Բյուրեղներին և գոհարներին նայելիս մարդ ուզում է հասկանալ, թե ինչպես կարող էր հայտնվել այս առեղծվածային գեղեցկությունը, ինչպես են ստեղծվում բնության նման զարմանալի գործերը։ Նրանց հատկությունների մասին ավելին իմանալու ցանկություն կա։ Ի վերջո, բյուրեղների հատուկ, բնության մեջ ոչ մի տեղ չկրկնվող կառուցվածքը թույլ է տալիս դրանք օգտագործել ամենուր՝ զարդերից մինչև նորագույն գիտական և տեխնիկական գյուտեր:
Բյուրեղային միներալների ուսումնասիրություն
Բյուրեղների կառուցվածքն ու հատկությունները այնքան բազմակողմանի են, որ առանձին գիտություն՝ հանքաբանությունը, զբաղվում է այդ երևույթների ուսումնասիրությամբ և ուսումնասիրությամբ։ Հայտնի ռուս ակադեմիկոս Ալեքսանդր Եվգենիևիչ Ֆերսմանը այնքան էր կլանված և զարմացած բյուրեղների աշխարհի բազմազանությամբ և անսահմանությամբ, որ փորձեց այս թեմայով գրավել որքան հնարավոր է շատ մտքեր։ Իր «Զվարճալի հանքաբանություն» գրքում նա խանդավառությամբ և ջերմությամբ հորդորեց ծանոթանալ հանքանյութերի գաղտնիքներին և սուզվել գոհարների աշխարհ՝
Ես իսկապես ուզում եմ քեզգերել. Ես ուզում եմ, որ դուք սկսեք հետաքրքրվել լեռներով և քարհանքերով, հանքերով և հանքերով, որպեսզի սկսեք հավաքել օգտակար հանածոների հավաքածուներ, որպեսզի դուք ցանկանաք գնալ մեզ հետ քաղաքից ավելի հեռու, գետի հունը, որտեղ կա բարձր քարքարոտ ափեր են, մինչև լեռների գագաթները կամ դեպի ժայռոտ ծովափ, որտեղ քար է կոտրվում, ավազ է արդյունահանվում կամ հանքաքար է պայթում։ Այնտեղ, ամենուր, որտեղ ես և դու ինչ-որ բան կգտնենք անելու. և մեռած ժայռերի, ավազների և քարերի մեջ մենք կսովորենք կարդալ բնության մի քանի հիանալի օրենքներ, որոնք ղեկավարում են ամբողջ աշխարհը և ըստ որոնց կառուցված է ամբողջ աշխարհը:
Ֆիզիկան ուսումնասիրում է բյուրեղները՝ պնդելով, որ ցանկացած իսկապես պինդ մարմին բյուրեղ է: Քիմիան ուսումնասիրում է բյուրեղների մոլեկուլային կառուցվածքը՝ գալով այն եզրակացության, որ ցանկացած մետաղ ունի բյուրեղային կառուցվածք։
Բյուրեղների զարմանալի հատկությունների ուսումնասիրությունը մեծ նշանակություն ունի ժամանակակից գիտության, տեխնիկայի, շինարարական արդյունաբերության և բազմաթիվ այլ ոլորտների զարգացման համար։
Բյուրեղների հիմնական օրենքները
Առաջին բանը, որ մարդիկ նկատում են բյուրեղին նայելիս, նրա իդեալական բազմակողմ ձևն է, բայց դա հանքանյութի կամ մետաղի հիմնական հատկանիշը չէ:
Երբ բյուրեղը կոտրվում է փոքր բեկորների, ոչինչ չի մնա իդեալական ձևից, բայց ցանկացած բեկոր, ինչպես նախկինում, կմնա բյուրեղ: Բյուրեղի տարբերակիչ հատկանիշը ոչ թե արտաքին տեսքն է, այլ նրա ներքին կառուցվածքի բնորոշ գծերը:
Սիմետրիկ
Առաջին բանը, որ պետք է հիշել և ուշադրություն դարձնել բյուրեղներն ուսումնասիրելիս, երևույթն էհամաչափություն. Այն տարածված է առօրյա կյանքում։ Թիթեռի թևերը սիմետրիկ են, բիծի դրոշմը կիսով չափ ծալված թղթի վրա: Սիմետրիկ ձյան բյուրեղներ. Վեցանկյուն ձյան փաթիլն ունի համաչափության վեց հարթություն: Նկարը թեքելով ձյան փաթիլի համաչափության հարթությունը պատկերող ցանկացած գծի երկայնքով՝ կարող եք համատեղել դրա երկու կեսերը։
Սիմետրիայի առանցքն ունի այնպիսի հատկություն, որ պատկերը պտտելով նրա շուրջ ինչ-որ հայտնի անկյան տակ՝ հնարավոր է միավորել պատկերի համապատասխան մասերը միմյանց հետ։ Կախված հարմար անկյան չափից, որով պետք է պտտել գործիչը, բյուրեղներում որոշվում են 2-րդ, 3-րդ, 4-րդ և 6-րդ կարգի առանցքները: Այսպիսով, ձյան փաթիլներում կա վեցերորդ կարգի համաչափության մեկ առանցք, որն ուղղահայաց է գծագրության հարթությանը:
Սիմետրիայի կենտրոնը նկարի հարթության այնպիսի կետ է, որից նույն հեռավորության վրա հակառակ ուղղությամբ գտնվում են նկարի նույն կառուցվածքային տարրերը։
Ինչ կա ներսում?
Բյուրեղների ներքին կառուցվածքը մոլեկուլների և ատոմների մի տեսակ համակցություն է միայն բյուրեղներին հատուկ կարգով։ Ինչպե՞ս են նրանք իմանում մասնիկների ներքին կառուցվածքը, եթե դրանք տեսանելի չեն նույնիսկ մանրադիտակով:
Դրա համար օգտագործվում են ռենտգենյան ճառագայթներ: Օգտագործելով դրանք կիսաթափանցիկ բյուրեղների համար՝ գերմանացի ֆիզիկոս Մ.
Ամեն ինչ զարմանալի էր և անսպասելի։ ՍամոՊարզվեց, որ մոլեկուլի կառուցվածքի հայեցակարգը անկիրառելի է նյութի բյուրեղային վիճակի համար:
Օրինակ, այնպիսի հայտնի նյութը, ինչպիսին է կերակրի աղը, ունի NaCl մոլեկուլի քիմիական բաղադրությունը: Բայց բյուրեղում քլորի և նատրիումի առանձին ատոմները չեն գումարվում առանձին մոլեկուլների, այլ ձևավորում են որոշակի կոնֆիգուրացիա, որը կոչվում է տարածական կամ բյուրեղային ցանց: Քլորի և նատրիումի ամենափոքր մասնիկները էլեկտրականորեն կապված են: Աղի բյուրեղային ցանցը ձևավորվում է հետևյալ կերպ. Նատրիումի ատոմի արտաքին թաղանթի վալենտային էլեկտրոններից մեկը ներմուծվում է քլորի ատոմի արտաքին թաղանթ, որն ամբողջությամբ լցված չէ քլորի երրորդ թաղանթում ութերորդ էլեկտրոնի բացակայության պատճառով։ Այսպիսով, բյուրեղում նատրիումի և քլորի յուրաքանչյուր իոն չի պատկանում մեկ մոլեկուլին, այլ ամբողջ բյուրեղին: Շնորհիվ այն բանի, որ քլորի ատոմը միավալենտ է, այն կարող է կցել միայն մեկ էլեկտրոն իրեն։ Բայց բյուրեղների կառուցվածքային առանձնահատկությունները հանգեցնում են նրան, որ քլորի ատոմը շրջապատված է նատրիումի վեց ատոմներով, և անհնար է որոշել, թե դրանցից որն է կիսելու էլեկտրոնը քլորի հետ։
Պարզվում է, որ կերակրի աղի քիմիական մոլեկուլն ու դրա բյուրեղը բոլորովին էլ նույնը չեն։ Ամբողջ մեկ բյուրեղը նման է մեկ հսկա մոլեկուլի։
գրիլ - միայն մոդել
Սխալը պետք է խուսափել, երբ տարածական ցանցն ընդունվում է որպես բյուրեղային կառուցվածքի իրական մոդել: Ցանց - բյուրեղների կառուցվածքում տարրական մասնիկների միացման օրինակի պայմանական պատկեր: Ցանցի միացման կետերը գնդակների տեսքովտեսողականորեն թույլ են տալիս պատկերել ատոմները, և դրանք միացնող գծերը նրանց միջև կապող ուժերի մոտավոր պատկերն են:
Իրականում բյուրեղի ներսում ատոմների միջև բացերը շատ ավելի փոքր են: Դա իր բաղկացուցիչ մասնիկների խիտ փաթեթավորումն է: Գնդակը ատոմի պայմանական նշանակում է, որի օգտագործումը հնարավորություն է տալիս հաջողությամբ արտացոլել փակ փաթեթավորման հատկությունները: Իրականում գոյություն ունի ատոմների ոչ թե պարզ շփում, այլ դրանց փոխադարձ մասնակի համընկնումը միմյանց հետ։ Այլ կերպ ասած, բյուրեղային ցանցի կառուցվածքում գնդակի պատկերը պարզության համար նման շառավիղի պատկերված գունդն է, որը պարունակում է ատոմի էլեկտրոնների հիմնական մասը։
Ուժի գրավական
Հակառակ լիցքավորված երկու իոնների միջև կա ձգողականության էլեկտրական ուժ: Այն կապող է իոնային բյուրեղների կառուցվածքում, ինչպիսին է կերակրի աղը: Բայց եթե իոնները շատ մոտեցնեք, ապա նրանց էլեկտրոնային ուղեծրերը կհամընկնեն միմյանց, և կհայտնվեն նմանատիպ լիցքավորված մասնիկների վանող ուժեր։ Բյուրեղի ներսում իոնների բաշխումն այնպիսին է, որ վանող և գրավիչ ուժերը հավասարակշռված են՝ ապահովելով բյուրեղային ուժ։ Այս կառուցվածքը բնորոշ է իոնային բյուրեղների համար։
Իսկ ադամանդի և գրաֆիտի բյուրեղյա վանդակներում առկա է ատոմների միացում ընդհանուր (կոլեկտիվ) էլեկտրոնների օգնությամբ։ Սերտ հեռավորության վրա գտնվող ատոմներն ունեն ընդհանուր էլեկտրոններ, որոնք պտտվում են ինչպես մեկ, այնպես էլ հարևան ատոմների միջուկի շուրջ:
Նման կապերով ուժերի տեսության մանրամասն ուսումնասիրությունը բավականին բարդ է և գտնվում է քվանտային մեխանիկայի ոլորտում:
Մետաղական տարբերություններ
Մետաղական բյուրեղների կառուցվածքն ավելի բարդ է. Շնորհիվ այն բանի, որ մետաղի ատոմները հեշտությամբ նվիրաբերում են առկա արտաքին էլեկտրոնները, նրանք կարող են ազատորեն շարժվել բյուրեղի ողջ ծավալով՝ դրա ներսում ձևավորելով այսպես կոչված էլեկտրոնային գազ։ Նման «թափառող» էլեկտրոնների շնորհիվ ստեղծվում են ուժեր, որոնք ապահովում են մետաղի ձուլակտորի ամրությունը։ Իրական մետաղական բյուրեղների կառուցվածքի ուսումնասիրությունը ցույց է տալիս, որ, կախված մետաղական ձուլակտորը սառեցնելու եղանակից, այն կարող է պարունակել թերություններ՝ մակերեսային, կետային և գծային։ Նման արատների չափը չի գերազանցում մի քանի ատոմների տրամագիծը, սակայն դրանք աղավաղում են բյուրեղային ցանցը և ազդում մետաղների դիֆուզիոն գործընթացների վրա։
Բյուրեղյա աճ
Ավելի հարմար հասկանալու համար բյուրեղային նյութի աճը կարող է ներկայացվել որպես աղյուսի կառուցվածքի կառուցում: Եթե անավարտ որմնադրությանը մեկ աղյուսը ներկայացվում է որպես բյուրեղի անբաժանելի մաս, ապա հնարավոր է որոշել, թե բյուրեղը որտեղ է աճելու։ Բյուրեղի էներգետիկ հատկություններն այնպիսին են, որ առաջին աղյուսի վրա դրված աղյուսը գրավիչ կզգա մի կողմից՝ ներքևից: Երկրորդին պառկելիս՝ երկու կողմից, իսկ երրորդին՝ երեքից։ Բյուրեղացման գործընթացում - հեղուկից պինդ վիճակի անցում - էներգիա (միաձուլման ջերմություն) ազատվում է: Համակարգի առավելագույն հզորության համար դրա հնարավոր էներգիան պետք է ձգտի նվազագույնի: Հետեւաբար, բյուրեղների աճը տեղի է ունենում շերտ առ շերտ: Նախ կավարտվի ինքնաթիռի մի շարքը, այնուհետև ամբողջ ինքնաթիռը և միայն դրանից հետո կսկսվի կառուցել հաջորդը։
Գիտությունբյուրեղներ
Բյուրեղագիտության հիմնական օրենքը՝ բյուրեղների մասին գիտությունը, ասում է, որ բյուրեղային երեսների տարբեր հարթությունների միջև բոլոր անկյունները միշտ հաստատուն են և նույնը: Անկախ նրանից, թե որքան աղավաղված է աճող բյուրեղը, նրա երեսների միջև եղած անկյունները պահպանում են նույն արժեքը, որը բնորոշ է այս տեսակին: Անկախ չափից, ձևից և թվից, նույն բյուրեղային հարթության երեսները միշտ հատվում են նույն նախապես որոշված անկյան տակ։ Անկյունների կայունության օրենքը հայտնաբերել է Մ. Վ. Լոմոնոսովը 1669 թվականին և մեծ դեր խաղաց բյուրեղների կառուցվածքի ուսումնասիրության մեջ։
Անիզոտրոպիա
Բյուրեղների առաջացման գործընթացի առանձնահատկությունը պայմանավորված է անիզոտրոպության երևույթով՝ տարբեր ֆիզիկական բնութագրեր՝ կախված աճի ուղղությունից։ Մեկ բյուրեղները տարբեր ուղղություններով փոխանցում են էլեկտրականությունը, ջերմությունը և լույսը և ունեն անհավասար ուժ:
Այսպիսով, նույն քիմիական տարրը նույն ատոմներով կարող է ձևավորել տարբեր բյուրեղային ցանցեր: Օրինակ, ածխածինը կարող է բյուրեղանալ ադամանդի և գրաֆիտի մեջ: Միևնույն ժամանակ, ադամանդը հանքանյութերի մեջ առավելագույն ամրության օրինակ է, և գրաֆիտը հեշտությամբ հեռանում է իր թեփուկներից թղթի վրա մատիտով գրելիս:
Հանքանյութերի երեսների միջև անկյունների չափումը մեծ գործնական նշանակություն ունի դրանց բնույթը որոշելու համար:
Հիմնական հատկանիշներ
Սովորելով բյուրեղների կառուցվածքային առանձնահատկությունները՝ մենք կարող ենք համառոտ նկարագրել դրանց հիմնական հատկությունները.
- Անիզոտրոպիա - անհավասար հատկություններ տարբեր ուղղություններով:
- Միօրինակություն՝ տարրականբյուրեղների բաղադրամասերը, որոնք իրարից հեռու են, ունեն նույն հատկությունները։
- Ինքնահատվելու ունակություն. բյուրեղի ցանկացած բեկոր իր աճի համար հարմար միջավայրում կստանա բազմակողմ ձև և ծածկված կլինի այս տեսակի բյուրեղներին համապատասխանող դեմքերով: Այս հատկությունն է, որը թույլ է տալիս բյուրեղին պահպանել իր համաչափությունը:
- Հալման կետի անփոփոխությունը. Հանքանյութի տարածական ցանցի քայքայումը, այսինքն՝ բյուրեղային նյութի անցումը պինդ վիճակից հեղուկ վիճակի, միշտ տեղի է ունենում նույն ջերմաստիճանում։
Բյուրեղները պինդ մարմիններ են, որոնք ստացել են սիմետրիկ բազմանիստի բնական ձև: Բյուրեղների կառուցվածքը, որը բնութագրվում է տարածական ցանցի ձևավորմամբ, հիմք է ծառայել ֆիզիկայի մեջ պինդ մարմնի էլեկտրոնային կառուցվածքի տեսության մշակման համար։ Օգտակար հանածոների հատկությունների և կառուցվածքի ուսումնասիրությունը մեծ գործնական նշանակություն ունի։
