КРИСТАЛЛОГРАФИЯ Исторические сведения Кристаллические и аморфные тела Основные

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ Исторические сведения Кристаллические и аморфные тела. Основные характеристики кристаллического вещества

Кристаллография - наука о кристаллах - изучает процессы образования кристаллов, их внешнюю форму, внутреннее строение (структуру), физикохимические свойства, происхождение. Бериллы Турмалин

В истории кристаллографии можно выделить четыре периода: 1) предыстория (от древнейших времен до конца XVII в. ); 2) становление кристаллографии как науки (конец XVII – начало XIX вв. ); 3) развитие классической кристаллографии (начало XIX – начало XX вв. ); 4) современный период (начало XX в. – до наших дней).

Слово «кристалл» греческое. Оно произошло от двух слов: холод и застывать и означает «застывший на холоду» . Кристаллом греки называли горный хрусталь. Горный хрусталь

Пять правильных многогранников – платоновых тел: а – гексаэдр (куб), б – тетраэдр, в – октаэдр, г – икосаэдр, д - додекаэдр

q Плиний Старший (23 – 79 гг. до н. э. ): описания кристаллов золота, алмаза, кварца, часто переплетающиеся с легендами о несуществующих камнях. q Ал-Бируни (973– 1048 гг. ) книга «Собрание сведений для познания драгоценностей» . q Выдающийся философ, естествоиспытатель и врач Авиценна (~ 980– 1037 гг. ) разработал классификацию минералов, которой кристаллографы пользовались вплоть до XVIII в. q Немецкий врач и натуралист Г. Агрикола (1494– 1555 гг. ) в книге «О природе ископаемых» обращает на внешние признаки минералов: цвет, прозрачность, вкус, блеск, вес, форму. q Итальянский математик, врач и философ Дж. Кардано (1501– 1576 гг. ) считал, что кристаллы рождаются, живут, болеют, стареют, погибают. q Итальянский ботаник, врач, философ А. Чезальпино (1519– 1603) утверждал, что пирамидальные заострения на концах столбчатых кристаллов кварца возникают в результате нехватки питающего вещества для растущего кристалла.

В 1611 г. немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер в своем трактате «О шестиугольных снежинках» он подробно описал формы снежинок и, стараясь понять причины постоянства форм, высказал предположение о связи правильной шестиугольной формы снежинок с плоскостной укладкой шарообразных частиц вещества. Английский физик Р. Гук (1635 -1703) попытался построить все кристаллические формы соответственным расположением шарообразных частиц и даже проиллюстрировал это укладкой дробинок.

В 1669 г. датский натуралист Нильс Стенон опубликовал книгу «О твердом, естественно содержащемся в твердом» . При наблюдении многообразия форм кристаллов кварца Стенон нашел у них общее свойство – сохранение величин гранных углов. Дымчатый кварц кристаллы различной формы одного и того же вещества имеют неизменные углы между соответствующими гранями. Кварц Горный хрусталь Цитрин

В 1669 г. датский ученый Эразм Бартолин (1625– 1698) публикует книгу «Эразма Бартолина опыты с двупреломляющим исландским кристаллом, которые привели к открытию чудесного и необычайного преломления» 1749 г. диссертация М. В. Ломоносова (1711 -1756) «О рождении и природе селитры» , в которой излагает принципы плотнейшей упаковки кристаллов, объясняет закон постоянства углов с помощью внутреннего строения Расположение шарообразных частиц кристаллов, пытается установить (корпускул) в кристалле селитры связь между морфологией кристаллов и их структурой.

Закон постоянства углов «Грани кристалла могут изменяться по своей форме и относительным размерам, но их взаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода кристаллов» Жан Б. Роме де Лиль

Прикладной гониометр

Рене Жюст Гаюи предложил гипотезу о строении кристаллов Строение кристаллов

В 1774 г. Рене Гаюи формулирует второй основной закон кристаллографии – закон целых чисел, согласно которому положение любой грани кристалла в пространстве может быть выражено тремя целыми числами. К этому же времени относится и разработка немецким кристаллографом и минералогом Х. Вейсом другого основного закона кристаллографии – закона зон (поясов), устанавливающего связь между положением граней и ребер кристалла. В 1848 г. французский инженер Огюст Браве заменил «молекулярные блоки» точками, что привело к понятию о трехмерной периодичности расположения материальных частиц в кристаллах. В 1855 г. О. Браве вывел 14 типов пространственных решеток, известных теперь как 14 решеток Браве, заложив этим основу современной структурной кристаллографии.

Элементарные ячейки решеток Бравэ

Русский ученый, академик, профессор Петербургского артиллерийского училища А. В. Гадолин (1828– 1892) в 1867 г. приводит четкий вывод 32 кристаллографических групп Русский кристаллограф и минералог, горный инженер Е. С. Федоров (1853– 1919) в труде "Симметрия правильных систем фигур" и немецкий математик Артур Шенфлис (1853– 1928) в 1890 г. предлагают 230 способов размещения материальных частиц, то есть выводят 230 пространственных групп симметрии.

В 1912 году М. Фон Лауэ в Мюнхене установил, что рентгеновские лучи дифрагируют на атомных плоскостях внутри кристалла. Английский ученый Уильям Лоуренс Брегг и русский кристаллограф Георгий Викторович Вульф истолковали явление дифракции рентгеновских лучей на кристаллах и предложили формулу, названную их именами, связавшую длины волн рентгеновских лучей (λ) с межплоскостными расстояниями в кристаллах (d).

Современная кристаллография: • геометрическая кристаллография (учение о внешней форме кристаллов), • кристаллохимия (учение о внутреннем строении и составе кристаллических веществ), • физическая кристаллография (учения о физических свойствах), • кристаллогенезис (теория образования кристаллов).

На пересечении кристаллографии с такими науками как математика, геология, минералогия, химия, физика и биология возникли промежуточные области знаний. n Математическая кристаллография n Кристаллохимия n Минералогическая кристаллография n Органическая кристаллохимия n Кристаллофизика

Кристаллические и аморфные тела Модель расположения частиц в веществе: а – газ, б – жидкость, в -кристалл Кристаллическими называются твердые вещества, построенные из материальных частиц - ионов, атомов или молекул, геометрически правильно расположенных в пространстве. Аморфное вещество не имеет естественной геометрической формы и правильного внутреннего строения. Частицы его расположены беспорядочно, как в жидкости.

Компьютерные модели структуры дальнего (а) и ближнего (б) порядка

Важнейшие признаки аморфных веществ v отсутствие четко выраженной температуры плавления; v изотропия, т. е. неизменяемость свойств с изменением направления.

Кривые охлаждения аморфного (а) и кристаллического (б) веществ

Основные свойства кристаллических веществ v. Однородность - тождественность всех свойств в любых участках кристаллического вещества; v. Анизотропность - зависимость свойств от направления; v Способность самоограняться заключается в способности приобретать многогранную форму в результате свободного роста в подходящей среде; v Симметричность - закономерная повторяемость в расположении предметов или их частей на плоскости или в пространстве.

Структура кристалла и пространственная решетка Схема взаимодействия двух атомов в зависимости от межатомного расстояния а 0

Совокупность узлов, лежащих вдоль прямой и повторяющихся через равные промежутки, называется узловым рядом. Кратчайшее из возможных расстояний между одинаковыми точками в ряду называется элементарной трансляцией или параметром ряда. Симметричное преобразование, с помощью которого точка повторяется в пространстве, называется преобразованием с помощью трансляции или просто трансляцией.

Параллелограммы, вершины которых являются узлами, называются ячейками сетки. Примитивной элементарной ячейкой называется ячейка, внутри которой нет узлов. Условия выбора элементарной ячейки 1. Наилучшим образом отражала симметрию сетки; 2. Ячейка должна содержать максимально возможное число прямых углов между гранями. 3. Обладала бы наименьшей площадью.

Пространственная решетка Элементарная ячейка — это наименьший параллелепипед, с помощью которого можно построить всю пространственную решетку путем непрерывных параллельных переносов (трансляций) в трех направлениях пространства. . Пространственная решетка — это геометрический образ, отражающий трехмерную периодичность распределения атомов в структуре кристалла. Структура кристалла – это конкретное расположение частиц в пространстве.

Параметры элементарной кристаллической решетки Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют шесть величин: три отрезка, равные абсолютным величинам векторов трансляции по осям координат а, b и с, называются периодами решетки и три угла между этими отрезками α, β, γ. Соотношения между этими величинами определяют форму ячейки.

Кристаллические системы элементов Кубическая а=b=c a = b = g = 90 o Тетрагональная а=b≠c a = b = g = 90 o Гексагональная а=b≠c a = b = 90 o ; g = 120 o Ромбоэдрическая а=b=c a ≠ b ≠ g ≠ 90 o Ромбическая а≠b≠c a = b = g = 90 o Моноклинная а≠b≠c a = b = 90 o g ≠ 90 o Триклинная а≠b≠c a ≠ b ≠ g ≠ 90 o