"Родствен семье минералов

Мир бестелесных  идей,

Грёзы, как грани кристаллов,

Вкраплены в душах людей."

Н.Морозов, "Кристалы"

Вся наука о кристаллах началась с осознания того факта, что независимо от своего происхождения кристаллы одного copтa имеют одинаковые внешние формы и внутреннее строение. Предположение о том, что  форма снежинок - следствие особого расположения частиц, из которых они состоят , высказал еще в 1611 году немецкий ученый И. Кеплер.

Строгое описание формы кристаллов потребовало  использования математических понятий  и собственно, с этого и началась научная кристаллография. «Учение о природе будет содержать науку в собственном смысле лишь в той мере, в какой может быть применена в ней математика» - эту мысль И. Канта наилучшим образом характеризует ситуация, возникшая к той дате, с которой исчисляется возраст научной кристаллографии. Эта дата хорошо известна -  1669 год.

Примеры кристаллических решеток

разных типов:

1 -решетка кристалла NaCI,

2 - решетка кристалла цинка (выделена плоскость базиса).

  В кристаллогии (науке о кристаллах) существует раздел, который называется "геометрическая кристаллография". Одним из основных фактов, которые в ней изучаются, является закон постоянства углов. Он гласит: углы между соответственными гранями ( и ребрами ) во всех кристаллах одного и того же вещества постоянны. Этот закон был открыт в 1969 году датским врачом и геологом Николаем Стеноп (1638-1687). Он провел измерения на ряде кристаллов, в частности на ромбододекаэдрах граната, которые считаются одной из самых простых кристаллических форм, наряду с кубами и правильными октаэдрами. Именно отсюда ведет свое начало научная кристаллография.

Следующая замечательная веха на ее пути — 1774 год. Рейс Гаюи формулирует закон целых чисел, согласно которому положение любой грани кристалла в пространстве может быть выражено тремя целыми числами.

Основы физической кристаллографии, устанавливающей связь между свойствами кристалла и свойствами атомов, из которых он состоит, были заложены нашим соотечественником М.В. Ломоносовым, догадки которого тем более удивительны, что в годы его жизни не существовало сколько-нибудь правильных представлений о природе атомов и молекул.

 Настоящий расцвет кристаллографии начался в первые годы XX века. Это связано с использованием рентгеновских лучей, открытых незадолго до этого в 1895 году.     Мысль получить дифракцию рентгеновских лучей на кристаллической решетке впервые пришла немецкому ученому М.Лауэ в 1912 г. Она показалась настолько оригинальной, что друзья восприняли ее иронически и заключили с Лауэ пари, что ему не удастся получить рентгенограмму кристалла. И проиграли…
     Применение рентгеновских лучей к расшифровке кристаллической структуры   вооружило исследователей мощнейшим инструментом, позволяющим с точностью до четвертого  знака после запятой определять межатомные расстояния в кристаллах. После этого экспериментальные исследования кристаллов двинулись вперед очень быстро, и этот марш продолжается до сих пор.

Возможно также прямое наблюдение кристаллов в электронных микроскопах, которые сейчас позволяют различать отдельные атомы.

В России начала XX века возникли две школы кристаллографов. Первая из них возглавлялась Е.С. Федоровым, который, выведя 230 так начинаемых федоровских групп, создал учение о кристаллах, лежащее в основе современной кристаллографии. Г.В. Вульф больше тяготел к физическому описанию природы кристаллов. Он первым в России начал всестороннее использование рентгеноструктурного анализа для исследований строения кристаллов и получил основное уравнение рентгеноструктурного анализа, известное как уравнение Вульфа-Брэггов. Ученик Вульфа А.В. Шубников, организатор первого в мире Института кристаллографии Российской Академии наук, вошел в историю не только как выдающийся исследователь свойств кристаллов, но и как пионер использования кристаллов в промышленных масштабах.

С середины нашего столетия кристаллография начала интенсивно разделяться на области знания, связанные между собой единым подходом, но сосредоточенные на разных объектах, причем не только относящиеся к традиционной области интересов - неживой природе, но и к области биофизических и биохимических объектов, таких, как вирусы, белки и т.п. Одновременно усиливались связи кристаллографии с другими науками — геологией, химией, металлургией, физикой и химией твердого тела, теорией прочности и пластичности, электроникой и другими. Можно смело утверждать, что само существование и современный уровень этих наук были бы совершенно невозможны без широкою использования кристаллографических понятий, лежащих в самой их основе.        

 Итак, кристалл — это упорядоченная в пространстве система атомов. Они расположены правильным образом и чаше всего так, чтобы максимально плотно заполнить объем пространства. Попытавшись расположить вплотную друг к другу стальные шарики от шарикоподшипника, мы получим вполне приличную модель кристаллического строения и быстро убедимся, что число способов, которыми можно разместить шарики, ограничено. С этого момента в попытках описания кристаллов можно пойти двумя путями. Во-первых, если ограничиться только описанием взаимного положения шаров-атомов, то получится геометрическая кристаллография. Во-вторых, можно задаться вопросом о силах связи и перейти к физической теории решетки. Можно мысленно построить кристалл с помощью легко вообразимых операций. Пусть в пространстве имеется прямая, простирающаяся в оба конца. Разместим вдоль нее на одинаковом расстоянии а₁ друг от друга атомы. Параллельно первой расположим в пространстве на расстоянии а₂ от нее другую прямую и также заполним ее атомами. Повторим такую операцию бесконечное число раз и заполним атомами плоскость. Теперь над ней или под ней на расстоянии а₃ расположим такую же плоскость. Повторим и эту операцию бесконечное число раз. Весь объем окажется заполненным ато­мами, правильно расположенными в пространстве (рис.I). Теперь необходим шаг к реальности. В действительности, и прямые, и плоскости не бесконечны. Реальный кристалл имеет ограниченные размеры, но эти размеры всегда очень велики по сравнению с размерами атомов, так    что  в  единице объема  кристалла  (I м³) содержится около 10²⁸ атомов.

В зависимости от того, как расположены относительно друг друга атомные ряды и атомные плоскости, могут быть получены разные типы кристаллов. В свою очередь тип расположения атомов определяется их взаимодействием между собой, природой связи между частицами. На рисунке изображены некоторые из возможных расположений атомов в пространстве для разных кристаллических решеток.

КРИСТАЛЛЫ И ВРЕМЯ

 Природные кристаллы образовались в столь отдаленные времена, что им нет аналога в нашем опыте. Действительно,  для нас вещи, имеющие  возраст в несколько столе­тий,  уже древность. Египетские пирамиды построены 4-5 тысяч лет назад и являются наиболее древними памятниками человеческой культуры, широко известными по фотографиям, описаниям и преданиям. В то же время возраст кристалла кальцита не менее 10 миллионов лет. Как представить себе, что более 10 миллионов лет назад в толще пород, находящихся сейчас в современной Якутии. Сформировались эти кристаллы, которые уже почти никак не изменялись за все это колоссальное время. Сменяли одна другую цивилизации, менялось государственное устройство, сменялся общественно-политический строй, да просто за это время, около 2-4 миллионов лет назад на Земле появился человек, а ромбоэдр кальцита оставался таким, каким он сформировался и каким он сегодня предстает перед нами. Разумеется, это же относится и к другим кристаллическим минералам, залегающим в толще горных пород, и среди них есть кристаллы значительно более солидного возраста.

Такая устойчивость структуры позволила использовать кристаллы в качестве эталона для определения возраста горных пород. Эта проблема очень важна для геологии и всех других горных наук, но простого решения она не имеет; уж с очень большими временами приходится иметь дело. Тем не менее, если структура со временем не меняется, то возможны изменения химического состава кристалла, связанные только с изменениями входящих в его состав атомов. Атом, очевидно, могут претерпевать радиоактивный распад, превращаясь в другие, не характерные для данного состава кристалла. На этой идее основан самый распространенный метод определения возраста горных пород.

 Таким образом, встречаясь с природным кристаллом естественного происхождения, мы имеем уникальную возможность взять в руки предмет, по сравнению с возрастом которого все остальные привычные для нас масштабы исторического времени просто ничто. Разбивая обычный камень, мы всегда должны себе представлять, что поверхность разрушения образовалась в первый раз за миллионы, а иногда и миллиарды лет его существования. Таковы эти уникальные объекты, окружающие, тем не менее, нас со всех сторон на нашей кристаллической Земле.