Нея Зоркая - Как я стала киноведом

Но самая важная особенность кристаллического вещества заключается в упорядоченном расположении его атомов.

На рисунке показано внутреннее строение кристалла и аморфного вещества того же состава. Рисунок, разумеется, имеет условный характер, так как в действительности атомы вещества располагаются не на плоскости, а в пространстве.

Рассмотрим атомы, обозначенные черными точками. В обоих случаях окружение каждого из таких атомов почти одинаково: ближайшие соседи располагаются по вершинам треугольника, совершенно правильного при кристаллическом и почти правильного при аморфном состоянии. Значит, и в аморфном веществе имеется так называемый «ближний» порядок. Но если принять во внимание не только самых близких соседей, то выяснится, что в кристалле окружение каждого атома все-таки остается одинаковым, а в аморфном веществе оно окажется разным. Поэтому говорят, что в кристаллическом теле в отличие от аморфного наблюдается «дальний» порядок.

Все особые свойства кристалла вытекают отсюда как следствия. Естественно, что в направлении АВ, параллельном направлению некоторых связей между атомами, свойства будут не такими, как в направлении CD, вдоль которого такие связи не проходят. В аморфном веществе таких специфических направлений мы не найдем. Так объясняется анизотропия кристаллов, в частности различная скорость роста в разных направлениях, а следовательно, и способность самоограняться.

В рассмотренном примере мы подразумевали, что одно и то же вещество может существовать и в аморфном, и в кристаллическом состоянии. Это действительно так. При быстром охлаждении расплавленного сахара получается аморфная масса (леденец), при медленном охлаждении в образующемся твердом сахаре можно заметить поблескивающие кристаллики.

Нетрудно понять, почему так происходит. Представьте себе роту солдат, которым приказано строиться. Если им дать для этого хотя бы немного времени, они успеют занять свои места, выровнять ряды. Если же после команды строиться будет сразу подана команда «стой!», расположение солдат так и останется беспорядочным, хотя, может быть, и наметится какая-то тенденция к порядку. Нечто подобное происходит и при затвердевании: если процесс идет медленно, частицы успевают занять отведенные им места, быстрое затвердевание не дает им такой возможности.

Но даже в твердом аморфном веществе, хотя и очень медленно, атомы перемещаются и постепенно упорядочивают свое расположение. Леденец, пролежав несколько месяцев, начинает кристаллизоваться — «засахариваться». Старинное стекло иногда мутнеет — в нем образуется множество мельчайших кристалликов и возникающая неоднородность материала приводит к потере прозрачности.

Аморфное вещество самопроизвольно переходит в кристаллическое, а вот противоположный процесс никогда не наблюдается. Отсюда следует очень важный вывод. Кристаллическое состояние — это равновесное, наиболее устойчивое состояние твердого вещества.

Кристаллы привлекали внимание ученых еще в Средние века. В конце XVIII века наука о кристаллах превратилась в самостоятельную дисциплину — кристаллографию. Но еще очень долго ученые были вынуждены ограничиваться изучением внешней формы кристаллов. Недра кристалла оставались недоступными — здесь приходилось довольствоваться догадками.

Мысль о том, что многие свойства кристаллов можно объяснить правильным, закономерным расположением частиц, возникала еще у Исаака Ньютона. В 1675 году он писал: «Нельзя ли предположить, что при образовании кристалла частицы не только установились в строй и в ряды, застывая в правильных фигурах, но также посредством некоторой полярной способности повернули свои одинаковые стороны в одинаковом направлении?» Впоследствии эта идея претерпела значительную эволюцию в работах М. В. Ломоносова и французских ученых Р. Гаюи и О. Бравэ; у последнего она достигла математической законченности.

Только в XX веке после открытия дифракции рентгеновских лучей ученые получили возможность изучать расположение атомов в кристаллическом веществе. И тогда оказалось, что, несмотря на многообразие внешней формы кристаллов, их внутреннее строение еще многообразней, еще богаче вариациями. Перед учеными открылся удивительный мир кристаллических структур с его сложными, подчас трудно объяснимыми закономерностями. Обнаружилось, что строение кристаллического вещества находится в тесной связи с его химической природой. От кристаллографии отпочковалась кристаллохимия.

Теперь мы знаем пространственное расположение атомов в кристаллах многих тысяч химических соединений. Иногда очень простое, иногда чрезвычайно замысловатое, оно естественно вызывает сравнение с архитектурой. Внутри кристалла, как и внутри большого здания, можно иной раз найти обширные «залы», извилистые «переходы», «этажи» и закрученные по спирали «лестницы». И весь этот интерьер находится в строгом соответствии с экстерьером — внешней огранкой кристалла.

Проводя такую аналогию, нельзя, однако, не отметить весьма важного отличия. Здание строится руками человека. Оно устремляется ввысь вопреки земному притяжению, вопреки стремлению к равновесию, и его устойчивость относительна. Оставленное человеком, лишенное ухода, оно постепенно превращается в руины, а затем и всякий след его стирается с лица земли.

Кристалл строит себя сам. Его архитектура, какой бы затейливой она ни была, возникает не вопреки, а вследствие стремления к равновесию. Образуя правильную гармоническую постройку, атомы тем самым занимают наиболее устойчивое для данных условий положение. И пока эти условия не изменятся, кристаллу не грозит разрушение.

В 1895 году Конрад Рентген открыл удивительные лучи, свободно проникавшие через бумагу, через ткань, даже через металлическую пластинку. Но еще 17 лет после этого природа таинственных лучей оставалась неясной. Решение было найдено в 1912 году, когда немецкий физик Макс фон Лауэ высказал предположение, что длина волны рентгеновских лучей может оказаться настолько малой, что их дифракция будет наблюдаться на кристаллической решетке. История постановки эксперимента, подтвердившего догадку Лауэ, довольно любопытна. Изложим ее со слов советского академика А. Ф. Иоффе [78] А. Ф. Иоффе. Встречи с физиками. М., 1960. .

В те времена в кафе «Хофгартен» в Мюнхене образовалось нечто вроде клуба физиков с участием химиков и кристаллографов, где ежедневно обсуждались актуальные научные вопросы. В этих дискуссиях принимал участие А. Ф. Иоффе, работавший тогда в Германии. Именно здесь фон Лауэ рассказал о своей гипотезе. Но присутствовавший при этом физик Вагнер категорически не согласился с Лауэ. Как может наблюдаться дифракция от пространственной решетки? Ведь дифракционные картины, соответствующие трем измерениям, будут перекрываться, мешая друг другу! — говорил Вагнер. Лауэ настаивал на своем, и свидетели спора предложили заключить пари на коробку шоколада. Фридрих, производивший тогда под руководством Рентгена опыты с загадочными лучами, взялся решить спор путем экспериментальной проверки. Придя в лабораторию, он поставил на пути рентгеновских лучей кристалл, а рядом — фотографическую пластинку, которая могла бы зафиксировать лучи под прямым углом к первичному пучку. Велико было разочарование, когда никаких следов дифракционных лучей на пластинке не обнаружилось! Опыт повторялся многократно, но каждый раз без успеха…