Основні поняття сучасної кристалографії

Кристалографія – наука про кристали, яка вивчає їх зовнішню форму, внутрішню будову (структуру), фізико-хімічні властивості, походження. Сучасна кристалографія включає такі основні розділи: морфологія кристалів (геометрична кристалографія), кристалохімія (структурна кристалографія), кристалофізика, кристалогенезис (зростання кристалів).

Кристалічними називаються тверді речовини, побудовані із матеріальних частинок – іонів, атомів або молекул, геометрично правильно розташованих у просторі. Поступово сформувалося уявлення про просторові або кристалічні гратки як про нескінченну тривимірну періодичну систему (рис.1). У ній виділяють вузли (окремі точки, центри тяжіння атомів та іонів), ряди (ряд – сукупність вузлів, що розташовано на одній прямій) і плоскі сітки (площини проходять через будь-які три вузли). Таким чином, кристалічна речовина має строго закономірну (гратчасту або ретикулярну) внутрішню будову (від лат. reticulum - сіточка). За сприятливих умов вони можуть самоогранятися, утворюючи правильні геометричні багатогранники – кристали. Геометрично правильна форма кристалів обумовлюється, перш за все, їх строго закономірною внутрішньою будовою. Сітки кристалічної решітки відповідають граням реального кристала, місця перетину сіток – ряди – ребрам кристалів, а місця перетину ребер – вершинам кристалів.

Кристалічні тіла можуть існувати у вигляді монокристалів або кристалічних агрегатів - полікристалів. В аморфних тілах впорядкованість розміщення частинок у просторі практично відсутня , а фізичні властивості в усіх напрямах однакові (ізотропія).

Прикладами аморфних речовин є скло, каніфоль (смола), клей. Аморфний стан термодинамічно нестійкий, тому аморфні речовини можуть з часом на окремих ділянках кристалізуватись. Аморфні речовини відрізняються від кристалічних відсутністю певної температури твердіння: вони застигають у температурному інтервалі, тоді як кристалічні мають визначену температуру кристалізації (плавлення) (рис.1).

Рис.

а) б)

Рис. 1. Температурні криві охолодження:

а) кристалічної речовини: аb- охолодження розплаву;
вс- кристалізація; сd- охолодження твердої речовини;
Т - температура кристалізації (плавлення);

б) аморфної речовини: аm- охолодження розплаву:

mn - в'язкотекучий стан; пd- охолодження твердої речовини;

Т_т... Т_п - температурний інтервал тверднення

Монокристали – правильні багатогранники, утворені плоскими гранями, які перетинаються по прямих лініях – ребрах; точки перетину утворюють вершини.

У полікристалічній речовині таку впорядковану будову мають окремі ділянки, орієнтовані в просторі довільно.

Речовини у кристалічному стані характеризуються сукупністю ознак:

- здатністю до самоогранення;

- сталими температурами плавлення і кристалізації;

- анізотропією фізичних властивостей: зусилля розриву, заломлення світла, швидкість росту кристалів, тепло- та електропровідність;

- хімічною і фізичною однорідністю по всьому об’єму;

- дифракцією рентгенівських променів, яка свідчить про гратчасту будову кристалів.

Всі ці властивості є наслідком закономірно впорядкованого розташування часток.

Монокристали в природі — рідкість, тому полікристалічні речовини дуже поширені. Це майже всі гірські породи: граніти, вапняки, пісковики; майже всі руди, що є сировиною для металургійної промисловості, а також всі метали та їх сплави, більшість неорганічних речовин, будівельних матеріалів. Особливі фізичні властивості кристалів використовуються у приладобудуванні. Оптичні призми і лінзи, що пропускають ультрафіолетові та інфрачервоні промені, виготовляються із монокристалів SіО₂, СаF₂, LiF, NaCL, КВг, СsI. Вони знайшли застосування у приладах нічного бачення, космічній техніці. П'єзокристали кварцу SіО₂, сегнетової солі КNаС₄Н₄О₆*4H₂O та інші використовують для перетворення механічної енергії в електричний заряд. Штучні рубіни та сапфіри (АL₂О₃ із невеликою кількістю домішок Сг₂О₃ або ТіО₃) застосовують у точних приладах та у лазерній техніці.

Нові кристалічні речовини з ідеальною будовою, без домішок та дефектів потрібні для створення високотемпературних напівпровідників, сонячних батарей, елементів пам'яті ЕОМ. Їх вирощують у промислових масштабах. Для цього використовують ряд методів: вирощування монокристалів з розчинів, розплавів, із газової фази, методами газотранспортних реакцій, зонної плавки.