Структура кристаллов

Вообразите на минутку, что ваши глаза стали столь зоркими, что могут разглядеть отдельные атомы или молекулы. Куда вы ни посмотрите теперь, перед вашим взором открывается структура кристаллов, и вы замечаете движение частиц. Взглянув на газ, вы увидите беспорядочное движение атомов, ионов, молекул: отдельные частицы, непрерывно двигаясь, сталкиваются друг с другом. Беспорядочно движутся частицы и в жидкости, хотя здесь они размещены уже теснее, каждая из них как бы стремится держаться поближе к соседям. И совсем по-иному движутся частицы кристаллов.

Куда вы ни посмотрите теперь, перед вашим взором открывается структура кристаллов, и вы замечаете движение частиц

Структура кристаллов правильная, строго закономерная. И в них тоже атомы, ионы, молекулы не находятся в покое, но частицы не сталкиваются друг с другом, потому что все они расположены правильным строем, и каждая может только колебаться около определенного положения.

Если бы удалось войти внутрь кристалла, вы увидели бы, что вокруг вас во все стороны тянутся ровные бесконечные ряды частиц. В пространстве эти правильные ряды частиц образуют кристаллическую структуру кристаллов. И структура всех кристаллических веществ периодична и закономерна. Во всех кристаллах частицы выстраиваются симметричными правильными рядами, плоскими сетками, трехмерными решетками.

Что происходит, когда жидкость, застывая, превращается в твердое тело, например, когда застывает расплавленный металл? При этом меняется характер движения частиц вещества. В твердом кристаллическом веществе каждая частица движется "вольно", колеблется, но только у своего места в строю. Структура кристаллов похожа на пчелиные соты или на строительные леса: вправо и влево, вперед и назад, вверх вытянутся ровные, правильные, бесконечные ряды частиц.

Однако, выйти из строя частицы твердого тела могут, только если, например, нагреть кристалл так, чтобы он начал плавиться. Под теплыми лучами весеннего солнца нагревается, начинает таять лед: это разрушается строй частиц в кристалле льда, ослабевают силы, удерживающие частицы на своих местах.

Порядок, закономерность, периодичность, симметрия расположения атомов – вот что характерно для структуры кристаллов. Но, одинаков ли порядок, строй атомов в разных твердых телах? Конечно, нет. Природа бесконечно разнообразна и не любит повторения. Строй атомов железа совсем не похож на постройку кристалла льда. В каждом веществе есть именно свой, характерный узор и порядок расположения атомов. И от того, каков этот порядок, зависят свойства вещества. Одни и те же атомы, частицы одного сорта, располагаясь по-разному, образуют вещества с совсем разными свойствами. Посмотрим, например, на атомы углерода. Сажа, или копоть, – мягкий черный порошок – это углерод. Уголь, древесный или каменный, – это тоже углерод. Графит – кристалл, сложенный из атомов углерода.

Есть и другая форма кристаллов углерода – алмаз, самый дорогой и самый красивый из драгоценных камней. Граненый алмаз называют бриллиантом. Алмаз очень твердый, он тверже всех камней на Земле.

Трудно поверить, что алмаз и графит сложены из одних и тех же атомов углерода. Графит мягкий, непрозрачный, черный. Алмаз – твердый, прозрачный, искрящийся всеми цветами радуги. Графит – огнеупорный, алмаз легко горит. Попробуй после этого сомневаться в том, что алмаз, графит и сажа состоят из одних и тех же атомов углерода, а разница лишь в том, какова структура расположения этих атомов. Расставлены они одним строем – и возникает мягкий черный графит. Перестроятся по-другому – и получится твердый прозрачный алмаз.

Структура кристаллов определяет свойства вещества и его форму. А правильная многогранная форма – это следствие атомной структуры. Каждое кристаллическое вещество можно отличить от других кристаллических веществ по его атомной структуре. В одних кристаллах решетки очень простые, в других – очень сложные. В разных веществах различны расстояния между частицами в решетке. Но все эти расстояния очень малы, это – стомиллионные доли сантиметра (ангстремы). На вопрос, что такое кристаллы, ответ таков: кристаллы – это вещества, в которых составляющие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены строго периодически, образуя геометрически закономерную кристаллическую структуру.

Структура как у кристаллов обнаружена не только в природных многогранниках камней, в кристаллических горных породах и в металлах, но и в очень многих других телах. Громадное большинство твердых веществ на Земле являются кристаллическими. Только эти кристаллы – большей частью не те прекрасные многогранники, которыми мы любуемся в музеях, а крохотные, подчас невидимые глазом зернышки. Однако внутренняя структура таких невзрачных зернышек столь же красива и удивительно закономерна!

Инструменты