Кристалл

КРИСТАЛЛ (от греч. krystallos, первоначально — лёд * а. crystal; н. Kristall; ф. cristal; и. cristal) — твёрдое тело со строго закономерным расположением атомов, ионов или молекул в пространстве, образующих трёхмерную периодическую кристаллической решётку.

Кристалл — равновесное состояние твёрдых тел. Каждому химическому соединению, находящемуся в кристаллическом состоянии при заданных термодинамических условиях, соответствует определённая кристаллическая структура, приводящая к определённой симметрии внешней формы и физических свойств. Внешняя форма кристалла отражает симметрию внутренней укладки частиц, поэтому углы между гранями кристалла одного и того же вещества постоянны (закон постоянства углов Стено). Кристаллы отличаются анизотропией свойств и кристаллизуются при благоприятных физико-химических условиях в форме многогранников. Различные сочетания элементов симметрии кристаллических многогранников — центра инверсии (1), плоскости симметрии (m), поворотных (2, 3, 4, 6) и инверсионных (4, 6) осей симметрии — обусловливают существование 32 классов симметрии (точечные группы симметрии). Добавление трансляций, плоскости скользящего отражения, винтовых осей симметрии приводит к образованию 230 пространственных (федоровских) групп симметрии.

Среди 32 точечных групп выделяют 7 сингоний: триклинную, моноклинную, ромбическую (низшие сингонии), тетрагональную, гексагональную, тригональную (средние), кубическую (высшая). Минимальный по объёму параллелепипед, отражающий все особенности кристалла, называется элементарной ячейкой (рис.). Рёбра элементарной ячейки а, b, с называются периодами кристаллической решётки. Размеры рёбер а, b, с и углы между ними а (между b и с), b (а и с), g (а и b) — основные кристаллографические константы. Всякая атомная плоскость в кристалле отсекает на осях координат х, у, z целые числа периодов решётки k, m, n, обратные им целые числа h, k, l называются индексами кристаллографических граней и атомных плоскостей (индексы Миллера).

Кристалл ограничен гранями одной или несколько простых форм (всего 47 простых форм). Простая форма — совокупность кристаллографически одинаковых граней. В кристаллах, элементами симметрии которых являются только простые поворотные оси (плоскости, центр инверсии, инверсионные оси отсутствуют), возможно возникновение зеркально равных правой и левой форм (энантиоморфизм).

Форма реальных кристаллов обычно отличается от идеальной формы (габитуса). Габитус кристалла изменяется в зависимости от условий зарождения и роста кристалла. Это используется для получения кристалла заданного габитуса, а также выяснения условий генезиса минералов на основе их кристалломорфического анализа.

Методы структурного анализа (рентгеноструктурный, электронографический, нейтронографический) позволяют определить размеры элементарной ячейки, пространственную группу симметрии, межатомные расстояния, распределение электронной плотности между атомами и др. Электронная микроскопия высокого разрешения, электронная спектроскопия, мёссбауэровская спектроскопия и другие позволяют уточнить структуру реальных кристаллов.

Физические свойства кристаллов определяются их составом, геометрией кристаллической структуры и типом химической связи в них. Вследствие нарушения равновесных условий роста, захвата примесей и влияний различного рода в кристаллах наблюдаются отклонения от идеальной структуры: возникновение точечных дефектов (замещения атомов матрицы примесными атомами вакансии, между узлами), дислокации, нарушения порядка упаковки атомных слоев. Дефекты приводят к изменению физических свойств кристалла, что используется в технике. Все реальные кристаллы состоят из разориентированных на небольшие (в несколько минут) углы кристаллических блоков размером 10^-4 см, в каждом из которых почти идеальный порядок.

Связь симметрии кристаллов, симметрии их физических свойств и зависимость последних от симметрии внешних воздействий определяются принципами Кюри и Неймана. Свойства кристаллов описываются соответствующими тензорами. На основе элементов симметрии можно предсказать наличие или отсутствие тех или иных свойств кристалла. Так, например, пьезоэлектрические свойства возможны в кристаллах 20 классов без центра симметрии. Многие свойства кристаллов (окраска, люминесцентные свойства, прочность, пластичность и др.) существенно зависят от типов и количества дефектов. По преобладающему типу химической связи выделяют ионные, ковалентные, молекулярные и металлические кристаллы. Природные и синтетические кристаллы применяются в оптике (оптические элементы), различных областях электроники (полупроводниковые приборы и интегральные схемы, квантовые электронные устройства и др.), радиотехники (например, детекторы), вычислительной техники, а также в качестве сверхтвёрдых абразивных материалов и опорных элементов сверхточных приборов. Ювелирная промышленность использует не только природные, но и синтетические кристаллы.