Чёрный матовый мягкий графит, которым мы пишем, и блестящий прозрачный твёрдый, режущий стекло алмаз построены из одних и тех же атомов, а именно, атомов углерода. Почему так резко различны свойства этих двух сходных по составу веществ?
Если бы эти вещества не были кристаллическими, то нам трудно было бы объяснить наличие двух разновидностей углерода. Но эти вещества – кристаллы, а мы знаем, что каждому кристаллу свойственно своё особенное расположение атомов. Значит, заключаем мы, раз между графитом и алмазом, построенными из одних и тех же атомов углерода, есть такое резкое различие в свойствах, то и расположение атомов в кристаллах этих веществ должно быть разным.
Рисунок 28 показывает решётки слоистого графита (справа), в котором каждый атом имеет трёх ближайших соседей, и алмаза, где атом имеет четырёх ближайших соседей. На этом примере с исключительной отчётливостью видно, как резко определяются свойства кристаллов взаимным расположением атомов. Из графита делают огнеупорные тигли, выдерживающие температуру до двух-трёх тысяч градусов, а алмаз горит при температуре выше 700°; удельный вес алмаза 3,5, а графита 2,1; графит проводит электрический ток, алмаз – нет и т.д.
Рис. 28. Слева – решётка алмаза, справа – графита.
Эта особенность давать разные кристаллы принадлежит не только одному углероду. Почти каждый химический элемент, и не только элемент, но и любое химическое вещество, существуют в нескольких разновидностях. Нам известно шесть разновидностей льда, девять разновидностей серы, четыре разновидности железа…
Графит и алмаз устойчивы. Они могут неопределённо долго сохраняться в обычных земных условиях. Так обстоит далеко не со всеми разновидностями одного вещества.
Есть два вида олова: белое и серое. При температуре выше +18° атомы олова располагаются в одной решётке; эта разновидность называется белым оловом; при более низкой температуре атомы начинают менять взаимное расположение: белое олово превращается в серое, которое получается при этом в виде порошка. Новые кристаллики растут из старого кристалла так же, как из жидкости (см. стр. 53).
Рис. 29. Слева – элементарная ячейка гамма-железа, справа – альфа-железа.
Ниже мы узнаем, насколько большое значение имеет для техники существование разновидностей у железа: при высокой температуре атомы железа образуют гранецентрированную решётку (гамма-железо, слева на рисунке 29), при нормальной температуре – объёмно-центрированную решётку (альфа-железо, справа там же).
Почему слюда слоистая
До сих пор мы обсуждали вопросы строения кристаллов. Теперь поговорим об их свойствах.
Наиболее замечательная особенность свойств кристалла – это анизотропия. Смысл этого слова, имеющего греческое происхождение, следующий: изотропный – одинаковый по всем направлениям, анизотропный – разный в разных направлениях.
Возьмите кусок стекла (стекло – не кристаллическое тело; см. стр. 61) и попробуйте его сломать, сжимая прессом в каком-либо направлении. Установите величину давления, разрушающего стекло, а затем проделайте над другим таким же куском стекла новое измерение, установив теперь образец под прессом по-иному. Вторая цифра практически совпадает с первой. Хрупкость стекла не зависит от направления, в котором происходит сдавливание. (Конечно, при подобном опыте образцы должны быть одинаковой формы – например, кубики, вырезанные в разных положениях из одного и того же большого литого куска.)
Известно, что тела при нагревании расширяются. Нагреем шар из стекла. Тщательно измерим образец после нагревания. Он сохранил свою шаровидную форму. Во всех направлениях кусок стекла расширился одинаково.
Какие бы свойства куска стекла мы ни изучали, всегда окажется, что во всех направлениях стекло обладает одинаковыми свойствами. Стекло – изотропный материал.
Примеры анизотропных материалов также встречались каждому. Кто не знает, что совсем разные силы надо прилагать, раскалывая полено дров вдоль или поперёк. И другие свойства дерева зависят от направления. Дерево – анизотропный материал.
Причины анизотропии дерева видны невооружённым глазом. Дерево имеет волокнистое строение, волокна вытянуты вдоль его ствола. Разрубить полено вдоль волокон легче, так как требуется лишь отделить одни волокна от других. Разрубить полено поперёк волокон трудно, так как надо перерубить множество волокон.
Так же, как и анизотропия дерева, анизотропия кристаллов объясняется их строением. Анизотропия кристаллов очень отчётливо выражается в их спайности – так называется способность кристаллов раскалываться по определённым плоскостям. Не все кристаллы обладают одинаково хорошей спайностью. Легче всего наблюдать это свойство на каменной соли, кальците, слюде.
Кристаллы каменной соли раскалываются на маленькие кубы и прямоугольные параллелепипеды, кристаллы кальцита – на маленькие ромбоэдры; слюда при самом малом усилии расщепляется на листочки. В перечисленных и других подобных случаях бросается в глаза основная внешняя особенность кристалла – быть огранённым плоскостями.
При разрушении кристаллов менее совершенной спайности может показаться, что образцы разрушаются бесформенно. Однако наблюдение под микроскопом покажет, что это не так. Менее совершенная спайность препятствует разделению кристалла большими плоскостями, но всё равно поверхность осколков имеет «ступенчатый» характер – только величина этих плоских ступенек меньше.
Спайность кристалла показывает как нельзя лучше, что прочность кристалла резко различна в разных направлениях. Следует полагать, что силы сцепления между атомами, из которых построен кристалл, очень слабы в направлении, перпендикулярном плоскостям спайности.
Лучше всего это иллюстрируется примером графита. Расстояние между центрами ближайших атомов внутри слоев, из которых построен кристалл графита (см. выше рис. 28), в 21/2 раза меньше расстояния между слоями. Немудрено, что кристаллы графита встречаются чаще всего в виде тонких чешуек. Наличие столь ярко выраженной плоскости спайности позволяет твёрдому графиту служить смазочным материалом в тех случаях, когда невозможно применение смазочных масел, – например, если скорость движения трущихся частей очень мала, а также при высокой температуре. Графит – твёрдый смазочный материал!
Трение между двумя телами сводится, грубо говоря, к тому, что микроскопические выступы одного тела западают в неровности другого. Усилие, достаточное для того, чтобы расщепить микроскопический графитовый кристаллик, много меньше сил трения, поэтому наличие графитовой смазки значительно облегчает скольжение одного тела по другому.
Мы не приводим схемы строения кристалла слюды – это довольно сложное химическое соединение. Но причина совершенной спайности слюды та же, что и у графита – расположение атомов слоями.
Однако кристалл с совершенной спайностью может и не иметь подобной слоистой структуры.
На рисунке 30, а показана ещё раз упаковка ионов в кристалле каменной (поваренной) соли. Изображён один элементарный куб; его грани состоят из чередующихся ионов хлора и натрия.
Попытаемся разобраться, какие плоскости выделяются здесь среди других, по каким плоскостям легче всего разломать кристалл.
Снимем один вершинный шар – обнажилась плоскость, перпендикулярная телесной диагонали. Эта плоскость состоит из одних ионов натрия (рис. 30, б). Удалим тройку натриевых ионов – следующая параллельная атомная плоскость состоит из одних ионов хлора (рис. 30, в), и так далее.
Рис. 30.
Все эти слои попеременно заряжены с разным знаком: слой хлора – отрицательно, слой натрия – положительно. Поэтому они очень сильно притягиваются друг к другу, и раскалываться по таким плоскостям кристалл не будет.
Напротив, раскалывание легко происходит параллельно грани куба. Как нетрудно сообразить, каждый из разделяемых при этом слоев содержит поровну и положительных и отрицательных ионов. Притяжение между такими в целом не заряженными слоями мало. По этим-то направлениям и проходят в кристалле каменной соли плоскости спайности.
Различие по разным направлениям хрупкости кристаллов, выражающееся в явлении спайности, бросается в глаза.
Анизотропию других свойств кристалла наблюдать несколько труднее.
Вот например, как можно показать неодинаковость теплопроводности кристалла в разных направлениях.
Отполируем грань кристалла и покроем её ровным слоем легкоплавкого воска. Концом нагретой проволоки прикоснёмся к середине грани. От конца проволоки вдоль грани распространяется тепло, и часть воска вокруг плавится. Если кристалл проводит тепло одинаково хорошо во все стороны, то этот участок должен иметь форму круга.
Что же показывает опыт?
Оказывается, если из кристалла кварца вырезать пластинку перпендикулярно главной оси симметрии, то воск расплавится по кругу (рис. 31, слева). В таком же точно опыте на боковой грани кварцевого кристалла мы получим эллипс (рис. 31, справа).
Рис. 31. Так выгладит расплавленный воск на срезе, перпендикулярном главной оси, и на боковой грани кристалла кварца.
Очевидно, можно утверждать, что вдоль главной оси симметрии и перпендикулярно к ней тепло распространяется с разной скоростью. Во всех же направлениях, перпендикулярных главной оси, теплопроводность одинакова.
Анизотропия свойств кристалла связана с его структурой. Поэтому, если все направления, перпендикулярные главной оси, равноценны для распространения тепла, то, вообще говоря, они будут равноценны и для ряда других свойств.
Кристаллы и свет
Гладкие грани кристаллов отражают свет подобно самому чистому зеркалу. Наряду с другими, некристаллическими телами: водой, стеклом – кристаллы также преломляют свет. То, что свет, падая из воздуха в более плотную среду, или, наоборот, из воды в воздух, преломляется, знакомо каждому. Кто не наблюдал забавной картины «переломанных» ног у человека, стоящего по колено в прозрачной воде.
Преломляясь в стекле или водяных каплях, белый свет разлагается на радужные цвета. Подобно этому свет разлагается и при преломлении в кристаллах, заставляя искусно огранённые чистые и прозрачные бриллианты «играть всеми цветами радуги».
Преломление света во многих кристаллах происходит совершенно так же, как в воде или стекле. Сюда относятся кристаллы с кубической, то есть самой высокой, симметрией, – например, алмаз и каменная соль. Наибольший интерес представляет для науки и промышленности отношение к световому лучу кристаллов не кубической симметрии.
Взглянем на окружающие нас предметы через маленькое окошко, сделанное из куска прозрачного кристалла кальцита (исландского шпата). Мы увидим странную картину – все предметы раздвоятся. На бумаге написано одно слово. Рассматривая его через кристалл, мы видим два слова (рис. 32). Подобным свойством двойного лучепреломления обладают все некубические кристаллы.
Рис. 32. Двойное лучепреломление в кристалле кальцита (исландского шпата).
Очень важно то, что два луча, на которые расщепился свет, попавший на кристалл, проходят через него в ряде случаев не одинаково легко. Иначе говоря, для одного из лучей кристалл более прозрачен, чем для другого. К таким кристаллам принадлежит, например, турмалин.
Если рассматривать написанное на бумаге слово через турмалиновую пластинку, то мы можем не увидеть раздвоения, так как один из лучей будет во много раз слабее другого.
Чем же отличаются друг от друга два луча, на которые расщепился свет после преломления в кристалле?
Прежде чем ответить на этот вопрос, нам придётся сказать несколько слов о природе света.
Напомним сначала читателю понятия электрического и магнитного полей. Мы говорим, что в некоторой части пространства имеется электрическое поле, если на внесённый туда электрический заряд действует сила. В переменном электрическом поле сила с течением времени меняется.
Совершенно так же мы говорим о магнитном поле, – но здесь действуют магнитные силы.
Свет – это быстропеременные электрическое и магнитное поля, тесно связанные между собою и образующие единое электромагнитное поле, распространяющееся волнообразно вдоль луча.
Частота изменения электрической и магнитной силы в световом луче очень велика – сотни тысяч миллиардов колебаний в секунду, скорость распространения электромагнитного поля – скорость света – составляет 300 000 километров в секунду.
Мысль о родственности световых и электрических явлений была высказана ещё в XVIII веке великим русским учёным М.В. Ломоносовым и подтверждена впоследствии многочисленными опытами. Мы не можем здесь останавливаться на том, как это было сделано на самом деле, и поэтому постараемся наглядно разъяснить некоторые особенности светового луча на примере одного воображаемого опыта. Он состоит в следующем.
Предположим, что мы могли бы наблюдать, как ведёт себя очень маленькое, меньшее чем молекулы веществ, электрически заряженное тело, помещённое на пути светового луча. Мы обнаружили бы тогда, что такое тело очень быстро колеблется. Причиною этих колебаний служит электрическая сила, действующая на заряженное тело, помещённое в луч света. Если мы попытаемся определить величину и направление этой силы, то найдём, что электрическая сила с исключительной быстротой меняется и по величине, и по направлению, причём все её возможные направления всегда расположены в плоскости, перпендикулярной лучу; некоторые из них изображены слева на рисунке 33. Какого-либо преимущественного направления в самой этой плоскости нет – электрическая сила в разные моменты времени принимает в ней любые направления.
Так обстоит дело, если электрический заряд помещён в естественный луч света.
Если же мы проведём подобное испытание лучей, разделённых двоякопреломляющим кристаллом, то обнаружим нечто новое: электрическая сила так же меняется по величине и перпендикулярна лучу, но линия направления электрической силы на протяжении всего луча и во все моменты времени остаётся параллельной самой себе (рис. 33, справа). Такие лучи называются линейно-поляризованными.
Рис. 33. Схема расщепления естественного луча света на два линейно-поляризованных луча.
Открытие это было сделано с помощью других, более сложных приёмов, без применения пробного электрического заряда, так как подобные наблюдения поведения тела в луче, конечно, практически неосуществимы, – хотя бы даже из-за слишком быстрых изменений силы.
Теперь мы поймём, в чём же состоит различие световых лучей, разделённых двоякопреломляющим кристаллом. Оказывается, что эти два луча не только линейно-поляризованы, но направления электрической силы в них взаимно перпендикулярны (см. рис. 33).
Кристаллы, подобные турмалину, кроме того ещё поглощают один из этих лучей, – то есть превращают естественный луч света в единственный линейно-поляризованный луч, или, короче, поляризуют свет.
Пропустим теперь свет, поляризованный пластинкой турмалина, через вторую такую же. Если вращать в своей плоскости одну из пластинок, то при определённом их взаимном расположении свет за второй пластинкой полностью гаснет.
Образно выражаясь, кристаллы имеют как бы «щели», и свет через кристалл может проходить лишь тогда, когда электрическая сила направлена вдоль «щели». Если «щели» двух кристаллических пластинок параллельны, то свет проходит, если «щели» скрещены, то луч гаснет (см. схему рис. 34).
Рис. 34. Схема прохождения луча света через две турмалиновые пластинки.
В случае расположения «щелей» под углом во второй пластинке произойдёт разложение по правилу параллелограмма электрической силы линейно-поляризованного луча, вышедшего из первой пластинки. При этом доля света с направлением силы, параллельным «щели», пройдёт, с перпендикулярным – поглотится.
Точно так же турмалин «разлагает» и естественный луч света, который есть не что иное, как набор линейно-поляризованных лучей со всевозможными направлениями электрической силы.
Причиной этого явления, как и всех явлений, связанных с двойным лучепреломлением, служит всё та же анизотропия кристаллов. Дело в том, что в турмалине и других подобных кристаллах есть определённое избранное направление, связанное с кристаллической решёткой, которое и служит как бы «щелью» для электрической силы.
Двоякопреломляющие кристаллы имеют исключительно широкое применение в разнообразнейших оптических установках научно-исследовательских лабораторий наших институтов и заводов. Например, при помощи поляризационного прибора – сахариметра очень быстро и точно определяется концентрация сахара в растворе.
Около 20 лет тому назад был найден недорогой материал, поляризующий свет. Этот материал может быть получен в любых размерах. Называется он поляроидом. Поляроид – это прозрачная целлулоидная плёнка, равномерно покрытая маленькими, в несколько сотых миллиметра, кристалликами сернокислого иод-хинина. Кристаллики расположены в строгом порядке, сходственными гранями в одну сторону. Благодаря такой укладке вся плёнка ведёт себя, как один кристалл.
Где и для чего применяются поляроиды? Нужда в этом материале станет понятной, если сообщить читателю, что при отражении от стекла, воды, металла свет сильно, а иногда и полностью поляризуется.
Так как поляроид пропускает поляризованные лучи лишь при «подходящем» расположении «щели», то, помещая его соответствующим образом, всегда можно погасить или ослабить отражённый свет. А это важно в очень многих случаях.
Поляроидные очки употребляют в полярных странах для того, чтобы не видеть яркого поляризованного света, отражённого от снега. Через поляроид удобно рассматривать картины в галереях: не будут мешать световые блики. Наблюдателю в перископ подводной лодки мешает поляризованный свет, отражённый от поверхности моря, его действие уничтожит поляроид. Большое значение имеет применение поляроида в фотографии и кинематографии, устраняя лишние блики, мешающий блеск и пр.
Пьезоэлектричество
Много своеобразных и полезных свойств имеют кристаллы. Пожалуй, к самым замечательным из них принадлежат пьезоэлектрические свойства.
Пьезоэлектрические свойства присущи очень многим кристаллам, однако не всем, а лишь обладающим определённой симметрией. К таким кристаллам относятся, в частности, турмалин, сахар, кварц.
На рисунке 35 изображён кристалл кварца. Главная ось этого кристалла – ось симметрии 3-го порядка. В перпендикулярной плоскости лежат три оси второго порядка.
Рис. 35. Один из способов вырезания пьезокварцевой пластинки из кристалла кварца.
Указанным на рисунке способом из кристалла вырезают пластинку толщиной около 2 см. Мы видим, что она перпендикулярна главной оси, а оси 2-го порядка лежат в её плоскости.
Затем из этой толстой пластинки перпендикулярно одной из осей 2-го порядка вырезают тонкую пластинку, толщиной около 0,5 мм. С полученной таким образом тонкой пьезокварцевой пластинкой (на рисунке справа она сдвинута вниз) можно произвести интересные опыты.
Сдавим пластинку вдоль направления А, перпендикулярного осям симметрии, а к боковым плоскостям пластинки присоединим электрометр – прибор, обнаруживающий электрический заряд (для того чтобы был электрический контакт, эти плоскости надо посеребрить). Оказывается, что под действием сжатия на гранях пластинки появляются равные разноимённые заряды. Если вместо сжатия применяется растяжение, то заряды меняют знаки: там, где при сжатии возникал положительный заряд, при растяжении возникнет отрицательный, и наоборот. Вот это явление – возникновение электрических зарядов под действием давления или растяжения и получило название пьезоэлектричества.
Пьезокварцевые устройства чрезвычайно чутки: электрические приборы позволяют нам измерять заряды, появляющиеся на кварце при самой ничтожной силе, которую другими способами мы не можем измерить. Пьезокварц способен также отмечать очень быстрые изменения давления, что недоступно другим измерительным приборам. Поэтому описанное нами явление имеет огромное практическое значение, как способ электрической регистрации всякого рода механических действий, в том числе звуков. Достаточно легко дунуть на пьезокварцевую пластинку для того, чтобы откликнулся электрический прибор.
Пьезокварцевые пластинки применяют в медицине – ими выслушивают шумы в сердце человека. Подобным же образом их применяют в технике, проверяя работу машин: нет ли каких-либо «подозрительных» шумов. Но и наоборот, пьезокварцем можно измерять очень большие давления. Пьезокварцевые пластинки приносят большую пользу в артиллерии – с их помощью можно измерить, как меняется давление при движении снаряда в стволе орудия. Использование в качестве измерителя малых и больших, медленно и быстро меняющихся давлений не исчерпывает того, что может нам дать пьезокварц.
Нам нужно теперь остановиться на одном механическом свойстве пьезокварцевой пластинки. Как у всякого твёрдого тела, у пьезокварцевой пластинки есть своя частота колебаний, как говорят, собственная частота.
Оттяните или сожмите пружину, а затем отпустите: груз, подвешенный к этой пружине, будет колебаться с определённой собственной частотой. Отклоните маятник; после того, как вы его отпустите, он будет колебаться также с собственной частотой.
Слегка ударьте чем-либо хрустальную вазу, вы услышите мелодичный звон. Как известно, звук – это колебания воздуха, вызываемые быстрым невидимым дрожанием предметов, излучающих звук. Хрустальная ваза после того, как мы её ударили, начала колебаться с собственной частотой.
Пластинка кварца тоже начнёт колебаться – удлиняться и укорачиваться – с собственной частотой, если её ударить. Можно рассчитать, что пластинка толщиной в 1 см будет совершать около 300 000 колебаний в секунду. Наше ухо способно воспринимать звук лишь с частотой примерно от 16 до 20 000 колебаний в секунду. Следовательно, пьезокварц излучает «неслышимые звуки» или, как говорят, ультразвуки [6].
Однако простым щелчком мы заставим пластинку пьезокварца колебаться лишь на мгновенье. Замечательное свойство пьезокварца превращать механическую энергию в электрическую, и обратно, позволяет довольно легко создать незатухающие колебания кварцевой пластинки. На опытах установлено, что при подключении пьезокварца к источнику электрического напряжения пластинка слегка удлиняется или сжимается в направлении А – в зависимости от расположения полюсов источника.
При включении пьезокварцевой пластинки в цепь переменного тока она то расширяется, то укорачивается, то есть приходит в состояние колебаний с частотой тока. Если ток меняет своё направление 10 000 раз в секунду, то и пластинка будет колебаться с той же частотой. Но эти колебания малы, так как происходят не с собственной частотой пластинки, не «в резонанс».
Как получше раскачать качели? Разумеется, толкать их в такт собственным колебаниям. Поступим так же и с пьезокварцем.
Подберём частоту переменного тока так, чтобы она была равна собственной частоте пластинки, иначе говоря, чтобы электрический ток действовал в резонансе с собственными колебаниями пьезокварца. Пластинка придёт при этом в сильные колебания, энергично излучая ультразвуковые волны.
Источник ультразвуковых волн – пьезокварц – нашёл широкое применение в разных областях техники. Исключительное значение имеют эти волны для подводной сигнализации. Они много удобнее обычных звуковых волн, так как распространяются более направленно. Кроме того, ультразвуковой сигнал нельзя «подслушать» ухом.
Как и всякие волны, ультразвук отражается от препятствий. При помощи ультразвука можно измерять глубину моря и вообще определять отдалённость какого-либо препятствия. Для этого надо лишь знать скорость распространения ультразвука и определить время, через которое вернётся обратно сигнал, посланный в сторону препятствия. Трудно переоценить роль скромного маленького кристалла кварца в решении всех этих задач. Пьезокварц, установленный на корабле, непрерывно излучает ультразвук. Если только на пути корабля имеется невидимое подводное препятствие (скала, айсберг), ультразвуковая волна отразится и, вернувшись обратно, «сообщит» о необходимости перемены курса.
Ультразвуковые волны хотя и отражаются от твёрдых тел, но частично также проникают в них. Поэтому ультразвуками можно просвечивать тела и обнаруживать внутренние невидимые пороки. Такой способ был разработан и с успехом применён советским учёным проф. С.Я. Соколовым. Очень важно также применение пьезокварца в радиотехнике, где он помогает сделать более устойчивой (стабилизировать) работу передатчиков.
Из кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, особо широкое применение имеет именно кварц. Это объясняется механической и химической стойкостью, а также довольно широкой распространённостью кварца. В Физическом институте и Кристаллографическом институте Академии наук под руководством лауреатов Сталинской премии чл.-корр. Академии наук СССР Б.М. Вул и А.В. Шубникова ведутся работы по получению и поискам других кристаллов с замечательными пьезоэлектрическими свойствами. Советскими физиками достигнуты в этой области блестящие успехи, высоко оценённые правительством.
Как растут кристаллы
Водяной пар, вода и лёд – это одно и то же вещество, молекулы которого состоят из 2-х атомов водорода и одного атома кислорода. Можно сказать про лёд, что это – твёрдая вода, или про воду, что это – жидкий лёд. Одно и то же вещество существует в трёх состояниях – газообразном, жидком и твёрдом. Вообще говоря, все вещества могут быть с большим или меньшим трудом получены во всех трёх состояних. Сталь и железо плавятся на металлургических заводах, жидкий воздух изготовляется для разных технических целей и развозится по городу в специальных теплоизолированных сосудах, твёрдый углекислый газ – это хорошо знакомый нам «сухой лёд»…
Почти любое вещество может при известных условиях дать кристаллы. Кристаллы можно получить из раствора или из расплава данного вещества, а также из его паров (например, чёрные ромбовидные кристаллы иода легко выпадают из его паров при нормальном давлении без промежуточного перехода в жидкое состояние).
Начните растворять в воде столовую соль или сахар. Не любое количество удастся растворить. При комнатной температуре (20°) вы сумеете растворить в гранёном стакане 70 граммов соли. Дальнейшие добавки соли растворяться не будут и улягутся на дне в виде осадка. Раствор, в котором дальнейшее растворение уже не идёт, называется насыщенным. Если изменить температуру, то изменится и степень растворимости вещества. Всем хорошо известно, что большинство веществ горячая вода растворяет значительно легче, чем холодная.
Представьте себе теперь, что вы приготовили насыщенный раствор, скажем, сахара при температуре 30° и начинаете охлаждать его до 20°. При 30° вы сможете растворить в 100 граммах воды 223 грамма сахара, при 20° растворяется 205 граммов. Тогда при охлаждении от 30 до 20° 18 граммов окажутся «лишними» и, как говорят, выпадут из раствора. Итак, один из возможных способов получения кристаллов состоит в охлаждении насыщенного раствора.
Можно поступить и иначе. Приготовьте насыщенный раствор соли и оставьте его в открытом стакане. Через некоторое время вы обнаружите появление кристалликов. Почему же они образовались? Внимательное наблюдение покажет, что одновременно с образованием кристаллов произошло ещё одно изменение – количество воды убыло. Вода испарилась, и в растворе оказалось «лишнее» вещество. Итак, другой возможный способ образования кристаллов – это испарение раствора.
Как же происходит образование кристаллов из раствора?
Мы сказали, что кристаллы «выпадают» из раствора; надо ли это понимать так, что неделю кристалла не было, а в одно какое-то мгновение он вдруг сразу возник? Нет, дело обстоит не так: кристаллы растут.
Не удаётся, разумеется, обнаружить глазом самые начальные моменты роста. Сначала немногие из беспорядочно движущихся молекул или атомов растворённого вещества собираются в том примерно порядке, который нужен для образования кристаллической решётки. Такую группу атомов или молекул называют зародышем.
Опыт показывает, что зародыши охотнее образуются при наличии в растворе каких-либо посторонних мельчайших пылинок. Всего быстрее и легче кристаллизация начинается тогда, когда в насыщенный раствор помещается маленький кристалл-затравка. При этом выделение из раствора твёрдого вещества будет заключаться не в образовании новых кристалликов, а в росте затравки.
Рост зародыша не отличается, конечно, от роста затравки. Смысл использования затравки состоит в том, что она «оттягивает» на себя выделяющееся вещество и препятствует, таким образом, одновременному образованию большого числа зародышей. Если же зародышей образуется сразу много, то они будут мешать друг другу при росте и не позволят нам получить крупных кристаллов.
Как распределяются на поверхности зародыша новые порции атомов или молекул, выделяющихся из раствора?
Опыт показывает, что рост зародыша или затравки заключается как бы в перемещении граней параллельно самим себе в направлении, перпендикулярном грани. При этом углы между гранями остаются постоянными. (Мы уже знаем, что постоянство углов – важнейший признак кристалла, вытекающий из его решетчатого строения.)
На рисунке 36[7] даны последовательные очертания трёх кристаллов одного и того же вещества при их росте. Подобную картину можно наблюдать в микроскоп. В случае, изображённом слева, число граней во время роста сохраняется. Средний рисунок даёт пример появления новой грани (вверху справа) и снова её исчезновения.
Рис. 36. Слева – рост кристалла с сохранением числа граней; в середине – грани по мере роста кристалла могут зарастать и появляться вновь; справа – обломок кристалла приобретает при росте правильную форму.
Очень важно отметить, что скорость роста граней, то есть скорость перемещения их параллельно самим себе, неодинакова у разных граней. При этом «зарастают» – исчезают именно те грани, которые перемещаются всего быстрее, например левая нижняя грань на среднем рисунке. Наоборот, медленно растущие грани оказываются самыми широкими, как говорят, наиболее развитыми.
Особенно отчётливо это видно на последнем рисунке. Бесформенный обломок приобретает ту же форму, что и другие кристаллы именно из-за анизотропии скорости роста. Вполне определённые грани развиваются за счёт других всего сильнее и придают кристаллу форму, свойственную всем образцам этого вещества.
Очень красивые переходные формы наблюдаются в том случае, когда в качестве затравки берётся шар, а раствор попеременно слегка охлаждается и нагревается. При нагревании раствор становится ненасыщенным, и идёт частичное растворение затравки. Охлаждение ведёт к насыщению раствора и росту затравки. Но молекулы оседают при этом по-иному, как бы отдавая предпочтение некоторым местам. Вещество, таким образом, переносится с одних мест шара на другие.
Сначала на поверхности шара появляются маленькие грани в форме кружков. Кружки постепенно увеличиваются и, соприкасаясь друг с другом, сливаются по прямым рёбрам. Шар превращается в многогранник. Затем одни грани обгоняют другие, часть граней зарастает, и кристалл приобретает свойственную ему форму (рис. 37).
Рис. 37. Как кристаллический шар превращается в правильный октаэдр.
При наблюдении за ростом кристаллов поражает основная особенность роста – параллельное перемещение граней. Получается так, что выделяющееся вещество застраивает грань слоями; пока один слой не достроен, следующий строиться не начинает.
На рисунке 38 показана «недостроенная» упаковка атомов. В каком из обозначенных буквами положений прочнее всего будет удерживаться новый атом, пристроившись к кристаллу? Без сомнения, в А, так как здесь он испытывает притяжение соседей с трёх сторон, тогда как в Б – с двух, а в В – только с одной стороны. Поэтому сначала достраивается столбик, затем вся плоскость, и только потом начинается укладка новой плоскости.
Рис. 38. Как растёт кристалл.
В целом ряде случаев кристаллы образуются из расплавленной массы – из расплава. В природе это совершается в огромных масштабах: из огненной магмы возникли базальты, граниты и многие другие горные породы.
Начнём нагревать какое-нибудь кристаллическое вещество, например каменную соль. До 804° кристаллики каменной соли будут мало изменяться: они лишь незначительно расширяются, и вещество остаётся твёрдым.
Измеритель температуры, помещённый в сосуд с веществом, показывает непрерывный рост температуры при нагревании. При 804° мы обнаружим сразу два новых, связанных между собой явления: вещество начнёт плавиться, и подъём температуры приостановится. Пока всё вещество не превратится в жидкость, температура не изменится; дальнейший подъём температуры – это уже нагревание жидкости. Все кристаллические вещества имеют определённую температуру плавления. Лёд плавится при 0°, железо – при 1527°, ртуть – при –39° и т.д.
Как мы уже знаем, в каждом кристаллике атомы или молекулы вещества образуют упорядоченную упаковку и совершают малые колебания около своих средних положений. По мере нагревания тела скорость колеблющихся частиц возрастает вместе с размахом колебаний.
Это увеличение скорости движения частиц с возрастанием температуры составляет один из основных законов природы, который относится к веществу в любом состоянии – твёрдом, жидком или газообразном. Зная температуру, можно вычислить, с какой средней скоростью движутся частицы вещества. Скорости эти довольно велики – порядка нескольких сот метров в секунду. При нагревании тела, например от нуля до 1000°, скорость частиц возрастает более чем вдвое.
Когда достигнута определённая, достаточно высокая температура кристалла, колебания его частиц становятся столь энергичными, что аккуратное расположение частиц становится невозможным – кристалл плавится.
С началом плавления подводимое тепло идёт уже не на увеличение скорости частиц, а на разрушение кристаллической решётки. Поэтому подъём температуры приостанавливается. Последующее нагревание – это увеличение скорости частиц жидкости.
В интересующем нас случае кристаллизации из расплава явления наблюдаются в обратном порядке: по мере охлаждения жидкости её частицы замедляют своё хаотическое движение; при достижении определённой, достаточно низкой температуры скорость частиц уже столь мала, что некоторые из них под действием сил притяжения начинают пристраиваться одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока всё вещество не закристаллизуется, темпера