Валентин Волков - Коллекционирование камней. Электрик в доме. Инструмент... (Сделай сам №4•2008)

Примеры природных аморфных камней немногочисленны. Это янтарь, гагат, обсидиан.

Аморфное состояние вещества не является устойчивым и имеет тенденцию к кристаллизации. Так, аморфное стекло с течением времени кристаллизуется. С этим явлением хорошо знакомы стекольщики, которые не любят резать старые оконные стекла. Чем старее стекло, тем труднее получить ровный разрез.

Скорость и время кристаллизации разных аморфных веществ разная. У одних это могут быть годы, у других — тысячелетия.

Кристаллография— наука, изучающая формы, внутреннюю структуру, свойства кристаллов и процессы их образования.

Кристаллы — основная форма существования твердых тел. Подсчитано, что около 95 % каменной оболочки Земли находится в кристаллическом состоянии.

Практически все минералы имеют кристаллическую структуру. Она может быть выражена крупными кристаллами, вид которых всегда восхищает наш взгляд, или иметь скрытокристаллическое строение, которое мы можем видеть при помощи увеличительных приборов. Даже такое вещество, как глина, которое, казалось бы, совсем далеко отстоит от кристаллов, при рассматривании через микроскоп обнаруживает кристаллическое строение.

Кристаллография базируется на математике, физике и химии. Она объединяет три раздела: геометрическую кристаллографию, занимающуюся изучением внешних форм кристаллов и геометрических законов их образования; кристаллохимию, изучающую внутреннее строение кристаллических веществ и их зависимость от химического состава, и кристаллофизику, изучающую симметричные закономерности физических свойств кристаллов.

Элементы симметрии

Самая главная и наиболее общая закономерность кристаллических веществ — симметричность построения внутренней пространственной решетки и, как следствие, построение внешних форм согласно законам симметрии. Симметричность любой фигуры выявляется при помощи элементов симметрии. В кристаллических многогранниках существует три элемента симметрии. (Забегая вперед, скажем, что не во всякой форме кристалла обязательно присутствуют все три элемента.) Рассмотрим эти элементы на примере простой фигуры — куба (рис. 1).

Рис. 1

Центр симметрии— это точка внутри фигуры, свойство которой таково, что любая прямая, проведенная через эту точку, делится ею пополам. На нашем примере точка «о» есть центр симметрии. На рис. 1-I, II, III прямые а-а’, е-е’, h-h’ , проходящие через центр симметрии «о», делятся пополам. Можно сколь угодно прямых провести через центр симметрии, причем через любые точки поверхности фигуры, и все они будут разделены пополам. Кристаллография трактует свойство центра симметрии еще и так: любая проведенная через центр симметрии прямая встречает по обе стороны на равных расстояниях соответственные точки фигуры. В кристаллах, имеющих центр симметрии, противоположные грани равны, параллельны и развернуты относительно друг друга на 180 градусов. Центр симметрии может быть только один, а в некоторых фигурах его может и не быть. Например, кристалл, имеющий форму пирамиды, центра симметрии не имеет.

Плоскость симметрии — это воображаемая плоскость, которая делит фигуру на две равные и зеркально одинаковые части. На нашем примере (см. рис. 1–1, IV ) плоскости АБВГ , ИКПР и др. являются плоскостями симметрии. У рассматриваемой фигуры куба их девять. Три плоскости проходят под углом 90° к рёбрам (рис. 1–1), шесть проходят через противолежащие рёбра, которые лежат на этих плоскостях (рис. 1-IV). На рисунках изображены не все плоскости во избежание перегруженности.

В реальных кристаллах наибольшее количество плоскостей симметрии равно девяти, как в рассмотренном примере. Имеются и такие, у которых нет ни одной плоскости симметрии.

Ось симметрии— это условная прямая линия, проходящая через фигуру, при повороте вокруг которой на некоторый определенный угол фигура совмещается сама с собой. На рис. 1–1 вокруг любой из трех прямых а-а’, b-b’, с-с’ , проходящих через центры противолежащих квадратов-граней куба, можно повернуть (в любую сторону) куб на 90° до полного совмещения его самим с собой. Таких поворотов можно сделать четыре. После полного оборота на все 360° куб займёт первоначальное положение. Количество совмещений при повороте на 360° называется порядком оси, вокруг которой выполняется поворот. Значит, рассмотренные оси являются осями симметрии 4-го порядка.

Вокруг осей d-d’, е-е’, f-f’, g-g’ , проходящих через противолежащие трехгранные углы (рис. 1-II), куб можно повернуть до первого совмещения на 120°. При полном обороте на 360° произойдет три совмещения. Следовательно, эти оси называются осями симметрии 3-го порядка.

Оси h-h’, i-i’, k-k’, l-l’, m-m’, n-n’ , проходящие через середины противолежащих ребер, позволяют повернуть куб на 180° до первого совмещения. Второе совмещение произойдет при полном обороте. По аналогии, эти оси называются осями симметрии 2-го порядка.

Если все эти рассуждения вызывают недоверие, сделайте из картона куб и повертите его. Я вертел!

Хотя в кристаллографии упоминаются оси симметрии 1-го порядка, практического смысла они не имеют, так как любое тело можно повернуть на 360° вокруг любой произвольной оси, чтобы оно совместилось само с собой.

Таким образом, рассмотренный куб имеет 13 осей симметрии: три оси 4-го, четыре оси 3-го и шесть осей 2-го порядков.

Шестигранная пирамида имеет ось симметрии 6-го порядка.

Максимальное число осей симметрии, содержащихся в кристаллах разной конфигурации: второго порядка — 6, третьего порядка — 4, четвертого порядка — 3, шестого порядка — 1. То есть осей, к примеру, второго порядка больше шести ни в каких кристаллах быть не может.

Природа при построении кристаллических веществ пользуется осями симметрии 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядков и только! В мире кристаллов нет оси 5-го и осей выше 6-го порядков. Это обусловлено закономерным внутренним строением кристаллов. А вообще в природе могут быть оси симметрии любых порядков. Например, шар имеет бесконечное множество осей симметрии бесконечного порядка. Конус имеет одну ось бесконечного порядка. Но кристаллов в виде шара или конуса не бывает. Представители флоры и фауны могут иметь оси симметрии самых разных порядков. Например, морская звезда имеет ось симметрии 5-го порядка. В запрете на использование оси симметрии минеральным царством творцом природы заложен определенный логический смысл. Вот что говорит академик Н.В. Белов: «Кристаллографический запрет пятерной оси определяется невозможностью согласования ее (равно как и осей порядка выше шести) с решеткой, с «решетчатым состоянием» кристаллического вещества. И потому можно думать, что пятерная ось симметрии является у мелких организмов своеобразным инструментом борьбы за существование, страховкой против окаменения, против кристаллизации, первым шагом которой была бы «поимка» решеткой живого организма». Как видим, сама природа заботится о выживании простейших живых существ!