Кристаллы минералов

Теперь давайте сосредоточимся на тех индивидах, которые обрели внешность кристаллических многогранников - их мы условились именовать кристаллами. Нелишне еще раз напомнить, что и остальная часть царства минералов, за немногими исключениями, - тела кристаллические. Теснота, в которой они образовались, помешала им самоограниться, но отнюдь не лишила их регулярности внутреннего строения. Этот внутренний порядок зависит только от природы самого вещества и поэтому справедливо считается главным, определяющим свойством кристаллического тела.

Все природные объекты отличает от искусственной продукции одно общее качество. При массовом серийном производстве изделие тем лучше, чем точнее соответствует установленному стандарту. Природа же стереотипов не знает. Среди колоссального, не поддающегося подсчету количества индивидов одного минерального вида не найдется и двух вполне одинаковых. Это и есть первая аналогия с живыми существами: все особи, например, вида "кошка" или вида "мухомор красный", похожи друг на друга, но непременно чем-то и отличаются - размерами, деталями формы, окраской и т. п. Надо заметить, что в царстве минералов индивидуальные различия несравненно шире и разнообразнее, и требуется известная опытность, а подчас и специальные лабораторные испытания, чтобы не впасть в заблуждение и не принять один минерал за другой.

Разнообразие минеральных индивидов и агрегатов придает особую прелесть коллекционированию минералов. Ученому оно служит напоминанием о том, что красивый минерал - одновременно красноречивый рассказчик, и надо учиться понимать его рассказ. Многообразие минералов не осталось незамеченным основоположниками науки о кристаллах - кристаллографии, составляющей фундамент учения о морфологии минералов.

В историческом процессе дифференциации естественных наук возникновение кристаллографии датируется концом XVII столетия. Ее название происходит от греческого слова "кристаллос" - лед: окаменевшим льдом древние греки считали горный хрусталь (кварц), послуживший первым объектом изучения новой науки. Первоначально кристаллография занималась исключительно изучением и описанием кристаллов минералов, а в дальнейшем распространилась и на исследование и выращивание кристаллов искусственных веществ. Современная кристаллография включает учения о внешней форме кристаллов (геометрическая кристаллография), об их физических свойствах (физическая кристаллография), о внутреннем строении и составе кристаллических веществ (кристаллохимия), теорию кристаллогенезиса - образования кристаллов.

Всякая наука начинается с выявления некой общности наблюдаемых предметов. Едва ли не самое очевидное общее свойство кристаллов - тенденция самоограняться, принимать форму выпуклых многогранников. Первоначально к кристаллическим относили только те тела, которые обнаружили способность к самоогранению. Уже первые кристаллографы угадывали в этом признак упорядоченного внутреннего строения. Однако исчерпывающее объяснение пришло много позже, когда представления о строении кристаллов сложились в стройную теорию и были подтверждены экспериментами.

Возьмем изображение структуры, проведем через центры частиц параллельные прямые по направлениям кратчайших расстояний между ними, а изображения самих частиц опустим. Получится пространственная решетка - простейшая геометрическая схема кристаллической структуры (рис. 1, б). Решетка как бы делит все пространство кристалла на воображаемые одинаковые кирпичи, образующие плотную, без пустот, кладку. С таким же успехом можно представить, что это пространство занято пакетом параллельных слоев, или плоских сеток, причем можно Наметить для них множество различных направлений. В каждой сетке узлы решетки (центры частиц) лежат в одной плоскости (рис. 1, в). Внутри сетки и на ее краях условия для частиц различны: внутри химические связи компенсированы, насыщены, а на краях некоторые связи остаются свободными и создают внешнее силовое поле, за счет которого растущий кристалл и присоединяет к себе новые частицы. Рисунок показывает, что поле сильнее всего там, где край сетки имеет наибольшую кривизну; здесь присоединение частиц должно идти наиболее интенсивно. Кристалл, таким образом, сам стремится спрямить свои очертания: всякая впадина становится ловушкой для частиц, пока не зарастет и не выровняется.

В 1669 г. датчанин Николай Стенон (1638-1686), изучая кварц и гематит, сделал важное наблюдение: хотя кристаллы одного минерала могут иметь разную форму, углы между их соответственными гранями неизменны. Столетие спустя француз Жан-Батист Ромэ-Делиль (1736-1790) нашел, что это свойство присуще всем кристаллическим веществам. Оно получило название закона постоянства углов кристаллов (рис. 2). Ввиду особой важности этого закона его именуют Основным законом кристаллографии.

Рис. 2. Закон постоянства углов кристаллов. Соответственные грани кристаллов магнетита (а, б) и горного хрусталя (в, г) образуют друг с другом одинаковые углы. а, в - идеальные кристаллы; б, г - искаженные кристаллы

Фундаментальнее положений естествознания, Как закон сохранения энергии, законы механики Ньютона, - это исходная информация о явлениях: они вытекают из самих установленных наблюдениями фактов, а не из других положений науки. В отличие от них закон постоянства углов легко выводится из природы кристаллических веществ и даже как бы самоочевиден. Наращивая одну или несколько граней новыми слоями, мы не изменим углов между этими гранями, как бы ни изменялись пропорции кристалла. Таким образом, на самом деле фундаментальное положение заключается в том, что все кристаллы одного вещества одинаковы по структуре, в силу чего одинаково и взаимное расположение слоев (плоских сеток), а отсюда - постоянство углов между соответственными гранями.

Но первые кристаллографы еще ничего не знали о структурах, и на саму мысль о регулярном строении кристаллов их навели наблюдения над внешней формой, в частности, над постоянством углов.