Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Приазовский государственный технический университет

Кафедра теории металлургических процессов

С.Л. Макуров

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу

«КРИСТАЛЛОГРАФИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ»

для студентов специальностей 8.090401, 8.090404, 8.090406

Мариуполь - 2002г.

УДК 548.73. 187.075.8

Макуров С.Л. Конспект лекций по курсу “Кристаллография и минералогия” для студентов специальностей 8.090401, 8.090404, 8.090406. - Мариуполь: ПГТУ, 2002. - 114 с.

Приведены сведения о структуре кристаллических решеток, росте, свойствах, симметрии, классификации и форме кристаллов, а также о минералах и горных породах, представляющих наибольший интерес для черной металлургии.

Часть первая КРИСТАЛЛОГРАФИЯ

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ, СВОЙСТВАХ И РОСТЕ КРИСТАЛЛОВ

1.1 Предмет и задачи современной кристаллографии

Кристаллография - наука о кристаллах и кристаллическом состоянии материи. Она изучает возникновение и рост кристаллов, их внешнюю форму, внутренние строение и физические свойства.

Слово “кристалл” - греческого происхождения. Кристаллом древние греки называли лёд, а затем и горный хрусталь, который считали окаменевшим льдом. Позднее, начиная с 17 века, кристаллами стали называть все твёрдые тела, имеющие природную форму плоскостного многогранника. Такие многогранники ограничены плоскостями - гранями, которые пересекаются по прямым линиям - рёбрам.

В настоящее время понятие “кристалл” является более широким, и к кристаллическим телам относят все твердые образования, обладающие закономерным внутренним строением. Закономерность эта заключается в строго упорядоченном расположении частиц, слагающих кристаллическое тело. При этом частицы одного сорта периодически повторяются, располагаясь по параллельным линиям. Эти частицы можно мысленно соединить прямыми линиями так, что получится некоторая система параллелепипедов, в вершинах которых и будут находиться все однородные частицы. Такая система параллелепипедов, равных друг другу, параллельно расположенных и смежных по целым граням, получила название “пространственной решётки”. Соответственные точки параллелепипедов пространственной решётки, например, их центры или вершины, называются узлами.

Узлы пространственной решётки ассоциируют обычно с центрами тяжести частиц одного сорта, причём этими частицами могут быть атомы, ионы, радикалы или молекулы. Замена материальных частиц математическими точками создает определённые удобства при изучении строения и свойств кристаллических веществ в тех случаях, когда решение рассматриваемого вопроса от природы частиц не зависит.

Таким образом, пространственная решётка служит как бы схемой внутреннего строения кристаллического тела.

Решётчатое строение является наиболее характерной особенностью всех, без исключения, кристаллических тел и обуславливает их специальные свойства, в том числе и способность кристаллов приобретать форму многогранников.

Отсюда вытекает следующее определение кристаллическому веществу: ”Кристаллическими называются все твердые тела, имеющие решётчатое строение”.

Понятие о пространственной решётке и решётчатое строение кристаллов лежат в основе всей современной кристаллографии.

Твердые тела, не имеющие решётчатого строения, называются аморфными. Примерами аморфных тел могут служить различные стёкла, смолы, желатин, клей, сургуч, сапожный вар, пластмассы и др. В аморфном веществе составляющие его частицы располагаются в общем беспорядочно, как и в жидкостях. Поэтому аморфные тела часто уподобляют жидкостям с очень большим внутренним трением (или высокой вязкостью). Основными же признаками являются: 1) изотропность, т. е. одинаковость свойств во всех направлениях; 2) отсутствие чётко выраженной температуры плавления.

Аморфные вещества не являются устойчивыми. Они обнаруживают с течением времени тенденцию к кристаллизации (наблюдается, например, “расстеклование” стекла, “засахаривание” леденцов). Кристаллическое состояние по сравнению с аморфным оказывается более устойчивым, так как упорядоченному расположению частиц в структуре отвечает минимальная внутренняя энергия о чём свидетельствует выделение теплоты при кристаллизации жидкости и поглощение тепла при расплавлении кристаллов.

В связи с отмеченным аморфные тела нередко относят к переохлаждённым жидкостям.

Таким образом, представителями истинно твёрдых тел являются только кристаллы.

Исторически учение о кристаллах развивалось совместно с минералогией, как один из её разделов. Лишь с конца 19 в. кристаллография выделяется в самостоятельную науку благодаря тому, что с развитием химии и особенно органической химии было установлено широкое распространение кристаллических веществ, часто не имеющих ничего общего с минералами. Кроме того, обнаружилась определённая связь между химическим составом кристаллов и их внешней формой. Это послужило основанием Ф. Энгельсу в одной из своих работ назвать кристаллографию частью химии.

Однако, до опытов Лауэ кристаллография сохраняла свой первоначальный описательный характер, занимаясь, главным образом, изучением некоторых физических свойств и внешних геометрических форм кристаллов. После экспериментального подтверждения решётчатого строения кристаллов содержание кристаллографии существенным образом изменилось. Возможность непосредственного изучения внутреннего строения кристаллов с помощью рентгеновских лучей значительно расширила цели и задачи кристаллографии и привела к появлению и быстрому развитию новых разделов этой науки (например, кристаллохимия, кристаллофизика, кристаллооптика и др.).

Современная кристаллография изучает все свойства кристаллического вещества и относящиеся к нему закономерности, которые находятся в связи с его решётчатым внутренним строением. Основной задачей кристаллографии является установление взаимной связи между структурой кристаллов и их химическим составом, а также различными физическими, физико-химическими и геометрическими свойствами.

Следовательно, главными науками, на которых базируется современная кристаллография, являются физика, химия, физическая химия и математика. В свою очередь кристаллографией широко пользуются металлография, рентгенография, физика твердого тела, петрография, геохимия, радиотехника и др. Сохранила кристаллография свои прежние связи и с минералогией. Большой интерес к кристаллографии проявляют также физики и химики, поскольку существует определённая зависимость физических свойств кристаллов от их внутреннего строения, которое в свою очередь обуславливается химическим составом кристаллического вещества.

Значение кристаллографии, как науки о кристаллах, вытекает из чрезвычайной распространенности кристаллического состояния вещества. Так как с кристаллами приходится иметь дело практически во всех сферах человеческой деятельности, то развитие почти каждой отрасли народного хозяйства выдвигает целый ряд важных кристаллографических задач. Сюда относится, прежде всего, задача получения высококачественных кристаллических материалов, необходимых для удовлетворения потребностей новой и новейшей техники. Искусственные алмазы, кварц, рубин, многочисленные полупроводники, люминесцентные кристаллы и др. уже широко используются в обрабатывающей и оптической промышленности, в радиоэлектронике и компьютерах, в космических исследованиях и ультразвуковой технике. Однако, бурное развитие науки и техники требует всё новых видов кристаллических материалов, в том числе металлов и сплавов, обладающих теми или иными нужными свойствами. Решение этой проблемы требует тщательного изучения процессов образования, роста и разрушения кристаллов, а также исследования кристаллических структур, в геометрии которых кроется одна из основных причин физических и химических особенностей кристаллов.

Сказанное выше в достаточной мере характеризует роль современной кристаллографии в научно-техническом прогрессе и необходимость её изучения.

1.2 Основные свойства кристаллического вещества

Теория решётчатого строения кристаллов была создана в середине 19 века французским кристаллографом О. Бравэ, а затем русский кристаллограф академик Е. С. Фёдоров и немецкий учёный А. Шенфлис завершили математическую разработку этой теории. При создании и разработке теории решетчатого строения кристаллов Бравэ, Фёдоров и др. кристаллографы основывались исключительно на некоторых важных свойствах кристаллического вещества.

Основными свойствами кристаллов являются их однородность, анизотропность, способность самоограняться и симметричность.

Однородным обычно называют тело, которое обнаруживает одинаковые свойства во всех своих частях. Кристаллическое тело однородно, т. к. различные участки его имеют одинаковое строение, т. е. одинаковую ориентировку слагающих частиц, принадлежащих одной и той же пространственной решётке. Однородность кристалла следует отличать от однородности жидкости или газа, которая имеет статистический характер.

Анизотропным называется такое однородное тело, которое обладает неодинаковыми свойствами по непараллельным направлениям. Кристаллическое тело анизотропно, т. к. строение пространственной решётки, а значит и самого кристалла, в общем случае неодинаково по непараллельным направлениям. По параллельным же направлениям частицы слагающие кристалл, как и узлы его пространственной решётки, расположены строго одинаковым образом, поэтому и свойства кристалла по таким направлениям должны быть одними и теми же.

Характерный пример резко выраженной анизотропности представляет слюда, кристаллы которой легко расщепляются лишь по одному определённому направлению. В качестве другого яркого примера анизотропности можно привести минерал дистен (AlOAl[SiO4]), у кристаллов которого боковые грани имеют сильно различающиеся значения твердости в продольном и поперечном направлениях. Если из кристалла каменной соли, имеющего форму куба, вырезать стерженьки по разным направлениям, то для разрыва этих стерженьков потребуются разные усилия. Стерженёк, перпендикулярный граням куба, разорвётся при усилии около 570 Г/мм2; для стерженька, параллельного гранным диагоналям, разрывающее усилие составит 1150 Г/мм2, а разрыв стерженька, параллельного телесной диагонали куба, произойдет при усилии 2150 Г/мм2.

Приведенные примеры, конечно, исключительны по своей характерности. Однако точными исследованиями установлено, что абсолютно все кристаллы в том или ином отношении обладают анизотропностью.

Однородностью и в некоторой степени анизотропностью могут обладать также и аморфные тела. Но ни при каких условиях аморфные вещества не могут сами по себе принимать форму многогранников. Образовываться в виде плоскостных многогранников могут лишь кристаллические тела. В способности самоограняться, т. е. принимать многогранную форму, проявляется наиболее характерный внешний признак кристаллического вещества.

Правильная геометрическая форма кристаллов с давних пор привлекала внимание человека, и её загадочность вызывала в прошлом у людей различные суеверия. Кристаллы таких веществ, как алмаз, изумруд, рубин, сапфир, аметист, топаз, бирюза, гранат и др., ещё в 18 в. считались носителями сверхъестественных сил и использовались не только как драгоценные украшения, но и как талисманы или средство от многих болезней и укусов ядовитых змей.

На самом же деле способность самоограняться, как и первые два свойства, является следствием правильного внутреннего строения кристаллического вещества. Внешние границы кристаллов как бы отражают эту правильность их внутреннего строения, ибо каждый кристалл можно рассматривать как часть его пространственной решётки, ограниченной плоскостями (гранями).

Необходимо вместе с тем отметить, что способность кристаллического вещества самоограняться проявляется не всегда, а только при особо-благоприятных условиях, когда внешняя окружающая среда не мешает образованию и свободному росту кристаллов. При отсутствии таких условий получаются или совершенно неправильные или частично деформированные кристаллы. Несмотря на это они сохраняют все свои внутренние свойства, в том числе и причины, заставляющие кристаллы принимать форму многогранника. Поэтому, если кристаллическое зерно неправильной формы поместить в определённые условия, в которых кристалл сможет свободно расти, то оно примет через некоторое время форму плоскостного многогранника, присущую данному веществу.

Симметрия кристаллов также является отражением их закономерного внутреннего строения. Все кристаллы в той или иной степени симметричны, т. е. состоят из закономерно повторяющихся равных частей, так как их строение выражается пространственной решёткой, которая по своей природе всегда симметрична.

Открытие мюнхенским физиком М. Лауэ в 1912 г. явления дифракции рентгеновских лучей при их прохождении через кристалл явилось первым экспериментальным подтверждением правильности теории решетчатого строения кристаллического вещества. С этого момента стало возможным, с одной стороны, посредством кристаллов исследовать рентгеновские лучи, а с другой - с помощью рентгеновских лучей исследовать внутреннее строение кристаллов. Таким путём было доказано, что абсолютно все кристаллы состоят из частиц, расположенных друг относительно друга закономерно, наподобие узлов пространственной решётки.

После опытов Лауэ теория решетчатого строения кристаллов перестала быть только лишь умозрительным построением и приобрела форму закона.

1.3 Распространённость кристаллических веществ

Неосведомлённому человеку может показаться, что кристаллические тела встречаются в природе очень редко. Действительно, природные монокристаллические образования, имеющие вид плоскостных многогранников, представляют большую редкость. Это, в первую очередь, относится к кристаллам большой величины, размеры которых в отдельных случаях могут достигать человеческого роста. Таковы гигантские кристаллы кварца и гипса, хранящиеся в Московском минералогическом музее АН России и в Горном музее Санкт-Петербургского горного института. В 1958 г. в Средней Азии был найден уникальный кристалл кварца весом около 30 т., длиной 7,5 м. и шириной 1,6 м.

Разумеется, описанные случаи относятся к числу выдающихся. Обычно же приходится иметь дело с гораздо более мелкими и нередко микроскопическими кристалликами.

В наиболее общем случае кристаллизация происходит из многих центров одновременно, поэтому отдельные кристаллы в процессе своего роста приходят в соприкосновение друг с другом и не могут приобрести геометрически правильную огранку. В результате образуются поликристаллические тела, состоящие из множества кристаллических зёрен с криволинейными очертаниями, которые часто называют “кристаллитами”. Тем не менее, как было установленно рентгеноскопическими исследованиями, кристаллиты обладают таким же закономерным внутренним строением, что и кристаллические многогранники.

Из подобных кристаллических зёрен различной крупности, от видимых простым глазом до не различимых даже под микроскопом, состоят, например, металлы и сплавы, кирпич и бетон, твёрдые шлаки и минеральные удобрения, самые разнообразные продукты химической и пищевой промышленности. То же самое можно сказать и о подавляющем большинстве горных пород, слагающих земную кору, которые образовались из застывающей магмы (граниты, базальты, диориты, перидотиты и др.), кристаллическими являются также руды железа и цветных металлов и осадочные породы органогенного и химического происхождения - известняки, доломиты, гипс, каменная соль и т. п. Из мельчайших обломков кристаллов состоят и такие распространенные механические осадки, как песок, глина и алеврит. Кристаллические вещества принимают участие даже в строении органического мира. Например, роговица глаза, зубы, некоторые кости скелета, пчелиный воск - представляют собой агрегаты мельчайших кристалликов, не обнаруживаемых с помощью обычных микроскопов.

Благодаря применению рентгеновских лучей и электронных микроскопов круг известных нам кристаллических веществ всё более расширяется. Имеющиеся данные достаточно убедительно свидетельствуют о чрезвычайной распространённости кристаллов в природе. Образно выражаясь, мы живем в мире кристаллов, ибо кристаллы окружают нас всюду.

1.4 Пространственная решётка

Познакомимся теперь подробнее с построением и некоторыми свойствами пространственной решётки.

Примем какой-либо узел пространственной решётки, например, узел А0, за исходный узел решётки (рис. 1.1). Пусть ближайший к нему такой же атом (узел) А1 находится на расстоянии а (а --> А0А1). Продолжив прямую А0А1, найдем серию узлов А2,А3, А4, . . . , Аn, расположенных вдоль этой прямой на равном расстоянии друг от друга.

Совокупность узлов, лежащих на одной прямой, называется рядом пространственной решётки.

Рис. 1.1. Ряд пространственной решётки

Расстояние между соседними узлами ряда называется промежутком ряда. В нашем случае промежуток ряда равен а.

Число узлов, приходящихся на единицу длины ряда, называется плотностью ряда. Очевидно, что плотность ряда обратно пропорциональна величине промежутка: чем меньше промежуток ряда, тем больше будет его плотность.

Одно из основных свойств пространственной решётки состоит в том, что через любой узел решётки всегда можно провести ряд, параллельный данному ряду, причём все параллельные ряды имеют одинаковую плотность. Ряды же разных направлений в общем случае обладают различной плотностью. В частных случаях и у непараллельных рядов промежутки могут быть одинаковыми.

Возьмём теперь относительно исходного узла А0 ещё один ближний к нему узел, лежащий в плоскости чертежа, но не вне ряда А0Аn. Пусть это будет узел В1, отстоящий от узла А0 на расстояние b (рис. 1.2). Соединив узлы А0 и В1 прямой линией и продолжив её дальше, получим новый ряд А0Вn с промежутком ряда b.

Два пересекающихся ряда А0Аn и А0Вn, определяют положение плоскости, которая пройдёт через бесконечное множество узлов пространственной решётки.

Совокупность узлов пространственной решётки, лежащих в одной плоскости, называется плоской сеткой.

Узлы всякой плоской сетки можно расположить в вершинах равных и параллельных друг другу параллелограммов, смежных по целым сторонам. Такую систему параллелограммов в нашем случае получим, если через узлы В1, В2, . . . , Вn проведём ряды, параллельные ряду А0Аn, а через узлы А2.,А3,А4, . . . ,Аn, - ряды, параллельные ряду А0Вn (см. рис. 2) .

Число узлов, приходящихся на единицу площади плоской сетки, называется её ретикулярной плотностью.

Согласно второму основному свойству пространственной решётки через любой узел решётки можно провести плоскую сетку, параллельную данной и имеющую такую же ретикулярную плотность. Таким образом в решётке параллельно каждой плоской сетке проходит бесконечное множество тождественных плоских сеток. Совокупность параллельных друг другу плоских сеток пространственной решётки будем называть серией плоских сеток. Расстояние между двумя ближайшими параллельными плоскими сетками называется межплоскостным расстоянием.

Рис. 1.2 Плоская сетка

В пространственной решётке имеется бесчисленное множество различным образом ориентированных плоских сеток, поскольку через три любых узла решётки всегда можно провести плоскую сетку.

Непараллельные плоские сетки отличаются друг от друга не только положением в пространстве, но в общем случае и ретикулярной плотностью.

Для дальнейшего построения пространственной решётки возьмём относительно исходного узла А0 ближайший к нему узел С1, не лежащий в плоскости построенной нами плоской сетки Аn-А0-Вn (рис. 3). Проведя прямую А0С1 и продолжив её, найдём на ней серии узлов С2,С3, . . . ,Сn, образующих третий ряд А0Сn, непараллельный первым двум и имеющий промежуток с.

Через каждый узел этого ряда проведём плоские сетки, параллельные сетке Аn-A0-Bn. Все они в совокупности образуют серию плоских сеток. Вторую серию плоских сеток получим, если через все узлы ряда А0Аn провести плоские сетки, параллельные оси Вn-A0-Cn, определяемой пересекающимися рядами А0Вn и А0Сn. Наконец, можно построить третью серию плоских сеток, проведя через узлы ряда А0Вn плоские сетки, параллельные сетке Аn-A0-Cn, определяемой рядами А0Аn и А0Сn.

Три серии построенных плоских сеток, взаимно пересекаясь, образуют систему равных, параллельно ориентированных и смежных по целым граням параллелепипедов, т. е. пространственную решётку. На рис.1.3 один из параллелепипедов решётки выделен жирными линиями. Все узлы полученной решётки располагаются только в вершинах параллелепипедов. Если известно расположение узлов решётки у одного параллелепипеда, то можно построить всю решётку параллельным повторением данного, поступательно перемещая параллелепипед на величину его рёбер по их направлению.

Рис.1.3 Пространственная решётка

Параллелепипед, поступательным перемещением которого на величину и по направлению его рёбер можно построить всю пространственную решётку, называется параллелепипедом повторяемости.

Параллелепипеды повторяемости можно выделить у данной пространственной решётки самым различным образом (рис. 1.4).



Рис. 1.4. Различные параллелепипеды повторяемости пространственной решётки (на чертеже показаны только основания параллелепипедов)

В одних случаях параллелепипеды повторяемости могут не иметь никаких других узлов, кроме узлов в вершинах (например, параллелепипеды abcd и hikl).В других же случаях параллелепипеды повторяемости, помимо узлов в вершинах, могут заключать узлы ещё и внутри себя или на своих гранях (например, параллелепипеды mnpq и stuv). Вершины подобных параллелепипедов не образуют всех узлов данной пространственной решётки. Параллелепипеды повторяемости, имеющие узлы только в своих вершинах, называются примитивными. Вершины примитивных параллелепипедов образуют все узлы данной пространственной решётки.

Если узлы решётки располагаются только в вершинах параллелепипедов повторяемости, то каждый узел принадлежит одновременно восьми попарно смежным параллелепипедам (рис. 1.3). Следовательно, на долю одного параллелепипеда приходится 1/8 узла, находящегося в его вершине. Поэтому на один примитивный параллелепипед приходится всего 1/8 8 = 1 узел пространственной решётки.

Одна и та же пространственная решётка может быть разбита на примитивные параллелепипеды различными способами, но каким бы способом мы ни разбивали нашу решётку на параллелепипеды, её общий объём и количество узлов остаются неизменными. А так как каждому узлу отвечает всегда один примитивный параллелепипед, то любые примитивные параллелепипеды данной пространственной решётки имеют одинаковый объём. У всех других параллелепипедов повторяемости, не являющихся примитивными, объём будет больше, так как количество узлов, приходящихся на непримитивный параллелепипед, всегда превышает 1.

Построенная нами пространственная решётка представляет собой бесконечную фигуру, поскольку каждый из рядов решётки может быть продолжен неопределённо далеко.

Реальные кристаллы являются телами конечных размеров, поэтому, как уже отмечалось выше, их можно рассматривать как части пространственных решёток, ограниченные плоскостями - гранями. С точки зрения учения о пространственной решётке грани кристалла представляют собой плоские сетки, а рёбра - ряды его решётки.

Необходимо при этом иметь в виду, что реальные кристаллические вещества часто образуют сложные решётки, состоящие из двух или нескольких геометрически равных простых пространственных решёток, определённым образом вставленных друг в друга. Такие сложные решётки получили название кристаллических решёток. Узлами кристаллических решёток являются всегда только атомы или ионы химических элементов.

На рис. 1.5 приведены кристаллические решётки некоторых элементов.

Рис. 1.5.Кристаллические решетки меди(а), хлористого цезия (б), хлористого натрия(в) и кальцита(г)

Кристаллическая решётка хлористого цезия (рис. 1.5 б) состоит из двух простых решёток, одна из которых имеет узлы, соответствующие ионам цезия, а другая - совпадающие с ионами хлора. Обе решётки совершенно тождественны и сдвинуты друг относительно друга на величину расстояния между ионами Cs+ и Cl- так, что вершины параллелепипедов одной решётки находятся в центрах параллелепипедов другой решётки.

Кристаллическую решётку хлористого цезия можно всегда заменить простой пространственной решёткой, примитивным параллелепипедом которой будет являться ромбоэдр.

Решётка кристаллов хлористого натрия (каменной соли) состоит из двух одинаковых решёток, подобных кристаллической решётке меди (рис. 1.5 а). При этом решётка, отвечающая ионам натрия, так вставлена в решётку, соответствующую ионам хлора, что узлы натриевой решётки занимают середину ребра параллелепипедов повторяемости хлорной решётки и наоборот.

Кристаллическая решётка кальцита состоит из двух одинаковых решёток, одна из которых отвечает катионам кальция, а другая - анионам СО32-. Параллелепипед повторяемости этих решёток имеет форму ромбоэдра с узлами в вершинах и в центре параллелепипеда (рис. 1.5 г).

Всякий атом или ион представляет собой весьма сложную систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронных оболочек. Поэтому между атомами и ионами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания.

В грубой схеме два соседних атома (или иона) будут притягиваться друг к другу до тех пор, пока силы притяжения не будут уравновешены силами отталкивания. А так как атомы (ионы) различных химических элементов имеют различное строение, то неодинаковы и силы их взаимодействия. Следовательно, и расстояния между атомами (ионами) различных химических элементов в кристаллической решётке должны быть разными.

Вот почему вещества различного химического состава имеют различные кристаллические решётки. Это - основной закон о кристаллических решётках, на котором базируется вся кристаллохимия.

минерал кристалл горный порода

1.5 Закон Бравэ

Кристаллические тела в большинстве случаев образуются из плоскостей путём образования кристаллов из пересыщенных растворов или при кристаллизации расплавов.

Однако, известны случаи образования кристаллов непосредственно из газо- или парообразного вещества. Например, иней возникает из паров воды, из газообразных выделений вулканов осаждаются кристаллы серы, хлористого натрия и др.

Наконец, возможны и такие случаи, когда кристаллические образования возникают из твёрдых веществ. В качестве примера можно привести выделение кристаллов стекла (помутнение). В технике используют способность металлов к перекристаллизации, получая крупно- или монокристаллические образования.

Итак, при образовании кристаллов вначале возникают мельчайшие кристаллики, а затем они вырастают в более крупные кристаллы.

Установленно, что грани растущих кристаллов передвигаются параллельно самим себе от центра кристаллизации.

Вследствие этого углы между двумя любыми гранями остаются постоянными. При этом разные грани перемещаются с разной скоростью. Скоростью роста данной грани называется расстояние по нормали к ней, на которое она передвигается в единицу времени при росте кристалла (рис.1.6).

Различие в скоростях роста различных граней кристалла обуславливает его внешний облик: некоторые грани в процессе роста кристалла увеличиваются и становятся доминирующими, а другие грани постепенно уменьшаются в размерах и в конце концов могут совсем исчезнуть с поверхности кристалла. Из рис. 1.7 видно, что зарастают и исчезают те грани, которые имеют наибольшую скорость роста (грань ВС).

В результате кристалл, как правило, покрывается гранями с малыми скоростями роста (при условии, что двухгранный угол между смежными гранями превышает 900).

Рис. 1.6. Передвижение граней при росте кристалла:

pq - скорость нарастания грани АВ, mn- скорость нарастания грани ВС

Чем отличаются грани с разными скоростями роста? Разные плоские сетки имеют неодинаковое строение, и различаются ретикулярной плотностью. Чем больше ретикулярная плотность, тем большее количество частиц примет строго упорядоченное расположение. Следовательно грани с малыми плотностями растут быстрее, т. е. кристаллы покрываются преимущественно гранями с большими ретикулярными плотностями.

Впервые это предположение высказал французский кристаллограф Бравэ. В настоящее время эта гипотеза подтверждается с помощью рентгеноструктурного анализа. Поэтому предположение Бравэ можно отнести к числу статистических законов.

Рис. 1.7 Зарастание грани ВС, имеющей наибольшую скорость роста

Закон Бравэ формулируется следующим образом: “Чем больше ретикулярная плотность плоской сетки, тем чаще она встречается в качестве реальной грани на кристаллах”.

Закон Бравэ часто нарушается, потому что на относительные скорости роста граней кроме ретикулярной плотности влияют другие физико-химические факторы. К ним относят концентрационные потоки, степень пересыщения раствора, давление и т. п.

Действие этих факторов приводит к появлению граней с малыми плотностями при одновременном уменьшении граней больших плотностей. Вследствие этого кристаллы одного и того же вещества могут иметь различное число граней, а так же отличаться величиной и формой одинаково расположенных граней. Но внутреннее строение всех этих кристаллов остаётся неизменным. Поэтому рёбра разных кристаллов данного вещества должны отвечать одинаковым плоским сеткам и рядам его кристаллической решётки. Углы между соответственными гранями и рёбрами у всех кристаллов сохраняются постоянными (закон постоянства углов кристаллов). Поэтому можно установить состав исследуемого кристалла, измеряя углы между его гранями и рёбрами.

На рис. 1.8 изображено несколько кристаллов горного хрусталя, иллюстрирующих закон постоянства углов.

Рис. 1.8 Кристаллы горного хрусталя

2. СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ

2.1 Элементы симметрии

Симметрия - широко распространенное в природе явление. Особенно многообразно симметрия проявляется в мире животных и растений. Кристаллы - наиболее яркие представители симметричных тел неживой природы.

Всякая симметричная фигура состоит из закономерно повторяющихся равных частей (рис. 2.1).

Вспомогательные геометрические образы, с помощью которых обнаруживается закономерная повторяемость равных частей фигуры, называются элементами симметрии.

Рис. 9. Пример симметричной фигуры

Операция совмещения частей симметричной фигуры и фигуры в целом называется симметрическим преобразованием.

Каждому элементу отвечает своё симметрическое преобразование, посредством которого фигура совмещается сама с собой.

В кристаллических многогранниках возможны элементы симметрии: плоскости симметрии, центр инверсии, оси симметрии и инверсионные оси.

2.2 Плоскости симметрии

Плоскостью симметрии называется плоскость, которая делит фигуру на две равные части, расположенные друг относительно друга как предмет и его зеркальное отражение.

Плоскость симметрии обозначается буквой Р.

Симметрическое преобразование, отвечающее плоскости симметрии, есть отражение в плоскости.

Рис. 2.2 Фигура несимметричная

Для отражения некоторой фигуры АВD в плоскости Р (рис.2.3) из каждой её точки опускают перпендикуляры на плоскость отражения и продолжают их по другую сторону плоскости на расстояния, равные расстояниям отражаемых точек до плоскости Р. В результате получаем новую фигуру А1В1D1.

Рис. 2.3 Отражение точек фигуры в плоскости Р

При нахождении плоскостей симметрии мысленно рассекают их плоскостью на две половины так, чтобы при отражении в этой плоскости половинки совместились друг с другом.

Рис.2.4 Прямоугольник АВDЕ имеет две плоскости (Р и Р1) симметрии

Не каждая плоскость, делящая фигуру пополам, является плоскостью симметрии. Например, в прямоугольнике только две плоскости параллельные его сторонам являются плоскостями симметрии (рис. 2.4). Плоскости идущие вдоль диагоналей прямоугольника плоскостями симметрии не являются, т. к. образующиеся треугольники зеркально не равны.

Кристаллические многогранники могут иметь одну или несколько плоскостей симметрии. Число плоскостей симметрии указывается коэффициентом, стоящим перед буквой Р. Например, куб имеет 9Р, т. е. девять плоскостей симметрии (рис. 2.5).

Следует помнить, что плоскости симметрии или перпендикулярны к рёбрам и граням многогранника и проходят через их середины, или проходят вдоль рёбер.

2.3 Центр инверсии

Центром инверсии называется такая точка внутри фигуры, при отражении в которой всех точек последняя совмещается сама с собой.

Чтобы произвести отражение какой-либо точки фигуры в центре инверсии (рис. 2.6), нужно соединить эту точку и точку С прямой линией.

Как видно из рис. 2.6 плоскости треугольников параллельны, но стороны имеют противоположные направления.

Рис. 2.5. Куб имеет девять плоскостей симметрии (9Р): три главных плоскости (а) и шесть диагональных (б)

Центр инверсии называют центром обратного равенства, потому что каждая грань при наличие центра инверсии должна иметь равную себе и обратно параллельную грань (рис. 2.7).

Рис. 2.6 Треугольник АВD и А1В1D1, связанные центром инверсии, равны друг другу и обратно параллельны

Рис. 2.7 Многогранник с центром инверсии С: грани попарно равны и обратно параллельны

Рис. 2.8 Многогранник не имеет центра инверсии, т.к. для грани q нет парной параллельной грани

2.4 Оси симметрии

Осью симметрии называется прямая линия, при повороте вокруг которой на некоторый определённый угол фигура совмещается сама с собой.

Наименьший угол поворота, приводящий фигуру к самосовмещению, называется элементарным углом поворота оси. Элементарный угол поворота оси содержится целое число раз в 360:

360/ = n

где n - целое число.

Число n, показывающее сколько раз элементарный угол поворота оси содержится в 3600, называется порядком оси.

В геометрических фигурах могут присутствовать оси любых порядков, начиная от оси первого порядка и кончая осью бесконечного порядка.

Элементарный угол поворота оси первого порядка (n = 1) равен 3600. Так как каждая фигура, будучи повернута вокруг любого направления на 3600, совмещается сама с собой, то всякая фигура обладает бесконечным количеством осей первого порядка. Такие оси не являются характерными, поэтому они обычно не упоминаются.

Ось бесконечного порядка отвечает бесконечно малому элементарному углу поворота. Эта ось присутствует во всех фигурах вращения в качестве оси вращения.

Примерами осей третьего, четвертого, пятого, шестого и т. д. порядков являются перпендикуляры к плоскости рисунка, проходящие через центры правильных многоугольников, треугольников, квадратов, пятиугольников и т.п.

Таким образом, в геометрии существует бесконечный ряд осей различных порядков.

В кристаллических же многогранниках возможны не любые оси симметрии, а только оси первого, второго, третьего, четвертого и шестого порядка.

Оси симметрии пятого и выше шестого порядка в кристаллах невозможны. Это положение является одним из основных законов кристаллографии и называется законом симметрии кристаллов.

Как и др. геометрические законы кристаллографии, закон симметрии кристаллов объясняется решетчатым строением кристаллического вещества. Действительно, раз симметрия кристалла есть проявление симметрии его внутреннего строения, то в кристаллах возможны только такие элементы симметрии, которые не противоречат свойствам пространственной решетки.

Докажем, что ось пятого порядка не удовлетворяет законам пространственной решетки и тем самым докажем ее невозможность в кристаллических многогранниках.

Предположим, что ось пятого порядка в пространственной решетке возможна. Пусть эта ось будет перпендикулярна плоскости чертежа, пересекая ее в точке О (рис.2.9). В частном случае точка О может совпадать с одним из узлов решетки.

Рис. 2.9 Ось симметрии пятого порядка невозможна в пространственных решетках

Возьмем ближайший от оси узел решетки А1, лежащий в плоскости чертежа. Так как вокруг оси пятого порядка все повторяется пять раз, то ближайших к ней узлов в плоскости чертежа должно быть всего пять А1,А2,А3,А4,А5. Располагаясь на одинаковых расстояниях от точки О в вершинах правильного пятиугольника, они совмещаются друг с другом при повороте вокруг О на 360/5=72°.

Эти пять узлов, лежащие в одной плоскости, образуют плоскую сетку пространственной решетки и поэтому к ним приложимы все основные свойства решетки. Если узлы А1 и А2 принадлежат ряду плоской сетки с промежутком А1А2, то через любой узел решетки можно провести ряд, параллельный ряду А1А2. Проведем такой ряд через узел А3. Этот ряд, проходящий и через узел А5, должен иметь промежуток, равный А1А2, т. к. в пространственной решетке все параллельные ряды обладают одинаковой плотностью.

Следовательно, на расстоянии А3Аx = А1А2 от узла А3 должен находиться еще один узел Аx. Однако дополнительный узел Аx оказывается лежащим ближе к точке О, чем узел А1, взятый по условию ближайшим к оси пятого порядка.

Таким образом, сделанное нами допущение о возможности оси пятого порядка в пространственных решетках привело нас к явному абсурду и поэтому является ошибочным.

Поскольку существование оси пятого порядка несовместимо с основными свойствами пространственной решетки, то такая ось невозможна и в кристаллах.

Аналогичным образом доказывается невозможность существования в кристаллах осей симметрии выше шестого порядка и, наоборот, возможность в кристаллах осей второго, третьего, четвертого и шестого порядка, присутствие которых не противоречит свойствам пространственных решеток.

Для обозначения осей симметрии употребляется буква L, а порядок оси указывается маленькой цифрой, располагаемой справа от буквы (например, L4 - ось четвертого порядка).

В кристаллических многогранниках оси симметрии могут проходить через центры противоположных граней перпендикулярно к ним, через середины противоположных ребер перпендикулярно к ним (только L2) и через вершины многогранника. В последнем случае симметричные грани и ребра одинаково наклонены к данной оси.

Кристалл может иметь несколько осей симметрии одного порядка, количества которых указывается коэффициентом перед буквой. Например, в прямоугольном параллелепипеде присутствует 3L2, т. е. три оси симметрии второго порядка; в кубе имеются 3L4, 4L3 и 6L2, т. е. три оси симметрии четвертого порядка, четыре оси третьего порядка и шесть осей второго порядка и т. д.

2.5 Инверсионные оси симметрии

Инверсионные оси симметрии, обозначаемые буквой Li, являются сложными элементами симметрии. Они представляют собой как бы совокупность совместно действующих оси симметрии и центра инверсии.

Инверсионной осью симметрии называется прямая линия, при повороте вокруг которой на некоторый определенный угол с последующим отражением в центральной точке фигуры, как в центре инверсии, фигура совмещается сама с собой.

Симметричное преобразование, отвечающее инверсионной оси, состоит из поворота вокруг прямой линии и последующей инверсии в точке, лежащей на этой линии.

Рассмотрим пример инверсионной оси в правильной треугольной призме на рис. 2.10. В этой фигуре прямая gg является осью симметрии третьего порядка L3 и одновременно инверсионной осью шестого порядка. Действительно после поворота вокруг этой оси на 60° всех частей многогранника и последующего их отражения в центральной точке фигура самосовмещается.

Например, ребро АВ в результате поворота вокруг gg на 60° займет положение А1В1, а после отражения в центральной точке фигуры совместится с ребром А1В1. При полном повороте на 360° будет всего шесть таких совмещений. Следовательно, прямая gg представляет собой инверсионную ось шестого порядка Li6.

В кристаллических многогранниках возможны инверсионные оси первого, второго, третьего, четвертого и шестого порядка, т.е. Li1, Li2, Li3, Li4, Li6.



Рис. 2.10. Многогранник с инверсионной осью шестого порядка

На практике приходится иметь дело в основном с двумя последними инверсионными осями Li4 и Li6. Остальные инверсионные оси могут быть заменены другими, уже знакомыми нам элементами симметрии.

Так, например, инверсионная ось первого порядка (Li1) равнозначна центру инверсии (C). Действительно поворот на 360° оставляет фигуру на месте, поэтому самосовмещение фигуры произойдет только в результате отражения в центральной точке. Следовательно, Li1=С.

Инверсионная ось второго порядка по своему действию равнозначна перпендикулярной к ней плоскости симметрии, т. е. Li2=Р.

Инверсионная ось третьего порядка Li3 равносильна одновременно действующим оси симметрии третьего порядка L3, совпадающей с Li3 и центру инверсии С, т. е. , Li3=L3С. Так, например, в кубе, где присутствует совместно С и L3, каждая из четырех осей симметрии третьего порядка является в то же время тройной инверсионной осью. Наличие Li3, всегда совпадающей с простой осью симметрии третьего порядка, обычно не указывается.

Инверсионная ось четвертого порядка Li4 является самостоятельным элементом симметрии и не может быть ничем заменена. В многогранниках, обладающих Li4, центр инверсии отсутствует. Четвертая инверсионная ось всегда является одновременно осью симметрии второго порядка (Li4=L2), однако не любая двойная ось при отсутствии С отвечает Li4.

Инверсионная ось шестого порядка Li6 может быть заменена осью симметрии третьего порядка, совпадающей с Li6 и перпендикулярной к ней плоскостью симметрии:

Li6=L3P(P L3)

Кристаллические многогранники, обладающие Li6, самостоятельного центра инверсии не имеют.

Хотя Li6 можно заменить другими элементами симметрии, ею приходится пользоваться при классификации кристаллов, поэтому она упоминается наряду с Li4.

2.6 Сложение элементов симметрии

Сочетание нескольких элементов симметрии не является произвольным, а подчиняется строгой геометрической закономерности, которая заключается в том, что при наличии двух элементов симметрии фигура обладает и третьим элементом симметрии, равнодействующим первым двум.

Равнодействующим называют элемент симметрии, действие которого приводит фигуру в то же положение, что и последовательное действие двух других элементов симметрии. Например, в правильной четырёхугольной призме (рис. 2.11) плоскость симметрии Р2 является равнодействующей другой плоскости симметрии Р1 и оси симметрии L4.

С другой стороны, L4 - является равнодействующей плоскостей симметрии Р1 и Р2.

Так как два элемента симметрии всегда дают третий, им равнодействующий, то в кристаллических многогранниках возможны либо только один элемент, либо больше двух.

Нахождение по двум элементам симметрии им равнодействующего называется сложением элементов симметрии.

Познакомимся с основными теоремами сложения элементов симметрии.

Теорема 1. Линия пересечения двух плоскостей симметрии является осью симметрии, равнодействующей этим плоскостям.

Теорема 2. Если через ось симметрии проходит плоскость симметрии, то через ту же ось должна проходить вторая плоскость симметрии под углом 900 к первой.

Рис. 2.11. Ось симметрии равнодействующая плоскостей симметрии Р1 и Р2

Следствие. Если через ось симметрии n-го порядка проходит плоскость симметрии, то всего через эту ось должно проходить n плоскостей симметрии.

Пусть число плоскостей симметрии равно m, т.к. каждая плоскость, проходящая через Ln повторяется через 1800, число плоскостей симметрии должно быть равно

m=180/(/ 2)=360 /=n

где n - порядок данной оси симметрии.

Теорема 3. При наличие оси симметрии чётного порядка (L2n) и центра инверсии (С), перпендикулярно к оси через центр инверсии проходит плоскость симметрии (Р), равнодействующая данной оси и центра инверсии.

Теорема 4. При наличии плоскости симметрии и центра инверсии на ней фигура всегда обладает осью симметрии чётного порядка, проходящей через центр инверсии перпендикулярно к плоскости симметрии.

Теорема 5. При наличии оси симметрии чётного порядка и перпендикулярной к ней плоскости симметрии всегда присутствует центр инверсии, равнодействующей оси и плоскости симметрии.

Все три последние теоремы являются взаимообратными.

Следствие. При наличии центра инверсии число плоскостей симметрии равно сумме всех чётных осей симметрии, причём каждая плоскость симметрии перпендикулярна соответствующей оси симметрии.

Например, в кубе имеется С, 3L4, 4L3 и 6L2. Так как сумма чётных осей симметрии равна 9, то всего куб должен иметь 9Р.

Теорема 6 (Теорема Эйлера). Равнодействующей двух пересекающихся осей симметрии является третья ось симметрии, проходящая через точку пересечения первых двух.

Следствие. При наличии оси симметрии n - го порядка (Ln) и перпендикулярной к ней оси симметрии второго порядка (L2) имеется всего n осей второго порядка (nL2), перпендикулярных к Ln и пересекающихся друг с другом под углом / 2.

2.7 Классификация видов симметрии

Видом симметрии кристаллического многогранника называется полная совокупность его элементов симметрии.

Математически доказано, что для конечных кристаллических многогранников возможны всего 32 вида симметрии.

Все они подразделяются на три группы, или категории: низшую, среднюю и высшую.

Для видов симметрии низшей категории характерным является отсутствие осей выше второго порядка. В неё входят 8 видов симметрии.

Виды симметрии средней категории характеризуются присутствием только одной оси выше второго порядка. Её называют главной осью симметрии. Средняя категория объединяет 19 видов симметрии.

К высшей категории принадлежат остальные пять видов симметрии, каждый из которых имеет несколько осей симметрии выше второго порядка.

Виды симметрии, принадлежащие каждой категории делят на так называемые сингонии.

Сингонией называется совокупность видов симметрии одной категории, обладающих одинаковым числом осей одного и того же порядка.

2.7.1 Сингонии низшей категории

В триклинную сингонию входят два вида симметрии, для которых характерно отсутствие осей выше первого порядка.

В моноклинную сингонию входят виды симметрии, имеющие не более одной оси второго порядка.

В ромбическую сингонию входят три вида симметрии, каждый из которых характеризуется присутствием трёх осей второго порядка.

2.7.2 Сингонии средней категории.

В тригональную сингонию входят пять видов симметрии главной осью которых является ось симметрии третьего порядка.

В тетрагональную сингонию входят семь видов симметрии, главной осью которых является ось симметрии четвёртого порядка.

В гексагональную сингонию входят семь видов симметрии, главной осью которых является ось симметрии шестого порядка.

2.7.3 Сингонии высшей категории

В кубическую сингонию входят пять видов симметрии, которые характеризуются обязательным присутствием четырёх осей симметрии третьего порядка.

Проведенную классификацию видов симметрии для большей наглядности можно представить в виде следующей таблицы, весьма удобной для практического пользования.

Принадлежность кристаллического многогранника к тому или иному виду симметрии устанавливается путем нахождения всех его элементов симметрии. При определении полной совокупности элементов симметрии многогранника полезно учитывать следующие положения:

а) L6 и Li6 могут присутствовать в кристаллах в единственном числе;

б) L4 и Li4 могут встретиться или в единственном числе или в количестве трёх;

в) L3 могут встретиться или в единственном числе или в количестве четырёх;

г) L2 могут встретиться или в единственном числе или в количестве 2 х, 3-х, 4-х, или 6;

Таблица 1 - Классификация видов симметрии кристаллов

Категория	Сингония	Виды симметрии
Низшая	Триклинная (агирная)	L1 = -; Li1 = C
	Моноклинная (моногирная)	L2; Li2 = P; L2PC
	Ромбическая (тригирная)	3L2; L22Li2 = L22P; 3L23PC
Средняя	Тригональная (ромбоэдрическая)	L3; L3C(Li3); L33Р; L33L2; L33L23PC
	Тетрагональная (квадратная)	L4;L4PC;L44Р;L44L2;L44L25PC; Li4;Li42L22P
	Гексагональная	L6;L6PC;L66P;L66L2; L66L27PC;Li6;Li63L23P
Высшая	Кубическая (полигирная)	4L33L2;4L33L23PC;4L33L26P; 3L44L36L2;3L44L36L29PC

д) Р могут встретиться или в единственном числе или в количестве 2-х, 3-х, 4-х, 5, 6, 7, 9.

На практике приходится предварительно определять сингонию многогранника без нахождения всех его элементов симметрии. В таком случае необходимо пользоваться приведенными выше характеристиками сингоний.

3. СТЕРЕОГРАФИЧЕСКИЕ ПРОЕКЦИИ

Одной из характерных особенностей кристалла является постоянство углов между его гранями, а количество и размеры их могут меняться. Поэтому для изображения кристаллов применяют такие методы проектирования, которые дают точное представление о величине и расположении гранных углов. В этом отношении удобны стереографические проекции.

Примем некоторую точку О за центр проекции (рис.3.1). Произвольным радиусом опишем вокруг него шаровую поверхность, называемую шаром проекций. Через ту же точку проведём горизонтальную плоскость Q, которая принимается за плоскость проекций.

Рис. 3.1 Построение стереографической проекции направления ОА

При пересечении шаровой поверхности с плоскостью проекций получаем большой круг, соответствующий экватору шара проекций и называемый кругом проекций.

Вертикальный диаметр шара проекций NS , перпендикулярный к плоскости проекций, называется осью проекций. Точки пересечения сферической поверхности осью проекций NS являются точками зрения или полюсами шара проекций.

Рассмотрим получение стереографической проекции некоторого направления. Для этого перенесем его параллельно самому себе так, чтобы оно прошло через центр проекции.

Пусть после такого переноса направление заняло направление ОА. Точку пересечения направления ОА с шаровой поверхностью обозначим а1. Соединим эту точку с нижней точкой зрения S лучом зрения Sa1. Точка а, т. е. точка пересечения луча зрения с плоскостью проекции Q, является стереографической проекцией направления ОА.

Стереографические проекции направлений изображаются точками, лежащими в пределах круга проекций.

Рис. 3.2 Построение стереографической проекции плоскости R

Найдём теперь стереографическую проекцию некоторой плоскости R (рис. 3.2). Перенеся эту плоскость параллельно самой себе в центр проекций, продолжим её до пересечения с верхней полусферой шара проекций.

В результате пересечения получаем на шаре дугу большого круга f a1 b1 c1 d1 e.

Все точки этой дуги соединим лучами зрения с нижней точкой зрения. Проведённые лучи зрения в совокупности образуют так называемый проектирующий конус с вершиной в точке S.

Линия пересечения проектирующего конуса с плоскостью проекций представляет собой дугу окружности. Эта дуга является стереографической проекцией плоскости R.

Стереографические проекции плоскостей в общем виде изображают круговыми дугами.

Проектируя оси симметрии, необходимо продолжить их до пересечения со сферой, описанной произвольным радиусом вокруг кристалла из его центральной точки.

Рис.3.3. Обозначение осей симметрии на проекции

Пересечения осей с шаром проекций соединяются с нижней точкой зрения лучами.

Горизонтальные оси, совпадающие с плоскостью проекций, дают два выхода на круге проекций. Косо расположенные оси проектируются внутри круга проекций.

На стереографических проекциях оси симметрии обозначают значками, как показано на рис. 3.3. При проектировании плоскостей симметрии их продолжают до пересечения со сферой, на верхней половине которой получают дуги больших кругов.