Кристалл — строение и свойства твёрдых тел¶

Кристалл — твёрдое тело, атомы, ионы или молекулы которого расположены в пространстве упорядоченно, образуя периодически повторяющуюся трёхмерную решётку. Такое дальнее упорядочение отличает кристаллы от аморфных тел, у которых порядок сохраняется лишь на расстоянии нескольких атомных слоёв. Правильное внешнее огранение, характерное для природных минералов, служит внешним проявлением внутренней решёточной структуры.

¶Кристаллическая решётка

Основой строения кристалла служит кристаллическая решётка — совокупность точек (узлов), закономерно повторяющихся в пространстве. Узел может быть занят атомом, ионом или молекулой. Геометрию решётки описывают через элементарную ячейку — минимальный фрагмент, трансляциями которого (параллельными переносами) можно воспроизвести весь объём кристалла.

Периодичность задаётся векторами трансляции; их длины измеряются в нанометрах (обычно от 0,2 до 2 нм). Решётка обладает симметрией — набором операций (повороты, отражения, переносы), совмещающих структуру саму с собой.

¶Симметрия и классификация

По симметрии кристаллы делят на семь сингоний: триклинную, моноклинную, ромбическую, тетрагональную, тригональную, гексагональную и кубическую. Более детальная классификация насчитывает 32 класса (точечные группы) и 230 пространственных групп симметрии — этот результат вывел в 1890-х годах Е. С. Фёдоров и независимо А. Шёнфлис.

По типу связи между частицами различают:

• ионные кристаллы (например, поваренная соль NaCl) — узлы заняты ионами, связь электростатическая;
• атомные (ковалентные) — например, алмаз, кварц; частицы соединены прочными направленными связями;
• металлические — узлы образуют положительные ионы, а валентные электроны обобществлены;
• молекулярные — узлы заняты молекулами, связанными слабыми силами Ван-дер-Ваальса (лёд, сухой лёд).

¶Свойства

Упорядоченность решётки определяет физические свойства кристаллов.

Анизотропия. Вдоль разных направлений свойства (прочность, теплопроводность, скорость света, электропроводность) различаются. Именно поэтому кристаллы, в отличие от изотропных аморфных тел, могут расщепляться по определённым плоскостям — спайности.

Температура плавления. У кристаллов она строго определённая: при нагреве решётка разрушается скачком при фиксированной температуре.

Симметрия внешней формы. Огранка кристалла подчинена его внутренней симметрии; углы между гранями постоянны для данного вещества (закон постоянства углов).

Электрические и оптические эффекты. У ряда кристаллов наблюдается пьезоэлектричество (кварц), пироэлектричество (турмалин), двойное лучепреломление (исландский шпат).

¶Полиморфизм и дефекты

Одно и то же вещество может кристаллизоваться в разных структурах — это явление полиморфизма. Классический пример — углерод: алмаз (кубическая решётка) и графит (слоистая гексагональная). Полиморфизм определяет различие свойств при одинаковом составе.

Реальные кристаллы не идеальны: в них присутствуют дефекты — точечные (вакансии, примесные атомы), линейные (дислокации), поверхностные. Дефекты во многом определяют прочность, пластичность и электрические характеристики материала.

¶Методы изучения

Строение решётки устанавливают рентгеноструктурным анализом, основанным на дифракции рентгеновских лучей (опыт М. Лауэ, 1912). Применяют также электронографию и нейтронографию. Эти методы позволяют измерить межатомные расстояния и определить пространственную группу.

¶Значение и применение

Кристаллы лежат в основе современной техники: полупроводниковые монокристаллы кремния и германия — база электроники; кварцевые резонаторы задают частоту в часах и генераторах; лазерные кристаллы (рубин, иттрий-алюминиевый гранат) используются в оптике. Природные кристаллы — минералы — служат объектом минералогии. Монокристаллы выращивают из расплава, раствора или газовой фазы методами Чохральского, зонной плавки и другими.