются на кристаллические и аморфные. Кристаллическое состояние твердого тела, по сравнению с аморфным, более устойчиво, так как закономерное расположение частиц в структуре соответствует минимуму свободной энергии. В кристаллах наблюдается дальний порядок расположения частиц, в то время как у аморфного тела устанавливается только ближний порядок.  

Кристаллы существуют в виде отдельных целостных индивидов ¾ монокристаллов или образуют сложные агрегаты ¾ поликристаллы, состоящие из множества мелких кристаллических зерен, иногда столь малого размера, что у них уже не различаются характерные очертания кристалла.

Важнейшими свойствами кристаллов являются: однородность, анизотропность и способность самоограняться.

Однородным будем называть тело, которое во всем своем объеме обнаруживает одинаковые свойства. В отличие от аморфного тела однородность кристаллов устанавливается только по параллельным направлениям. Важно отметить, что при обсуждении однородности не принимается во внимание несовершенства реальных кристаллов, вызванные воздействием или даже проникновением в кристалл внешней среды. Например, включения инородных минеральных фаз, механические повреждения и трещины. Следует иметь ввиду, что кристалл можно рассматривать как сплошную и однородную среду в объемах, значительно больших, чем объем одной частицы и значительно меньших, чем объем кристалла в целом. Такая возможность представляется при изучении зонально-секториальной неоднородности кристаллов минералов, когда в неоднородном индивиде выделяются отдельные части в общем объеме кристалла. Такие части ¾ зоны роста и пирамиды нарастания граней ¾ однородны внутри каждой отдельно взятой части, но отличаются по свойствам между разными зонами и пирамидами. 

Второе важнейшее качество кристалла ¾ анизотропность. Анизотропным называется однородное тело, свойства которого изменяются в зависимости от направления. Физико-технические характеристики анизотропного тела различаются в разных направлениях, но одинаковы в направлениях, симметричных друг другу. Например, слюда легко расщепляется на параллельные листочки, но только вдоль плоскостей с определенной ориентацией. В поперечных и близких к ним направлениях расщепить слюдяные пластины не удается. Анизотропность кристаллов есть следствие того, что в структуре его кристаллической решетки в разных направлениях частицы располагаются на неодинаковых расстояниях, вследствие чего силы связи между ними различаются.

Третье отличительное свойство кристаллов способность ¾ самоограняться. Способность к самоогранке кристалл убедительно демонстрирует в следующем опыте. Если из кристалла выточить шарик и поместить его в подходящую для роста среду, то с течением времени округлый образец станет покрываться плоскими гранями. Такой опыт можно осуществить в домашних условиях каждый желающий, использовав кристалл соли или сахара. В противоположность кристаллу, объекту из аморфного материала, например стекло, способностью самоограняться не обладает,  

Если двумя первыми качествами могут обладать и другие твердые тела, то самоограняться или принимать форму многогранника в результате свободного роста, могут только кристаллы.