Криста́ллы (от греч. κρύσταλλος первоначально — « лёд », в дальнейшем — « горный хрусталь ; кристалл») — твёрдые тела , в которых частицы ( атомы и молекулы ) расположены регулярно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку .

Кристаллы — твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников , основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов ).

Современное определение кристалла дано Международным союзом кристаллографов: материал представляет собой кристалл, если он имеет преимущественно острую дифракционную картину .

В 2000 году самые крупные природные кристаллы были обнаружены в Пещере кристаллов в шахтовом комплексе Найка, в мексиканском штате Чиуауа . Некоторые из найденных там кристаллов гипса достигают 15 метров в длину, а в ширину — 1 метр. Известен своими гигантскими, метровыми, кристаллами сподумен . В 1914 году было опубликовано сообщение, что в руднике , Южная Дакота некогда был найден кристалл сподумена длиной 42 фута (12,8 м) и массой 90 тонн .

Морфология кристаллов

Морфология кристаллов — наука, изучающая происхождение кристаллов и их размещение этих граней в пространстве. Представляет собой отрасль кристаллографии .

Большинство природных кристаллов имеют гладкие кристаллические грани, в малогабаритных формах; грани кристаллов оптически плоские и обычно дают чёткие отражения окружения (как в оконном стекле). У больших кристаллов отражения бывают более размытыми и, следовательно, сами грани не идеально плоские.

Плоские грани у кристаллов свидетельствуют о правильности внутреннего расположения атомов, характеризующего кристаллическое состояние вещества .

Знание морфологии драгоценных материалов необходимо для распознания таких камней в необработанном состоянии, а также для лучшей огранки того или иного кристалла.

Кристаллическая структура

Кристаллическая структура — это расположение частиц (атомов, молекул, ионов) в кристалле. Будучи индивидуальной для каждого вещества, кристаллическая структура относится к основным физико - химическим свойствам этого вещества. Кристаллическую структуру с трёхмерной периодичностью называют кристаллической решёткой .

Кристаллическая решётка

Составляющие данное твёрдое вещество частицы образуют кристаллическую решётку. Если кристаллические решётки стереометрически (пространственно) одинаковы или сходны (имеют одинаковую симметрию), то геометрическое различие между ними заключается, в частности, в разных расстояниях между частицами, занимающими узлы решётки. Сами расстояния между частицами называются параметрами решётки. Параметры решётки, а также углы геометрических многогранников определяются физическими методами структурного анализа, например, методами рентгеновского структурного анализа.

Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны:

• ромбическая и моноклинная сера ;
• графит и алмаз , которые являются гексагональной и кубической модификациями углерода ;
• среди сложных веществ — кварц , тридимит и кристобалит , которые представляют собой различные модификации диоксида кремния .

Виды кристаллов

Следует разделить идеальный и реальный кристаллы.

• Идеальный кристалл является математическим объектом, лишённым любых дефектов строения, а также имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани.
• Реальный кристалл всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решётки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций . Необязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

Анизотропия кристаллов

Многим кристаллам присуще свойство анизотропии , то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных веществах (большинстве газов , жидкостей , аморфных твёрдых телах ) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят. Процесс кристаллов всегда осуществляется по вполне определённым системам скольжения , то есть лишь по некоторым и лишь в некотором . В силу неоднородного и неодинакового развития деформации в различных участках кристаллической среды между этими участками возникает интенсивное взаимодействие через эволюцию .

В то же время существуют кристаллы, в которых анизотропия отсутствует.

В физике накоплен богатый экспериментальный материал, особенно по вопросам эффектов памяти формы и . Экспериментально доказано важнейшее положение кристаллофизики о преимущественном развитии неупругих деформаций почти исключительно посредством . Однако принципы построения физической теории мартенситной неупругости неясны. Аналогичная ситуация имеет место в случае деформации кристаллов .

Значительные успехи достигнуты в изучении дислокационной пластичности металлов . Здесь не только понятны основные структурно-физические механизмы реализации процессов неупругой деформации, но и созданы эффективные способы расчёта явлений.

Физические науки, изучающие кристаллы

• Кристаллофизика изучает совокупность физических свойств кристаллов.
• Кристаллография изучает идеальные кристаллы c позиций законов симметрии и сопоставляет их с кристаллами реальными.
• занимается определением внутренней структуры кристаллов и классификацией кристаллических решёток. В 1976 году «сенсацию» о том, что земной шар — «огромный кристалл», опроверг кристаллограф И. И. Шафрановский .
• Кристаллооптика изучает оптические свойства кристаллов.
• Кристаллохимия изучает кристаллические структуры и их связи с природой вещества.

Вообще, изучением свойств реальных кристаллов занимается огромная научная отрасль; достаточно сказать, что все полупроводниковые свойства некоторых кристаллов (на основе которых создаётся точная электроника и, в частности, компьютеры ) возникают именно за счёт дефектов.

См. также

Примечания

Литература

• Агафонов В. К. Краткое наставление для приготовления моделей кристаллов // Программы и наставления для наблюдений и собирания коллекций по геологии, почвоведению, метеорологии, гидрологии, нивелировке, ботанике и зоологии, сельскому хозяйству и фотографии. [5-е изд.] СПб.: изд. Имп. СПб. О-ва Естествоисп. 1902. С. 30—35.
• Зоркий П. М. Симметрия молекул и кристаллических структур. М.: изд-во МГУ, 1986. — 232 с.
• Лихачёв В. А., Малинин В. Г. Структурно-аналитическая теория прочности. — СПб: Наука. — 471 с.
• Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Астрель, 2001. ISBN 5-17-004585-9 .
• Шаскольская М. П. . Кристаллы. М.: Наука, 1985. 208 с.
• Шретер В., Лаутеншлегер К.-Х., Бибрак Х. и др. Химия: Справ. изд. М.: Химия, 1989.
• Шубников А. В., Флинт Е. А., Бокий Г. Б. , Основы кристаллографии, М.— Л., 1940.
• Шаскольская М. , Кристаллы, М., 1959;
• Костов И. , Кристаллография, пер. с болг., М., 1965.
• Банн Ч. , Кристаллы, пер. с англ., М., 1970;
• Най Дж. , Физические свойства кристаллов и их описание при помощи тензоров и матриц, пер. с англ., 2 изд., М., 1967.
• Лейбфрид Г. , Микроскопическая теория механических и тепловых свойств кристаллов, пер. с нем., М., 1963.

Ссылки

• Кристаллы (физич.) / М. П. Шаскольская, Б. К. Вайнштейн // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• ,
• Кристаллы // Большой Энциклопедический словарь (рус.) . — 2000.