Драгоценные камни - кристаллы

Драгоценные камни представлены в большинстве случаев в виде отдельных кристаллов - монокристаллов. Кристаллическое строение имеют также и большинство окружающих нас твердых тел, которые состоят обычно из бесчисленного количества очень мелких кристаллов, видимых только в лупу или под микроскопом.

При обычных условиях кристаллическое строение имеют, например, поваренная соль, сахар, большинство камней и металлов, даже резина и основная часть дерева, целлюлоза, а также некоторые части живого организма, например хрусталик и роговица глаза и т. д. Можно сказать, что мы живем fe мире кристаллов и даже сами частично состоим из кристаллов.

Что же такое кристаллы? Это твердые тела природного или синтетического происхождения, имеющие естественную форму правильных многогранников.

При добыче полезных ископаемых очень часто обнаруживают минералы удивительно правильной формы, в виде различных многогранников с плоскими гранями и прямыми ребрами, как будто бы их кто-то специально отфрезеровал или выпилил, а затем подверг шлифовке и полировке. В соляных озерах обычную поваренную соль можно увидеть в форме довольно крупных кубических кристаллов. В кимберлитах^* алмазы часто встречаются в форме октаэдров. В правильной форме многогранников кристаллизуются: кварц, турмалин, изумруд, гранаты и многие другие минералы.

^* (Кимберлитами называют горные породы, содержащие алмазы.)

Слово "кристалл" произошло от греческого слова "кристаллос". Этим словом древние греки называли лед, а также и горный хрусталь, который они тоже принимали за лед, но сильно охлажденный и поэтому не способный таять.

Кристаллы весьма разнообразны по форме, величине и цвету. Даже в необработанном виде кристаллы довольно красивы сами по себе, и многие вполне справедливо называют их цветами неорганической природы. Характерной особенностью кристаллов любого вещества, в том числе и минералов, является то, что они при благоприятных условиях могут расти и увеличиваться в своих размерах.

На это свойство кристаллов одним из первых обратил внимание датский ученый Николай Стено (1638-1686). В 1669 г. в своем научном труде "О твердом, естественно содержащемся в твердом" он указал, что природные кристаллы растут из соответствующих растворов, "как соли из воды". Своими исследованиями Стено опроверг господствовавшее в то время среди алхимиков мнение, что природные кристаллы были когда-то раз и навсегда созданы богом.

Рассматривая рис. 3, легко обнаружить, что кристаллы разных минералов различны по форме; по этому признаку можно иногда отличить минералы друг от друга. Однако из того же рисунка видно, что имеются и такие минералы, у которых форма кристаллов по внешнему виду кажется совершенно одинаковой. Форму октаэдра, например, могут иметь кристаллы алмаза и шпинели, а форму ромбододекаэдра -- кристаллы граната и того же алмаза.

Рис. 3. Внешняя форма некоторых кристаллов: 1 - флюортт; 2 - шпинель; 3 - гранат; 4 - рубин; 5 - кварц; 6 - изумруд; 7 - алмаз; а - октаэдр; б - ромбододекаэдр

Бывает и так, что одно и то же вещество, одной и той же модификации имеет несколько кристаллических форм, как. например, у граната, алмаза и кварца (см. рис. 4).

Разнообразие кристаллических форм у веществ одной и той же полиморфной разности объясняется условиями роста данного кристалла.

Казалось бы, очень трудно определить вещество кристалла, основываясь только на его внешней форме. Действительно, среди кристаллических форм кварца (см. рис. 4) трудно заметить на первый взгляд какую-либо связь, или закономерность, между минералом и его формой. Тем не менее при детальном изучении кристаллов кварца оказалось, что между его кристаллическими формами имеется вполне определенное сходство. Это сходство было усмотрено в том, что углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества, данной модификации постоянны. Честь открытия этого фундаментального закона кристаллографии принадлежит Николаю Стено. Открытие Стено, к сожалению, прошло незамеченным; никто из современников не обратил на него внимания, и оно было вскоре забыто.

Рис. 4. Некоторые кристаллические формы граната, алмаза и кварца. У всех кристаллов кварца углы между соответствующими гранями равны, например углы между плоскостями a, b и c всегда будут равны: ab = 141°47; ac = 113°08; bc = 120°00

Позднее к подобным выводам самостоятельно пришли и некоторые другие исследователи, в том числе и корифей русской науки М. В. Ломоносов, но в силу целого ряда причин на их открытие тоже не обратили внимания.

В 1772 г. французский минералог Роме де Лиль вновь открыл закон постоянства углов, и на этот раз он прочно утвердился в науке. Знание закона постоянства углов позволило определить вещество природного кристалла по описанию его внешних признаков. Минералоги того времени не имели в своем распоряжении характерного признака, при помощи которого можно было бы распознавать минералы. В 1798 г. академик В. М. Севергин, например, классифицировал минералы по 23 внешним признакам: цвету, прозрачности, твердости, хрупкости, блеску, излому, удельному весу и т. д. Поэтому легко можно себе представить, как было трудно распознавать минералы, тем более что некоторые признаки были порой весьма противоречивы. По цвету, например, не всегда можно определить вещество минерала, так как некоторые из них способны принимать любую окраску, в зависимости от наличия в них тех или иных элементов-хромофоров. Присутствие посторонних примесей может также настолько изменить признаки данного минерала, что они становятся совершенно нехарактерными и могут внести лишь путаницу в его диагностику.

Открытие закона постоянства углов и внедрение его в практику измерения кристаллов произвело революцию в минералогии, положив начало развитию новой точной науки - кристаллографии.

Своеобразная форма кристаллов и знание закона постоянства узлов позволили узнавать минералы, не прибегая к специальным лабораторным исследованиям.

Если в заведомо известных кристаллах один раз измерить углы между гранями, то в дальнейшем, пользуясь соответствующими справочниками, можно будет определять вещество кристалла, измерив лишь соответствующие углы между его гранями. В настоящее время подобного рода измерения выполняются по методу Е. С. Федорова на двукружном или теодолитном гониометре. Принцип действия прибора основан на отражении светового сигнала от грани кристалла и замере соответствующего угла между отблесками при повороте кристалла. Техника измерения проста: в центре прибора, на вращающейся оси, укрепляется кристалл; от электрической лампочки, через узкую щель, на кристалл направляется пучок света, грани кристалла отражают этот свет, который и наблюдают в зрительную трубу в виде отблеска. Углы между отблесками соответствуют углам между гранями, отсчет углов производится по делениям на круге гониометра.

Применение гониометра возможно, естественно, только для тех кристаллов, которые имеют правильно развитые грани. Развитие граней кристалла зависит от условий их роста. Если кристалл развивается свободно, без помех, тогда все грани получают нормальное развитие.

В природе идеальные условия для роста кристаллов достигаются весьма редко, в большинстве случаев грани кристалла развиваются неравномерно и иногда так изменяют облик кристалла, что один и тот же минерал из разных месторождений может принять совершенно различные формы. Тем не менее некоторые грани кристалла являются настолько характерными, что сохраняются, хотя бы в ранней степени своего развития, даже в неблагоприятных условиях для их. роста, на всех кристаллах.

По этому поводу академик Е. С. Федоров писал: "...нельзя поэтому такие формы не признать особенно важными для характеристики кристаллов этого вещества. Но при всем том нельзя не признать и отдельных исключений, когда одно и то же вещество в разных случаях появляется в формах, не имеющих между собой ничего общего". Однако Е. С. Федоров считает, "то резкое различие форм одного и того же вещества весьма редко и в 75-80% случаев по внешней форме кристалла можно дать правильное определение состава его вещества