כשמסתכלים על גבישים ואבני חן, רוצים להבין איך היופי המסתורי הזה יכול היה להופיע, איך נוצרות יצירות טבע מדהימות כאלה. יש רצון ללמוד יותר על הנכסים שלהם. אחרי הכל, המבנה המיוחד, החוזר בשום מקום בטבע של קריסטלים, מאפשר להשתמש בהם בכל מקום: מתכשיטים ועד להמצאות מדעיות וטכניות אחרונות.
מחקר של מינרלים גבישיים
המבנה והתכונות של גבישים הם כה רב-גוני עד שמדע נפרד, מינרלוגיה, עוסק במחקר ובמחקר של תופעות אלו. האקדמאי הרוסי המפורסם אלכסנדר יבגנייביץ' פרסמן היה כה נקלט והופתע מהמגוון והאינסוף של עולם הגבישים, עד שהוא ניסה לרתק כמה שיותר מוחות בנושא זה. בספרו Entertaining Mineralogy הוא הפציר בהתלהבות ובחום להכיר את סודות המינרלים ולצלול אל עולם אבני החן:
אני באמת רוצה אותךלָצוּד. אני רוצה שתתחיל להתעניין בהרים ומחצבות, במכרות ובמכרות, כדי שתתחיל לאסוף אוספים של מינרלים, כדי שתרצה ללכת איתנו מהעיר רחוקה יותר, אל מסלול הנהר, שם יש הן גדות סלעיות גבוהות, לראשי הרים או לחוף הים הסלעי, שם אבן נשברת, חול נכרה או עפרות מתפוצצות. שם, בכל מקום אני ואתה נמצא מה לעשות: ובסלעים מתים, חולות ואבנים, נלמד לקרוא כמה חוקי טבע גדולים השולטים בכל העולם ועל פיהם כל העולם בנוי.
פיזיקה חוקרת גבישים, בטענה שכל גוף מוצק באמת הוא גביש. הכימיה חוקרת את המבנה המולקולרי של גבישים, ומגיעה למסקנה שלכל מתכת יש מבנה גבישי.
למחקר התכונות המדהימות של גבישים יש חשיבות רבה לפיתוח המדע המודרני, הטכנולוגיה, תעשיית הבנייה ותעשיות רבות אחרות.
חוקים בסיסיים של גבישים
הדבר הראשון שאנשים שמים לב כשהם מסתכלים על גביש הוא צורתו הרב-גונית האידיאלית, אבל היא לא התכונה העיקרית של מינרל או מתכת.
כאשר גביש נשבר לשברים קטנים, שום דבר לא יישאר מהצורה האידיאלית, אבל כל שבר, כמו קודם, יישאר גביש. תכונה ייחודית של גביש אינה המראה שלו, אלא התכונות האופייניות של המבנה הפנימי שלו.
סימטרי
הדבר הראשון שצריך לזכור ולשים לב כשלומדים קריסטלים הוא התופעהסִימֶטרִיָה. זה נפוץ בחיי היומיום. כנפי פרפר סימטריות, טביעה של כתם על פיסת נייר מקופלת לשניים. גבישי שלג סימטריים. לפתית השלג המשושה שישה מישורי סימטריה. על ידי כיפוף התמונה לאורך כל קו המתאר את מישור הסימטריה של פתית השלג, ניתן לשלב את שני חצאיו זה עם זה.
לציר הסימטריה יש תכונה כזו שעל ידי סיבוב דמות בזווית ידועה כלשהי סביבו, ניתן לשלב חלקים מתאימים של הדמות זה עם זה. בהתאם לגודל של זווית מתאימה שבה צריך לסובב את הדמות, נקבעים צירים בסדר 2, 3, 4 ו-6 בקריסטלים. לפיכך, בפתיתי שלג, יש ציר סימטריה בודד בסדר השישי, הניצב למישור הציור.
מרכז הסימטריה הוא נקודה כזו במישור הדמות, באותו מרחק שממנה בכיוון ההפוך נמצאים אותם אלמנטים מבניים של הדמות.
מה יש בפנים?
המבנה הפנימי של גבישים הוא מעין שילוב של מולקולות ואטומים בסדר שמיוחד רק לגבישים. איך הם יודעים את המבנה הפנימי של חלקיקים אם הם לא נראים אפילו במיקרוסקופ?
משמשים בקרני רנטגן לשם כך. בעזרתם לגבישים שקופים, הפיזיקאי הגרמני מ' לאו, הפיזיקאים האנגלים אב ובנו בראג, והפרופסור הרוסי יו. וולף קבעו את החוקים שלפיהם חוקרים את המבנה והמבנה של גבישים.
הכל היה מפתיע ובלתי צפוי. סמוהרעיון של מבנה המולקולה התברר כלא ישים למצב הגבישי של החומר.
לדוגמה, לחומר ידוע כמו מלח שולחן יש את ההרכב הכימי של מולקולת NaCl. אבל בגביש, אטומים בודדים של כלור ונתרן אינם מסתכמים למולקולות נפרדות, אלא יוצרים תצורה מסוימת הנקראת סריג מרחבי או גבישי. החלקיקים הקטנים ביותר של כלור ונתרן קשורים חשמלית. סריג הגביש של מלח נוצר כדלקמן. אחד מאלקטרוני הערכיות של הקליפה החיצונית של אטום הנתרן מוכנס לקליפה החיצונית של אטום הכלור, שאינה מתמלאת לגמרי בגלל היעדר האלקטרון השמיני בקליפה השלישית של הכלור. לפיכך, בגביש, כל יון של נתרן וגם של כלור אינו שייך למולקולה אחת, אלא לכל הגביש. בשל העובדה שאטום הכלור הוא חד ערכי, הוא יכול לחבר לעצמו אלקטרון אחד בלבד. אבל התכונות המבניות של הגבישים מובילות לכך שאטום הכלור מוקף בשישה אטומי נתרן, ואי אפשר לקבוע מי מהם יחלוק אלקטרון עם כלור.
מסתבר שהמולקולה הכימית של מלח שולחן והגביש שלו הם בכלל לא אותו דבר. כל הגביש היחיד הוא כמו מולקולה ענקית אחת.
גריל - דגם בלבד
יש להימנע מהשגיאה כאשר הסריג המרחבי נלקח כמודל אמיתי של מבנה הגביש. סריג - מעין תמונה מותנית של דוגמה לחיבור של חלקיקים אלמנטריים במבנה הגבישים. נקודות חיבור לרשת בצורת כדוריםויזואלית מאפשרים לך לתאר אטומים, והקווים המחברים ביניהם הם תמונה משוערת של כוחות הקישור ביניהם.
במציאות, הפערים בין אטומים בתוך גביש קטנים בהרבה. זוהי אריזה צפופה של החלקיקים המרכיבים אותה. כדור הוא ייעוד קונבנציונלי של אטום, שהשימוש בו מאפשר לשקף בהצלחה את תכונות האריזה הקרובה. במציאות, אין מגע פשוט של אטומים, אלא חפיפה חלקית הדדית ביניהם. במילים אחרות, התמונה של כדור במבנה של סריג הגביש היא, לשם הבהירות, הכדור המתואר ברדיוס כזה המכיל את החלק העיקרי של האלקטרונים של האטום.
הבטחת כוח
יש כוח משיכה חשמלי בין שני יונים בעלי מטען הפוך. זהו חומר מקשר במבנה של גבישים יוניים כמו מלח שולחן. אבל אם תקרבו מאוד את היונים, אז מסלולי האלקטרונים שלהם יחפפו זה את זה, ויופיעו כוחות דחייה של חלקיקים בעלי מטען דומה. בתוך הגביש, התפלגות היונים היא כזו שכוחות הדחייה והמשיכה נמצאים באיזון, ומספקים חוזק גבישי. מבנה זה אופייני לגבישים יוניים.
ובסריגי הגביש של יהלום וגרפיט יש חיבור של אטומים בעזרת אלקטרונים משותפים (קולקטיביים). לאטומים מרווחים קרובים יש אלקטרונים משותפים המסתובבים סביב הגרעין של אטום אחד וגם של אטום שכן.
מחקר מפורט של תורת הכוחות עם קשרים כאלה הוא די קשה והוא נמצא בתחום מכניקת הקוונטים.
הפרשי מתכת
המבנה של גבישי מתכת מורכב יותר. בשל העובדה שאטומי מתכת תורמים בקלות את האלקטרונים החיצוניים הזמינים, הם יכולים לנוע בחופשיות לאורך כל נפח הגביש, ויוצרים בתוכו את מה שנקרא גז אלקטרונים. הודות לאלקטרונים "נודדים" כאלה, נוצרים כוחות המבטיחים את חוזק מטיל המתכת. מחקר המבנה של גבישי מתכת אמיתיים מראה כי בהתאם לשיטת הקירור של מטיל מתכת, הוא עשוי להכיל פגמים: משטח, נקודה וליניארית. גודלם של פגמים כאלה אינו חורג מקוטרם של מספר אטומים, אך הם מעוותים את סריג הגביש ומשפיעים על תהליכי דיפוזיה במתכות.
Crystal Growth
להבנה נוחה יותר, ניתן לייצג את הצמיחה של חומר גבישי כהקמת מבנה לבנים. אם לבנה אחת של בנייה לא גמורה מוצגת כחלק בלתי נפרד מקריסטל, אז ניתן לקבוע היכן יצמח הגביש. תכונות האנרגיה של הגביש הן כאלה שהלבנה המונחת על הלבנה הראשונה תחווה משיכה מצד אחד - מלמטה. כאשר הנחת על השני - משני הצדדים, ועל השלישי - משלושה. בתהליך ההתגבשות - המעבר ממצב נוזלי למצב מוצק - משתחררת אנרגיה (חום היתוך). לקבלת החוזק הגדול ביותר של המערכת, האנרגיה האפשרית שלה צריכה להטות למינימום. לכן, הצמיחה של גבישים מתרחשת שכבה אחר שכבה. תחילה תושלם שורה של המטוס, אחר כך כל המטוס, ורק אז יתחיל לבנות את הבא.
מדע שלקריסטלים
חוק הבסיס של הקריסטלוגרפיה - מדע הגבישים - אומר שכל הזוויות בין מישורים שונים של פני קריסטל תמיד קבועות וזהות. לא משנה כמה מעוות גביש צומח, הזוויות בין פניו שומרות על אותו ערך הטבוע בסוג זה. ללא קשר לגודל, צורה ומספר, פניו של אותו מישור גבישי מצטלבים תמיד באותה זווית קבועה מראש. חוק קביעות הזוויות התגלה על ידי M. V. לומונוסוב בשנת 1669 ומילא תפקיד מרכזי בחקר מבנה הגבישים.
Anisotropy
המוזרות של תהליך היווצרות הגבישים נובעת מתופעת האניזוטרופיה - מאפיינים פיזיקליים שונים בהתאם לכיוון הצמיחה. גבישים בודדים מוליכים חשמל, חום ואור בצורה שונה בכיוונים שונים ובעלי חוזק לא שווה.
לכן, אותו יסוד כימי עם אותם אטומים יכול ליצור סריג גביש שונים. לדוגמה, פחמן יכול להתגבש ליהלום ולגרפיט. יחד עם זאת, היהלום הוא דוגמה לחוזק המקסימלי בין המינרלים, והגרפיט עוזב בקלות את קשקשיו כאשר כותבים בעיפרון על נייר.
למדידת הזוויות בין פני המינרלים יש חשיבות מעשית רבה לקביעת טבעם.
תכונות בסיסיות
למדנו את התכונות המבניות של גבישים, נוכל לתאר בקצרה את המאפיינים העיקריים שלהם:
- אניזוטרופיה - מאפיינים לא אחידים בכיוונים שונים.
- אחידות - יסודילמרכיבי הגבישים, המרווחים באופן שווה, יש אותן תכונות.
- יכולת חיתוך עצמי - כל שבר של גביש בתווך המתאים לצמיחתו יקבל צורה רב-גונית ויכוסה בפרצופים המקבילים לסוג זה של גבישים. תכונה זו היא שמאפשרת לקריסטל לשמור על הסימטריה שלו.
- האיווריות של נקודת ההיתוך. הרס הסריג המרחבי של מינרל, כלומר מעבר של חומר גבישי ממצב מוצק לנוזל, מתרחש תמיד באותה טמפרטורה.
גבישים הם מוצקים שקיבלו את הצורה הטבעית של פולידרון סימטרי. מבנה הגבישים, המאופיין ביצירת סריג מרחבי, שימש בסיס להתפתחות בפיסיקה של תורת המבנה האלקטרוני של מוצק. לחקר התכונות והמבנה של מינרלים יש חשיבות מעשית רבה.
