Кристаллография

Кристаллография – (от греч. krystallos и grapho - пишу) - наука o кристаллах и кристаллическом состоянии вещества. Кристаллография изучает симметрию, строение и свойства кристаллов, законы, управляющие ростом, внешней формой и внутренней структурой кристаллов. Одна из важнейших современных задач - расшифровка структур сложных органических соединений.

Объект исследования - природные и синтетические кристаллы, изучаемые различными методами химии и физики твёрдого тела, минералогии и др. Как самостоятельная наука кристаллография возникла c cepедины 18 в. и развивалась в тесной связи c минералогией.

Были выявлены закономерности огранки кристаллов (французский минералог P. Ж. Аюи, 1784), развита теория симметрии внешней формы кристаллов (русский учёный A. B. Гадолин, 1867) и их внутреннего пространственного строения (франц. физик O. Браве, 1848; pyc. кристаллограф E. C. Фёдоров, 1890; нем. математик A. Шёнфлис, 1891). Этот этап характеризовался преим. развитием геометрической кристаллографии.

C начала XX в. интенсивно развиваются физическая (кристаллофизика) и химическая ( кристаллохимия) кристаллография, что стимулировалось открытием дифракции рентгеновских лучей (немецкий физик M. Лауэ, 1912), возникновением метода рентгеноструктурного анализа и первыми расшифровками структур кристаллов, выполненными английскими физиками У. Г. Брэггом и У. Л. Брэггом в 1913.

Основные направления кристаллофизики - кристаллооптика, возникновение которой обязано открытию двойного лучепреломления кристаллов, и учение o др. физических свойствах кристаллов (механических, электрических, магнитных). Кристаллохимия изучает полиморфные превращения, изоморфные замещения, химические связи в кристаллах, условия их зарождения и рост.

Существенное значение для развития кристаллографии имели научные труды русских учёных Г. B. Вульфа, E. E. Флинта, Г. Г. Леммлейна, американского учёного Л. Полинга, немецкого физика B. Фохта и др.; русских учёных H. B. Белова, A. B. Шубникова, И. B. Обреимова, Г. Б. Бокия, Г. C. Жданова, A. И. Китайгородского, Б. K. Ванштейна, И. И. Шафрановского, Д. П. Григорьева.

Основы математического аппарата кристаллографии - теория групп симметрии кристаллов и тензорное исчисление.

Практически все минералы при обычных температурах представлены твердыми телами, имеющими кристаллическую структуру. Т.е., минералы представляют собой кристаллические вещества, свойства которых определяются геометрическим расположением составляющих их атомов и типом химической связи между ними.

Наименьшим подразделением кристалла является элементарная ячейка, построенная из регулярно расположенных атомов, удерживаемых вместе благодаря электронным связям. Эти мельчайшие ячейки, бесконечно повторяющиеся в трехмерном пространстве, образуют кристалл. Размеры элементарных ячеек в разных минералах различны и зависят от размеров, числа и взаимного расположения атомов в пределах ячейки. Параметры ячейки выражаются в ангстремах (Å) или нанометрах (1 Å = 10^–8 см =0,1 нм). Составленные вместе элементарные ячейки кристалла плотно, без зазоров заполняют объем и образуют кристаллическую решетку.

Кристаллы подразделяются по признаку симметрии элементарной ячейки, которая характеризуется соотношением между ее ребрами и углами. Обычно выделяют 7 сингоний (в порядке повышения симметрии): триклинную, моноклинную, ромбическую, тетрагональную, тригональную, гексагональную и кубическую (изометрическую). Иногда тригональную и гексагональную сингонии не разделяют и описывают вместе под названием гексагональной сингонии. Сингонии подразделяются на 32 кристаллических класса (вида симметрии), включающих 230 пространственных групп. Эти группы впервые были выделены в 1890 российским ученым Е.С. Федоровым. При помощи рентгеноструктурного анализа определяют размеры элементарной ячейки минерала, его сингонию, класс симметрии и пространственную группу, а также расшифровывают кристаллическую структуру, т.е. взаимное расположение в трехмерном пространстве атомов, составляющих элементарную ячейку.

Методы исследования структурной кристаллографии:

Рентгеноструктурный анализ, электронография, нейтронография, спектроскопические методы (инфракрасная спектроскопия, оптическая колориметрия, электронный и ядерный магнитный резонанс и др). Внедрение новейших технологий методов исследования позволило подойти к изучению структур реальных кристаллов c нарушениями идеальной кристаллической решётки (точечные дефекты, дислокации и др.), что определило качественно новый подход в исследовании минералов. Кристаллография реального кристаллического состояния - теоретическая основа для синтеза кристаллов c заранее заданными свойствами. Интенсивно развивается производство синтетических кристаллов (кварца, алмаза, корунда, изумруда, кремния и др.).

Литература.

Горная энциклопедия. БСЭ, 1984—1990. Курс лекций по кристаллографии, 2003.

Егоров-Тисменко. Кристаллография и кристаллохимия. Учебник, 2е издание. КДУ, 2010.