وقتی به کریستال ها و جواهرات نگاه می کنید، می خواهید بفهمید که چگونه این زیبایی اسرارآمیز ظاهر شده است، چگونه چنین آثار شگفت انگیزی از طبیعت خلق می شود. تمایل به کسب اطلاعات بیشتر در مورد خواص آنها وجود دارد. به هر حال، ساختار خاص و تکرار نشدنی کریستال‌ها در طبیعت به آنها اجازه می‌دهد در همه جا استفاده شوند: از جواهرات گرفته تا آخرین اختراعات علمی و فنی.
بررسی مواد معدنی کریستالی
ساختار و خواص بلورها به قدری چندوجهی است که علم جداگانه ای به نام کانی شناسی به مطالعه و بررسی این پدیده ها می پردازد. آکادمیسین معروف روسی الکساندر اوگنیویچ فرسمن چنان جذب تنوع و بی نهایت بودن دنیای کریستال ها شده بود که سعی کرد با این موضوع هرچه بیشتر اذهان را مجذوب خود کند. او در کتاب کانی‌شناسی سرگرم‌کننده‌اش، مشتاقانه و به گرمی اصرار کرد که با اسرار مواد معدنی آشنا شده و در دنیای جواهرات غوطه‌ور شود:
من واقعا تو را می خواهماسیر کردن می‌خواهم به کوه‌ها و معادن، معادن و معادن علاقه‌مند شوید، تا مجموعه‌ای از مواد معدنی را جمع‌آوری کنید، تا بخواهید با ما از شهر دورتر، به مسیر رودخانه، جایی که آنجا وجود دارد، بروید. سواحل صخره ای مرتفع، به بالای کوه ها یا ساحل صخره ای، جایی که سنگ شکسته، شن استخراج می شود، یا سنگ معدن در حال انفجار است. در آنجا، در همه جا، من و شما کاری برای انجام خواهیم یافت: و در صخره‌های مرده، ماسه‌ها و سنگ‌ها، یاد می‌گیریم قوانین بزرگ طبیعت را بخوانیم که بر کل جهان حکومت می‌کنند و بر اساس آنها کل جهان ساخته شده است.
فیزیک کریستال ها را مطالعه می کند و استدلال می کند که هر جسم واقعاً جامد یک کریستال است. شیمی ساختار مولکولی کریستال ها را بررسی می کند و به این نتیجه می رسد که هر فلزی ساختار کریستالی دارد.
مطالعه خواص شگفت انگیز کریستال ها برای توسعه علوم مدرن، فناوری، صنعت ساختمان و بسیاری از صنایع دیگر از اهمیت بالایی برخوردار است.
قوانین اساسی بلورها
اولین چیزی که مردم هنگام نگاه کردن به کریستال متوجه می شوند شکل چندوجهی ایده آل آن است، اما این ویژگی اصلی یک کانی یا فلز نیست.
وقتی یک کریستال به قطعات کوچک شکسته می شود، چیزی از شکل ایده آل باقی نمی ماند، اما هر قطعه، مانند قبل، یک کریستال باقی می ماند. ویژگی متمایز یک کریستال ظاهر آن نیست، بلکه ویژگی های مشخصه ساختار داخلی آن است.
متقارن
اولین چیزی که هنگام مطالعه کریستال ها باید به خاطر بسپارید و به آن توجه کنید پدیده استتقارن در زندگی روزمره گسترده است. بال های پروانه متقارن هستند، نقش یک لکه روی یک تکه کاغذ که از وسط تا شده است. بلورهای متقارن برف دانه برف شش ضلعی دارای شش صفحه تقارن است. با خم کردن تصویر در امتداد هر خطی که صفحه تقارن دانه برف را نشان می دهد، می توانید دو نیمه آن را با یکدیگر ترکیب کنید.
محور تقارن دارای چنان خاصیت است که با چرخاندن یک شکل با زاویه ای مشخص به دور آن، می توان قسمت های مناسب شکل را با یکدیگر ترکیب کرد. بسته به اندازه زاویه مناسبی که شکل باید با آن بچرخد، محورهای مرتبه 2، 3، 4 و 6 در کریستال ها تعیین می شود. بنابراین، در دانه های برف، یک محور تقارن منفرد از مرتبه ششم وجود دارد که بر صفحه رسم عمود است.
مرکز تقارن چنین نقطه ای از صفحه شکل است که در همان فاصله از آن در جهت مخالف همان عناصر ساختاری شکل قرار دارند.
داخل چیست؟
ساختار درونی کریستال ها نوعی ترکیب مولکول ها و اتم ها به ترتیبی است که فقط برای کریستال ها خاص است. اگر حتی با میکروسکوپ هم قابل رویت نباشند، چگونه ساختار داخلی ذرات را می دانند؟
برای این کار از اشعه ایکساستفاده می شود. فیزیکدان آلمانی M. Laue، فیزیکدانان انگلیسی پدر و پسر براگ و پروفسور روسی Yu. Wolf با استفاده از آنها برای بلورهای شفاف، قوانینی را ایجاد کردند که بر اساس آن ساختار و ساختار بلورها مطالعه می شود..
همه چیز غافلگیرکننده و غیرمنتظره بود. سامومعلوم شد که مفهوم ساختار مولکول برای حالت کریستالی ماده غیرقابل اجرا است.
به عنوان مثال، ماده معروفی مانند نمک خوراکی دارای ترکیب شیمیایی مولکول NaCl است. اما در یک کریستال، اتم‌های مجزای کلر و سدیم به مولکول‌های مجزا اضافه نمی‌شوند، بلکه پیکربندی خاصی به نام شبکه فضایی یا کریستالی را تشکیل می‌دهند. کوچکترین ذرات کلر و سدیم با یکدیگر پیوند الکتریکی دارند. شبکه کریستالی نمک به صورت زیر تشکیل می شود. یکی از الکترون های ظرفیت لایه بیرونی اتم سدیم به لایه بیرونی اتم کلر وارد می شود که به دلیل عدم وجود الکترون هشتم در لایه سوم کلر، این لایه کاملاً پر نشده است. بنابراین، در یک بلور، هر یون سدیم و کلر به یک مولکول تعلق ندارد، بلکه به کل کریستال تعلق دارد. با توجه به اینکه اتم کلر تک ظرفیتی است، می تواند تنها یک الکترون را به خود متصل کند. اما ویژگی‌های ساختاری کریستال‌ها به این واقعیت منجر می‌شود که اتم کلر توسط شش اتم سدیم احاطه شده است و نمی‌توان تعیین کرد کدام یک از آنها الکترون را با کلر به اشتراک می‌گذارند.
معلوم شد که مولکول شیمیایی نمک خوراکی و کریستال آن اصلاً یکسان نیستند. کل تک کریستال مانند یک مولکول غول پیکر است.
مشبک - فقط مدل
وقتی شبکه فضایی به عنوان مدل واقعی ساختار کریستالی در نظر گرفته می شود، باید از خطا اجتناب شود. شبکه - نوعی تصویر شرطی از نمونه ای از اتصال ذرات بنیادی در ساختار کریستال ها. نقاط اتصال شبکه به شکل توپبصری به شما امکان می دهد اتم ها را به تصویر بکشید، و خطوطی که آنها را به هم متصل می کنند، تصویری تقریبی از نیروهای پیوند بین آنها هستند.
در واقعیت، شکاف‌های بین اتم‌های درون یک کریستال بسیار کوچک‌تر است. این یک بسته بندی متراکم از ذرات تشکیل دهنده آن است. توپ یک نام معمولی از یک اتم است که استفاده از آن این امکان را فراهم می کند که با موفقیت ویژگی های بسته بندی نزدیک را منعکس کند. در واقعیت، تماس ساده اتم ها وجود ندارد، بلکه همپوشانی جزئی متقابل آنها با یکدیگر وجود دارد. به عبارت دیگر، تصویر یک توپ در ساختار شبکه کریستالی، برای وضوح، کره تصویر شده از چنین شعاع است که شامل بخش اصلی الکترون های اتم است.
پیمان قدرت
نیروی جاذبه الکتریکی بین دو یون با بار مخالف وجود دارد. در ساختار بلورهای یونی مانند نمک خوراکی یک اتصال دهنده است. اما اگر یون‌ها را خیلی نزدیک کنید، مدارهای الکترونی آنها روی هم قرار می‌گیرند و نیروهای دافعه ذرات باردار مشابه ظاهر می‌شوند. در داخل کریستال، توزیع یون ها به گونه ای است که نیروهای دافعه و جاذبه در تعادل هستند و استحکام کریستالی ایجاد می کنند. این ساختار برای بلورهای یونی معمول است.
و در شبکه های کریستالی الماس و گرافیت با کمک الکترون های مشترک (جمعی) اتصال اتم ها وجود دارد. اتم‌های با فاصله نزدیک الکترون‌های مشترکی دارند که حول هسته اتم‌های یک و همسایه می‌چرخند.
مطالعه دقیق نظریه نیروهای با چنین پیوندهایی بسیار دشوار است و در زمینه مکانیک کوانتومی نهفته است.
تفاوت فلزات
ساختار بلورهای فلزی پیچیده تر است. با توجه به این واقعیت که اتم های فلز به راحتی الکترون های خارجی موجود را اهدا می کنند، می توانند آزادانه در کل حجم کریستال حرکت کنند و به اصطلاح گاز الکترونی را در داخل آن تشکیل دهند. به لطف چنین الکترون های "سرگردان"، نیروهایی ایجاد می شود که استحکام شمش فلز را تضمین می کند. مطالعه ساختار کریستال های فلزی واقعی نشان می دهد که بسته به روش خنک سازی شمش فلزی، ممکن است دارای عیوب سطحی، نقطه ای و خطی باشد. اندازه چنین نقص‌هایی از قطر چند اتم تجاوز نمی‌کند، اما شبکه کریستالی را مخدوش می‌کنند و بر فرآیندهای انتشار در فلزات تأثیر می‌گذارند.
رشد کریستال
برای درک راحت‌تر، رشد یک ماده کریستالی را می‌توان به عنوان برپایی یک ساختار آجری نشان داد. اگر یک آجر از سنگ تراشی ناتمام به عنوان بخشی جدایی ناپذیر از یک کریستال ارائه شود، می توان تعیین کرد که کریستال کجا رشد می کند. خواص انرژی کریستال به گونه‌ای است که آجری که روی اولین آجر قرار می‌گیرد، از یک طرف - از پایین - جذب خواهد شد. هنگام گذاشتن روی دوم - از دو طرف و در سوم - از سه. در فرآیند تبلور - انتقال از حالت مایع به حالت جامد - انرژی (گرمای همجوشی) آزاد می شود. برای بیشترین قدرت سیستم، انرژی ممکن آن باید به حداقل برسد. بنابراین رشد کریستال ها لایه به لایه اتفاق می افتد. ابتدا یک ردیف از هواپیما تکمیل می شود، سپس کل هواپیما، و تنها پس از آن هواپیما بعدی شروع به ساخت می کند.
علمکریستال
قانون اساسی کریستالوگرافی - علم کریستال ها - می گوید که همه زوایای بین صفحات مختلف وجوه بلور همیشه ثابت و یکسان هستند. مهم نیست که یک کریستال در حال رشد چقدر اعوجاج دارد، زوایای بین وجه های آن همان مقدار ذاتی این نوع را حفظ می کند. صرف نظر از اندازه، شکل و تعداد، وجوه یک صفحه کریستالی همیشه در یک زاویه از پیش تعیین شده قطع می شوند. قانون ثبات زوایا توسط M. V کشف شد. لومونوسوف در سال 1669 نقش مهمی در مطالعه ساختار کریستال ها ایفا کرد.
ناهمسانگردی
ویژگی فرآیند تشکیل کریستال به دلیل پدیده ناهمسانگردی است - ویژگی های فیزیکی متفاوت بسته به جهت رشد. تک بلورها الکتریسیته، گرما و نور را در جهات مختلف هدایت می کنند و قدرت نابرابر دارند.
بنابراین، یک عنصر شیمیایی با اتم های یکسان می تواند شبکه های کریستالی متفاوتی را تشکیل دهد. به عنوان مثال، کربن می تواند به الماس و گرافیت تبدیل شود. در عین حال، الماس نمونه ای از حداکثر استحکام در بین مواد معدنی است و گرافیت هنگام نوشتن با مداد روی کاغذ به راحتی مقیاس های خود را ترک می کند.
اندازه گیری زوایای بین وجوه کانی ها از اهمیت عملی زیادی برای تعیین ماهیت آنها برخوردار است.
ویژگی های اساسی
پس از آموختن ویژگی های ساختاری کریستال ها، می توانیم به طور خلاصه ویژگی های اصلی آنها را شرح دهیم:
- ناهمسانگردی - خواص ناهموار در جهات مختلف.
- یکنواختی - ابتداییاجزای تشکیل دهنده کریستال ها با فاصله مساوی دارای خواص یکسانی هستند.
- قابلیت خود برش - هر قطعه از کریستال در محیطی مناسب برای رشد آن شکلی چند وجهی به خود می گیرد و با وجوه مربوط به این نوع کریستال ها پوشانده می شود. این ویژگی است که به کریستال اجازه می دهد تقارن خود را حفظ کند.
- عدم تغییر نقطه ذوب. تخریب شبکه فضایی یک کانی، یعنی انتقال یک ماده کریستالی از حالت جامد به مایع، همیشه در یک دما اتفاق می افتد.
کریستال ها جامداتی هستند که شکل طبیعی یک چندوجهی متقارن را به خود گرفته اند. ساختار بلورها، که با تشکیل یک شبکه فضایی مشخص می شود، به عنوان پایه ای برای توسعه نظریه ساختار الکترونیکی جامد در فیزیک عمل کرد. مطالعه خواص و ساختار کانی ها از اهمیت عملی بالایی برخوردار است.
