เมื่อมองที่คริสตัลและอัญมณี เราอยากจะเข้าใจว่าความงามลึกลับนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร ผลงานอันน่าทึ่งของธรรมชาติถูกสร้างขึ้นมาได้อย่างไร มีความปรารถนาที่จะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณสมบัติของพวกเขา ท้ายที่สุด โครงสร้างคริสตัลแบบพิเศษที่ไม่มีที่ไหนเลยในธรรมชาติทำให้ใช้ได้ทุกที่ ตั้งแต่เครื่องประดับไปจนถึงสิ่งประดิษฐ์ทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคล่าสุด
การศึกษาแร่ผลึก
โครงสร้างและคุณสมบัติของคริสตัลมีหลายแง่มุมจนแยกวิทยาศาสตร์ แร่วิทยา มีส่วนร่วมในการศึกษาและศึกษาปรากฏการณ์เหล่านี้ นักวิชาการชาวรัสเซียผู้โด่งดัง Alexander Evgenievich Fersman ซึมซับและประหลาดใจกับความหลากหลายและความไม่มีที่สิ้นสุดของโลกแห่งคริสตัลที่เขาพยายามสะกดจิตให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในหัวข้อนี้ ในหนังสือของเขา Entertaining Mineralogy เขาได้กระตุ้นให้ทำความคุ้นเคยกับความลับของแร่ธาตุอย่างกระตือรือร้นและอบอุ่นและพุ่งเข้าสู่โลกแห่งอัญมณี:
ฉันต้องการเธอจริงๆหลงเสน่ห์ ฉันอยากให้คุณเริ่มสนใจภูเขาและเหมืองหิน เหมือง และเหมือง เพื่อที่คุณจะได้เริ่มเก็บสะสมแร่ธาตุเพื่อที่คุณจะได้ไปกับเราจากเมืองที่ไกลออกไป สู่เส้นทางของแม่น้ำที่นั่น เป็นตลิ่งหินสูง ถึงยอดภูเขาหรือชายทะเลหิน ที่ซึ่งหินแตก ขุดทราย หรือแร่ระเบิด ที่นั่น ทุกที่ที่คุณและฉันจะหากิจกรรมทำ: และในหินที่ตายแล้ว ทราย และหิน เราจะเรียนรู้ที่จะอ่านกฎธรรมชาติอันยิ่งใหญ่ที่ควบคุมโลกทั้งใบและตามที่โลกทั้งโลกสร้างขึ้น
ฟิสิกส์ศึกษาผลึก โดยโต้แย้งว่าวัตถุที่แข็งจริงๆ ก็คือคริสตัล เคมีตรวจสอบโครงสร้างโมเลกุลของผลึก โดยสรุปได้ว่าโลหะใดๆ มีโครงสร้างผลึก
การศึกษาคุณสมบัติอันน่าทึ่งของคริสตัลมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี อุตสาหกรรมการก่อสร้าง และอุตสาหกรรมอื่น ๆ อีกมากมาย
กฎพื้นฐานของคริสตัล
สิ่งแรกที่ผู้คนสังเกตเห็นเมื่อมองที่คริสตัลคือรูปทรงที่หลากหลายในอุดมคติ แต่ไม่ใช่คุณสมบัติหลักของแร่หรือโลหะ
เมื่อคริสตัลแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย ไม่มีอะไรจะคงอยู่ในรูปแบบในอุดมคติ แต่เศษส่วนใด ๆ เหมือนเมื่อก่อนจะยังคงเป็นคริสตัล ลักษณะเด่นของคริสตัลไม่ใช่รูปลักษณ์ แต่เป็นลักษณะเฉพาะของโครงสร้างภายใน
สมมาตร
สิ่งแรกที่ต้องจำและสังเกตเมื่อเรียนคริสตัลคือปรากฏการณ์สมมาตร. เป็นที่แพร่หลายในชีวิตประจำวัน ปีกผีเสื้อมีความสมมาตร มีรอยเปื้อนบนกระดาษพับครึ่ง ผลึกหิมะสมมาตร เกล็ดหิมะหกเหลี่ยมมีระนาบสมมาตรหกระนาบ โดยการงอภาพไปตามเส้นใดๆ ก็ตามที่แสดงถึงระนาบสมมาตรของเกล็ดหิมะ คุณสามารถรวมสองส่วนเข้าด้วยกันได้
แกนสมมาตรมีคุณสมบัติดังกล่าว โดยการหมุนร่างด้วยมุมที่รู้จักรอบๆ ตัว ทำให้สามารถรวมส่วนต่างๆ ของร่างที่เหมาะสมเข้าด้วยกันได้ ขึ้นอยู่กับขนาดของมุมที่เหมาะสมซึ่งจำเป็นต้องหมุนร่าง แกนของลำดับที่ 2, 3, 4 และ 6 จะถูกกำหนดในคริสตัล ดังนั้นในเกล็ดหิมะจึงมีแกนสมมาตรของลำดับที่หกซึ่งตั้งฉากกับระนาบการวาด
จุดศูนย์กลางสมมาตรคือจุดบนระนาบของร่าง ซึ่งอยู่ห่างจากองค์ประกอบโครงสร้างเดียวกันในทิศทางตรงกันข้ามกับรูปร่าง
ข้างในคืออะไร
โครงสร้างภายในของผลึกเป็นการรวมกันของโมเลกุลและอะตอมตามลำดับเฉพาะกับผลึกเท่านั้น พวกเขารู้โครงสร้างภายในของอนุภาคได้อย่างไรหากมองไม่เห็นด้วยกล้องจุลทรรศน์
เอ็กซเรย์สำหรับสิ่งนี้ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน M. Laue นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ พ่อและลูกชาย Bragg และศาสตราจารย์ชาวรัสเซีย Yu. Wolf ได้กำหนดกฎหมายตามโครงสร้างและโครงสร้างของผลึกที่ศึกษา
ทุกอย่างน่าประหลาดใจและคาดไม่ถึง ซาโมแนวคิดของโครงสร้างของโมเลกุลกลับกลายเป็นว่าใช้ไม่ได้กับสถานะผลึกของสสาร
ตัวอย่างเช่น สารที่รู้จักกันดีเช่นเกลือแกงมีองค์ประกอบทางเคมีของโมเลกุล NaCl แต่ในคริสตัล อะตอมของคลอรีนและโซเดียมแต่ละอะตอมจะไม่รวมกันเป็นโมเลกุลที่แยกจากกัน แต่สร้างโครงร่างบางอย่างที่เรียกว่าโครงตาข่ายเชิงพื้นที่หรือคริสตัล อนุภาคคลอรีนและโซเดียมที่เล็กที่สุดถูกพันธะทางไฟฟ้า ตาข่ายคริสตัลของเกลือเกิดขึ้นดังนี้ วาเลนซ์อิเล็กตรอนตัวหนึ่งของเปลือกนอกของอะตอมโซเดียมถูกนำเข้าสู่เปลือกนอกของอะตอมคลอรีน ซึ่งไม่ได้ถูกเติมเต็มอย่างสมบูรณ์เนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนตัวที่แปดในเปลือกที่สามของคลอรีน ดังนั้น ในคริสตัล แต่ละไอออนของทั้งโซเดียมและคลอรีนจึงไม่ได้อยู่ในโมเลกุลเดียว แต่เป็นของคริสตัลทั้งหมด เนื่องจากอะตอมของคลอรีนเป็นแบบโมโนวาเลนต์ จึงสามารถยึดอิเล็กตรอนเข้ากับตัวมันเองได้เพียงตัวเดียว แต่ลักษณะโครงสร้างของผลึกทำให้อะตอมของคลอรีนล้อมรอบด้วยอะตอมโซเดียม 6 อะตอม และไม่สามารถระบุได้ว่าอะตอมใดจะใช้อิเล็กตรอนร่วมกับคลอรีน
ปรากฎว่าโมเลกุลเคมีของเกลือแกงและผลึกของเกลือนั้นไม่เหมือนกันเลย ผลึกเดี่ยวทั้งหมดเปรียบเสมือนโมเลกุลยักษ์ตัวเดียว
ตะแกรง - เฉพาะรุ่น
ควรหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดนี้เมื่อนำโครงตาข่ายเชิงพื้นที่มาเป็นแบบจำลองจริงของโครงสร้างผลึก Lattice - ประเภทของภาพตามเงื่อนไขของตัวอย่างการเชื่อมต่อของอนุภาคมูลฐานในโครงสร้างของผลึก จุดเชื่อมต่อกริดในรูปแบบของลูกบอลมองเห็นได้ทำให้คุณสามารถพรรณนาอะตอมได้ และเส้นที่เชื่อมต่อพวกมันเป็นภาพโดยประมาณของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างพวกมัน
ในความเป็นจริง ช่องว่างระหว่างอะตอมภายในคริสตัลนั้นเล็กกว่ามาก เป็นการรวมตัวของอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบอย่างหนาแน่น ลูกบอลคือการกำหนดอะตอมตามแบบแผน การใช้งานทำให้สามารถสะท้อนคุณสมบัติของการอัดตัวที่แนบสนิทได้สำเร็จ ในความเป็นจริง ไม่มีการสัมผัสกันอย่างง่าย ๆ ของอะตอม แต่บางส่วนของอะตอมนั้นซ้อนทับกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง รูปภาพของลูกบอลในโครงสร้างของตาข่ายคริสตัลคือ เพื่อความชัดเจน รูปทรงกลมของรัศมีดังกล่าวที่มีส่วนหลักของอิเล็กตรอนของอะตอม
คำมั่นสัญญา
มีแรงดึงดูดทางไฟฟ้าระหว่างไอออนที่มีประจุตรงข้ามกันสองตัว เป็นสารยึดเกาะในโครงสร้างของผลึกไอออนิก เช่น เกลือแกง แต่ถ้าคุณนำไอออนเข้ามาใกล้มาก การโคจรของอิเล็กตรอนของพวกมันจะคาบเกี่ยวกัน และแรงผลักของอนุภาคที่มีประจุคล้ายคลึงกันจะปรากฏขึ้น ภายในคริสตัล การกระจายตัวของไอออนทำให้แรงผลักและแรงดึงดูดมีความสมดุล ทำให้เกิดความแข็งแรงของผลึก โครงสร้างนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับผลึกไอออนิก
และในโครงผลึกของเพชรและกราไฟต์ มีการเชื่อมต่อของอะตอมด้วยความช่วยเหลือของอิเล็กตรอนทั่วไป (รวม) อะตอมที่เว้นระยะห่างกันอย่างใกล้ชิดมีอิเล็กตรอนร่วมที่หมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมทั้งตัวหนึ่งและอะตอมข้างเคียง
การศึกษารายละเอียดของทฤษฎีแรงด้วยพันธะดังกล่าวค่อนข้างยากและอยู่ในสาขากลศาสตร์ควอนตัม
ความแตกต่างของโลหะ
โครงสร้างของผลึกโลหะนั้นซับซ้อนกว่า เนื่องจากอะตอมของโลหะบริจาคอิเล็กตรอนภายนอกที่มีอยู่อย่างง่ายดาย พวกมันจึงสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วทั้งปริมาตรของผลึก ทำให้เกิดก๊าซอิเล็กตรอนที่เรียกว่าอยู่ภายใน ต้องขอบคุณอิเลคตรอนที่ "หลงทาง" ดังกล่าว กองกำลังจึงถูกสร้างขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่ามีความแข็งแรงของแท่งโลหะ การศึกษาโครงสร้างของผลึกโลหะจริงแสดงให้เห็นว่า ขึ้นอยู่กับวิธีการหล่อเย็นแท่งโลหะ อาจมีข้อบกพร่อง: พื้นผิว จุด และเส้นตรง ขนาดของข้อบกพร่องดังกล่าวไม่เกินเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมหลาย ๆ อะตอม แต่จะบิดเบือนโครงผลึกและส่งผลต่อกระบวนการแพร่ในโลหะ
การเติบโตของคริสตัล
เพื่อความเข้าใจที่สะดวกยิ่งขึ้น การเจริญเติบโตของสารที่เป็นผลึกสามารถแสดงเป็นการสร้างโครงสร้างอิฐได้ หากอิฐก้อนหนึ่งของอิฐที่ยังไม่เสร็จถูกนำเสนอเป็นส่วนสำคัญของคริสตัล ก็เป็นไปได้ที่จะกำหนดว่าคริสตัลจะเติบโตที่ใด คุณสมบัติด้านพลังงานของคริสตัลนั้นทำให้อิฐที่วางอยู่บนอิฐก้อนแรกจะได้รับแรงดึงดูดจากด้านหนึ่ง - จากด้านล่าง เมื่อวางที่สอง - จากสองด้านและที่สาม - จากสาม ในกระบวนการตกผลึก - การเปลี่ยนจากของเหลวเป็นสถานะของแข็ง - พลังงาน (ความร้อนของการหลอมรวม) จะถูกปล่อยออกมา เพื่อความแรงสูงสุดของระบบ พลังงานที่เป็นไปได้ควรมีแนวโน้มน้อยที่สุด ดังนั้นการเติบโตของผลึกจึงเกิดขึ้นทีละชั้น ขั้นแรก แถวของเครื่องบินจะแล้วเสร็จ จากนั้นทั้งระนาบ และจากนั้นอีกแถวหนึ่งเท่านั้นที่จะเริ่มสร้าง
วิทยาศาสตร์ของคริสตัล
กฎพื้นฐานของผลึกศาสตร์ - ศาสตร์แห่งคริสตัล - บอกว่ามุมทุกมุมระหว่างระนาบต่างๆ ของใบหน้าคริสตัลจะคงที่และเท่ากันเสมอ ไม่ว่าคริสตัลที่กำลังเติบโตจะบิดเบี้ยวแค่ไหน มุมระหว่างใบหน้าของมันก็ยังคงค่าเดิมในประเภทนี้ โดยไม่คำนึงถึงขนาด รูปร่าง และจำนวน ใบหน้าของระนาบผลึกเดียวกันจะตัดกันในมุมที่กำหนดไว้ล่วงหน้าเหมือนกันเสมอ M. V. ค้นพบกฎความคงตัวของมุม Lomonosov ในปี 1669 และมีบทบาทสำคัญในการศึกษาโครงสร้างของผลึก
Anisotropy
ลักษณะเฉพาะของกระบวนการสร้างผลึกเกิดจากปรากฏการณ์แอนไอโซโทรปี - ลักษณะทางกายภาพที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับทิศทางของการเติบโต ผลึกเดี่ยวนำไฟฟ้า ความร้อน และแสงต่างกันไปในทิศทางที่ต่างกันและมีความแข็งแรงไม่เท่ากัน
ดังนั้น ธาตุเคมีเดียวกันกับอะตอมเดียวกันก็สามารถสร้างผลึกขัดแตะต่างกันได้ ตัวอย่างเช่น คาร์บอนสามารถตกผลึกเป็นเพชรและกลายเป็นกราไฟต์ได้ ในขณะเดียวกัน เพชรเป็นตัวอย่างของความแข็งแกร่งสูงสุดในหมู่แร่ธาตุ และกราไฟต์จะหลุดออกจากเกล็ดได้อย่างง่ายดายเมื่อเขียนด้วยดินสอบนกระดาษ
การวัดมุมระหว่างใบหน้าของแร่ธาตุมีความสำคัญอย่างยิ่งในการพิจารณาธรรมชาติของแร่ธาตุ
คุณสมบัติพื้นฐาน
เมื่อเรียนรู้ลักษณะโครงสร้างของคริสตัลแล้ว เราสามารถอธิบายคุณสมบัติหลักโดยสังเขป:
- Anisotropy - คุณสมบัติไม่เท่ากันในทิศทางที่ต่างกัน
- ความสม่ำเสมอ - ประถมองค์ประกอบของคริสตัลที่เว้นระยะเท่ากันมีคุณสมบัติเหมือนกัน
- ความสามารถในการตัดตัวเอง - เศษคริสตัลใดๆ ในตัวกลางที่เหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตจะมีรูปทรงหลายแง่มุมและจะถูกปิดด้วยใบหน้าที่สอดคล้องกับคริสตัลประเภทนี้ เป็นคุณสมบัติที่ช่วยให้คริสตัลรักษาความสมมาตรได้
- ค่าคงที่ของจุดหลอมเหลว การทำลายโครงตาข่ายเชิงพื้นที่ของแร่ กล่าวคือ การเปลี่ยนผ่านของสารที่เป็นผลึกจากของแข็งไปเป็นสถานะของเหลว จะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิเดียวกันเสมอ
คริสตัลคือของแข็งที่มีรูปทรงหลายเหลี่ยมสมมาตรตามธรรมชาติ โครงสร้างของผลึกมีลักษณะเป็นโครงตาข่ายเชิงพื้นที่ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาฟิสิกส์ของทฤษฎีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของของแข็ง การศึกษาคุณสมบัติและโครงสร้างของแร่ธาตุมีความสำคัญมากในทางปฏิบัติ