Историческая справка о развитии геолого-минералогических наук. Закон Стенона

С давних времен кристаллы, находимые в земле, вызывали восторг и удивление: они бывают огромные, например - гигантский кристалл кварца весом 70т, длиной 7,5 м и шириной 1,6 м. Не рука шлифовальщика или гранильщика, не искусство мастера, а сама природа, силы связей между атомами заставляют частицы собираться в кристаллические решетки и вырастать в виде красавцев-многогранников (кристаллы горного хрусталя, граната и др.)

Минералогия – самая древняя геологическая наука. Старинный термин «minera» (лат.) обозначает «кусок руды». Еще в глубокой древности люди в качестве орудий труда стали использовать камни-минералы, а впоследствии для выплавки металлов – различные руды.

Археология утверждает, что в палеолите человек знал около 20 минералов, в неолите их количество увеличилось до 40.

Первая специальная работа «О камнях» греческого философа Теофраста (І в. до н.э.), в которой описано несколько десятков минералов и минеральных веществ, минералы разделены на металлы, камни и земли.

В Средней Азии - Авиценна (10 в. н.э.) в «Книге исцеления» также предложил некоторую классификацию минералов.

Большой вклад в развитие науки внесли ученый Аль-Бируни (10в. н.э.) из Хорезма, чешский ученый Георгий Бауэр (15 в. н.э.).

Год 1669 считается датой рождения кристаллографии как точной науки. Два научных сочинения легли в основу развития науки о кристаллах: одно написано датчанином Николаем Стеноном, другое – его старшим современником Эразмом Бартолиным.

Николай Стенон (1638 – 1687) – анатом, врач, геолог (лейб-медик Флорентинского двора, член Академии Опыта во Флоренции), в конце жизни отказался от научной деятельности, принял католичество и стал монахом-проповедником. Он первым пришел к мысли, что минералы и горные породы не созданы готовыми какими-то таинственными силами, что они растут и изменяются. Однако это утверждение не сразу завоевало всеобщее признание. Веком позже М.В. Ломоносову приходилось спорить с современниками, убежденными в том, что минералы не растут, а сотворены Богом и остаются неизменными навсегда (трактат «О слоях земных»). Особенно много занимался Стенон горным хрусталем. В то время считали, что кристаллы горного хрусталя возникли из небесного пламени или льда. «Кристалл кварца, - писал Стенон, - растет таким образом, что на наружные плоскости уже ранее ограниченного кристалла осаждается новое кварцевое вещество». Но если это так, то значит, на растущие грани постепенно слой за слоем отлагается новое вещество и они разрастаются параллельно самим себе, а следовательно, при росте кристалла углы между гранями не должны меняться.

Так, Стенон пришел к открытию закона постоянства углов кристаллов(одного из основных законов кристаллографии), который гласит: в различных кристаллах одного и того же вещества величина и форма граней, их взаимные расстояния и их число смогут изменяться, но углы между соответственными гранями остаются при этом постоянными. Теперь этот закон называют законом Стенона.

Его дальнейшая судьба весьма интересна. Никто из современников не обратил внимания на это замечательное открытие, и закон постоянства углов вскоре был забыт. К тому же, переводя книгу Стенона на французский язык, переводчик выбросил из нее те места, где говорилось о постоянстве углов кристаллов, считая это неинтересным и недостойным внимания.

Параллельно этот закон был открыт Эразмом Бартолиным (1625-1698), изобретателем микроскопа голландцем Антонием Левенгуком (1632-1723), великим немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571-1630), Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711-1765), французским минерологом Ромэ де Лилем (1736-1790).

М.В. Ломоносовым в работах «О слоях земных», «О рождении и природе селитры», «Слово о рождении кристаллов от трясения земли» заложены основы современной геологии и минералогии. Ломоносов составил первый русский каталог минералов в 1745 году.

Закон постоянства углов дал возможность отличать вещества друг от друга по углам между соответствующими гранями кристаллов.

Величины углов между гранями кристаллов – это характерное свойство каждого кристаллического вещества. Например, у кальцита (СаСО₃) один из углов равен 101^о55’, а у селитры (NaNO₃) кристаллы которой на редкость сходны по внешнему виду с кристаллами кальцита, угол между подобными гранями составляет 102^о41’5”. Разница меньше одного градуса на глаз не заметна, но на приборах - вполне измерима (такие приборы называются гониометрами - угломерами).

Современное развитие кристаллографии и минералогии началось с конца XIX века. Начало этому положили работы Евграфа Степановича Федорова (1853-1919), с 1905г. и до конца жизни - профессора Горного института в г. Санкт-Петербурге. В то время, когда еще спорили - существуют ли атомы, и не было никаких экспериментальных методов для подтверждения того, что атомы в кристаллах образуют симметричные решетки, Федоров на основе строго математического расчета вывел и перечислил все возможные расположения частиц, слагающих кристалл так, как будто он видел эти частицы своими глазами! Он рассчитал 230 пространственных групп симметрии кристаллической решетки.

В 1895 году были открыты рентгеновские лучи, а в 1912г. физик Макс Лауэ с их помощью подтвердил атомное, решетчатое строение кристаллов, но только через два года великому английскому ученому Виллиаму Лоренсу Брэггу удалось сделать первую расшифровку рентгеновского снимка кристалла и подтвердить открытие 230 пространственных групп Федорова.

Е.С. Федоров создал так называемый кристаллохимический анализ веществ, который позволил по углам кристалла определить тип структуры и химический состав вещества. В этом анализе воедино соединены внешняя форма кристалла и его решетчатое внутреннее строение. Итог – огромная книга со специальными таблицами и атласом чертежей «Царство кристаллов» (1920 г.).

Кристаллохимический анализ значительно развит и упрощен Анатолием Капитоновичем Блодыревым (учеником Е.С. Федорова, также профессора Горного института в г. Санкт-Петербурге). Издано два тома «Определителя кристаллов» (1800 кристаллов), т.е. таблиц, позволяющих непосредственно определять химический состав вещества по углам между гранями кристаллов; работы продолжаются.

Необходимо также отметить фундаментальные работы академика Николая Васильевича Белова по расшифровке структур силикатов при помощи координационных полиэдров.