Каждая частица в кристаллической решетке (ион, атом или молекула) испытывает силы межмолекулярного взаимодействия. Равновесное расположение всех частиц твердого тела в узлах кристаллической решетки соответствует минимуму свободной энергии кристалла и наиболее устойчивому его состоянию. При этом частицы в узлах решетки располагаются на некоторых равновесных расстояниях друг от друга, называемых периодом кристаллической решетки .
В зависимости от того, какие частицы находятся в узлах кристаллической решетки, различают следующие четыре типа решеток: ионную, атомную, молекулярную и металлическую.
В узлах ионной решетки чередуются отрицательные и положительные ионы. Благодаря электрическим взаимодействиям они образуют устойчивую структуру кристалла. Подавляющее большинство кристаллов имеют именно ионную решетку. Типичным примером ионной решетки является изображенная на рис. 35.1 решетка каменной соли . В ней чередуются ионы и . В газообразном состоянии хлористый натрий состоит из молекул, в которых объединены попарно ионы натрия с ионами хлора. В кристалле молекулы утрачивают обособленное существование. Ионный кристалл состоит не из молекул, а из ионов. Весь кристалл в целом можно рассматривать как одну гигантскую молекулу.
В узлах молекулярной решетки (см. рис. 35.2) размещаются полярные молекулы. Разноименно заряженные частицы двух соседних молекул притягиваются и связывают молекулы в кристаллическую решетку. Таким образом, между молекулами кристалла действуют те же силы, что и между молекулами реального газа. Эти силы называют еще силами Ван-дер-Ваальса. По сравнению с ионными, молекулярные решетки не такие прочные, они легко деформируются. Такие решетки имеют вода (лед), углекислота (сухой лед), азот, кислород, водород, а также резина, парафин, целлюлоза и многие другие кристаллы.
В атомных решетках нейтральные атомы соседних узлов связаны между собой валентными электронами. Орбиты электронов смещаются так, что электрон движется по орбите, охватывающей два соседних атома, и таким образом, связывает их между собой. Так осуществляется связь атомов в молекулах с ковалентной связью.
В качестве примера рассмотрим атомные решетки алмаза и графита. Эти кристаллы идентичны по своей химической природе – они построены из атомов углерода, но отличаются строением решетки. В кристалле алмаза (см. рис. 35.3) соседние атомы углерода размещены на одинаковом расстоянии 154 пм друг от друга. Они одинаково и очень тесно связаны во всех направлениях, что является причиной чрезвычайной прочности и твердости алмаза. Каждый четырехвалентный атом углерода размещается в центре правильной четырехгранной пирамиды – тетраэдра, в вершинах которой находятся четыре его ближайших соседа, с которыми он связан валентной связью. Такую же решетку, как у алмаза, имеют типичные полупроводники – германий и кремний .
Кристаллическая решетка графита (см. рис. 35.4) имеет совершенно другое строение. Она состоит из ряда параллельных слоев атомов. Каждый слой заполнен тесно связанными между собой атомами углерода, размещенными в вершинах правильного шестиугольника на расстоянии 142 пм друг от друга. Между соседними атомами, лежащими в одном слое, осуществляется прочная валентная связь Атомы соседних слоев слабо связаны друг с другом, так как расстояние между соседними слоями более чем вдвое превышает расстояние между атомами шестиугольника и равняется 340 пм. В этом направлении связь осуществляется слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Поэтому кристалл графита легко скалывается вдоль этих слоев (плоскостей спайности), он мягок и легко крошится. Это позволяет изготовлять из графита грифели карандашей, щетки электродвигателей, сухие смазки, используемые, например, для уменьшения трения между листами рессоры автомобиля. Поскольку лишь три валентных электрона атома углерода из четырех принимают участие в образовании валентных связей с соседними атомами, четвертый электрон оказывается слабо связанным с атомом. Именно такие электроны обеспечивают электропроводность графита, тогда как алмаз не является проводником электрического тока.
Красота драгоценных камней пленяет. Особенно ценятся экземпляры, обладающие наиболее чистым и ярким цветом. В частности, изумруд должен быть зеленым, сапфир - пронзительно-синим, а рубин - насыщенно-красным. Но цвет драгоценностей обусловлен чаще всего не их собственной кристаллической решеткой, а наличием примесей. Они могут придать сапфиру зеленый цвет, а изумруду - синеватый или желтоватый.
Химическая формула сапфира очень проста: Al2O3 (оксид алюминия). Данный минерал используется в электронной промышленности благодаря особым полупроводниковым свойствам. В чистом виде он бесцветный и полупрозрачный и носит название "лейкосапфир", так как с греческого слово "leukos" переводится как "белый". Его выращивают искусственно в промышленных целях, поскольку в природе эти кристаллы почти всегда имеют примеси. Их содержание в драгоценных камнях измеряется в массовых процентах, отражающих соотношение примеси к массе "чистого" камня.
Синий цвет придают железо и титан, а ванадий вносит фиолетовый оттенок. Больше всего ценятся и довольно редко встречаются камни ярко-синего, василькового цвета. Их месторождения расположены в основном на Шри-Ланке. Большое количество железа придает сапфиру зеленоватый цвет. Корунды, содержащие много оксида железа, становятся желтоватыми.
Удивительно, но кристаллическое строение рубинов такое же, как и у сапфиров! То есть это два разных названия для одного и того же камня. Различаются они лишь цветом. Принято считать рубинами только красные камни с пурпурным оттенком (его обеспечивает примесь хрома), но в ювелирных магазинах нередко можно встретить бирку с подписью "рубин", прикрепленный к изделию с розовым камнем. На самом деле правильно было бы писать "розовый сапфир", но не все ювелирные магазины так поступают. Серьезные компании используют цветовые координаты, с помощью которых можно описывать цвет камней. Именно координаты указывают на то, что называется сапфиром, а что рубином. В некоторых системах оценки цвета существуют свои эталоны.
Изумруд - зеленая разновидность берилла, содержащая хром. Сам берилл, так же, как и лейкосапфир, бесцветный. Но примесные элементы могут окрашивать его в различные цвета. Так, железо может окрашивать берилл в голубой или желтый, ванадий - в зеленый, марганец - в розовый. В изумруде содержание двуокиси хрома может доходить до 2-2,5%. Наличие других примесей в изумруде (железо, ванадий) может немного менять оттенок камня, а также указывать на его месторождение. Например, для уральских изумрудов характерно высокое содержание железа, а для колумбийских - примесь ванадия.
Царем драгоценных камней считается алмаз. Это не только ценнейший и красивейший драгоценный камень, но и сверхтвердый технический минерал, химически стойкий к агрессивным средам, это эталонный полупроводник для электроники, модельный объект для физики твердого тела, а также индикатор высоких давлений и температур в науках о Земле.
"Окраска алмаза чаще всего связана с примесями и дефектами структуры, возникающими в результате вхождения примесей. Самой главной примесью в алмазе является азот, придающий алмазу желтый оттенок. Этот элемент может входить в структуру драгоценного камня в виде одиночных атомов или их группировок. Алмазы, содержащие азот в форме группировок, составляют около 98% от всего алмазного сырья. Количество азота в таких камнях может доходить до 0,3% от атомов углерода, а в среднем оно составляет сотые доли атомных процентов. А вот в виде одиночных атомов в алмазах азот встречается редко. Зато такая форма азота придает камню яркий желтый, так называемый "фантазийный" цвет. Объемные дефекты в виде плоскостей вызывают коричневую окраску, а в ряде случаев - редкую розовую. Крайне дорогие и редкие голубые алмазы получаются благодаря примеси бора, " - поясняет Ирина Екименкова, научный сотрудник кафедры минералогии геологического факультета МГУ .
Алмазы, не содержащие примесей, раньше называли камнями "чистой воды". Считалось, что если положить алмаз в воду, то он будет незаметен. На самом деле показатели преломления света у воды и этого прекрасного минерала отличаются колоссально, и алмаз будет прекрасно виден.
История многих драгоценностей с алмазами, изумрудами и корундами насчитывает века. Менялись эпохи, общество, мировоззрение, но эти камни неизменно притягивали людей своей древней и загадочной красотой.
Драгоценный камень сапфир, относящийся к одному из многочисленных видов корунда, высоко ценится ювелирными мастерами. Он совсем немного уступает алмазу по красоте и прочности, а многие другие драгоценные камни заслуженно превосходит. Ограненный минерал обладает потрясающим свойством преломлять свет, при этом блеск, исходящий от изделия, завораживает взгляд. Популярность сапфира можно еще объяснить долговечностью, твердая поверхность выдерживает значительные механические нагрузки.
Началом исторического пути сапфира стала Древняя Индия, затем торговцы привезли россыпь камней в Египет. Местные жрецы по достоинству оценили минерал и использовали его в нагрудных украшениях, сама Клеопатра предпочитала этот вид драгоценных камней. В царские времена сапфир украшал головные уборы практически всех королей: от индийского махараджи до российского Ивана Грозного. При распространении христианства минерал вставляли в перстни епископов, считалось, что он помогает очистить тело и душу и обратить свои мысли к Богу.
Цветовая палитра натурального сапфира
Искусственный сапфир
На ювелирном рынке все чаще встречаются синтетические сапфиры, мало отличающиеся по химическому составу от настоящих камней. В их производстве используют специальный прибор, в который помещается дешевая крошка корунда, железо, титан и хром. Вся эта конструкция помещается в печь, при высокой температуре и давлении образуются кристаллы сапфира. Для образования цветных камней в первоначальный состав добавляется окись никеля, ванадия, кобальта или магния. Равномерное окрашивание происходит благодаря диффузному методу и специальному обжигу камней.
Способы определения натурального сапфира
Сапфир – свойства камня
Эвклаз – камень для сильных духом
Полевой шпат и его свойства
Берилл — камень-хранитель супружеских уз
Сердолик – солнечный камень
Джильберт повторил опыты Фалеса Милетского и убедился, что не только янтарь, но и алмазы, драгоценные камни, горный хрусталь, сера, смолы, сургуч, стекло и многие другие твердые вещества, когда их натирают сукном, кожей или мехом, приобретают свойство притягивать легкие предметы.
Это уже само по себе было важным открытием. Оно показывало, что таинственная притягательная сила присуща не только одному янтарю. Эта сила, решил Джильберт, является не свойством какого-либо одного вещества, а свойством того, что скрывается во многих веществах, пропитывая их, как вода пропитывает губку.
Это нечто, содержащееся в порах разных веществ, думал Джильберт,- особая невидимая жидкость. При трении она выдавливается из пор и проявляет свои «янтарные» свойства.
Для этой жидкости Джильберт придумал название: «янтарная субстанция». Но, составляя новый термин, Джильберт взял корень греческого названия янтаря - «электрон». Отсюда и получилась «электрическая субстанция» или, короче, «электричество».
Так родилось слово, которым стали обозначать всю совокупность электрических явлений.
После Джильберта в течение полутора столетий исследованиями электрических явлений занимались многие ученые.
Для своих опытов они добывали электричество трением. В одних случаях лисьим мехом натирали сургуч, в других - кожей терли стекло. Ученому Отто Герике пришла в голову мысль соорудить машину для добывания электричества. Он налил в большую круглую колбу расплавленной серы. Когда сера застыла, Герике разбил колбу, извлек серный шар, насадил его на ось и поместил в станок так, чтобы шар можно было вращать.
Помощник крутил шар, а Герике прикладывал к нему различные предметы, желая найти наиболее подходящий материал, чтобы электризовать серу. Он перепробовал множество материалов и наилучшим оказались... собственные ладони ученого. С тех пор Герике и многие его последователи добывали электричество буквально собственными руками.
Во время своих опытов с наэлектризованным серным шаром Герике заметил, что пушинка, на миг притянувшаяся к шару, затем отрывается от него и больше уже не притягивается, наоборот, она отталкивается. Тогда Герике подбросил наэлектризованную пушинку вверх и, держа серный шар под пушинкой, заставил ее летать в воздухе. Наэлектризованный шар, отталкивая пушинку, мешал ей упасть. И она летала до тех пор, пока Герике не надоедало ее гонять.
Так было открыто свойство наэлектризованных тел не только притягивать другие тела, но и отталкивать их.
Наблюдая отталкивание наэлектризованных тел, Герике встретился с явлением, чрезвычайно изумившим его. Когда ученый вынул из станка наэлектризованный серный шар, маленькое перышко, лежавшее на земле, поднялось, подлетело к шару и, на мгновение коснувшись его, тотчас опустилось на землю. Едва дотронувшись до поверхности земли, перышко снова подскочило к шару. Чуть продержавшись у его поверхности, оно опять совершило путешествие до земли и вернулось затем к шару. Пляска перышка продолжалась до тех пор, пока электризация шара не ослабела.
Ученые, повторившие этот опыт, дали ему такое объяснение: серный шар имеет некоторый запас электричества. Перышко, притянувшись к шару, заимствует часть его электричества, электризуется и отталкивается от шара. Опустившись на землю, перо отдает земле захваченную им порцию электричества и снова приобретает способность притягиваться к шару.
Коснувшись серного шара, перышко захватывает новую порцию электричества, какая только может поместиться на перышке, и опять несет его на землю. Так, подобно носильщику, перышко перетаскивает электричество от серного шара в землю.
Из этого опыта родилось представление об электрическом заряде как о порции электричества, которая может поместиться на том или ином предмете. На крупном предмете, вроде серного шара, заряд большой, а на крохотной пушинке - маленький.
После было установлено, что заряд, полученный от трения на стекле или на сере, не может сам по себе передвигаться по их поверхности; он долго сохраняется в тех местах, где возник. Нужно коснуться такого места, чтобы частично снять заряд.
Далее выяснилось, что те предметы, которые не удавалось наэлектризовать трением, когда держали их в руке, прекрасно электризуются, если их поместить на подставку из вещества, легко заряжающегося трением.
При этом оказалось, что заряд растекается по всей поверхности таких предметов, а не связан с тем местом, которое подверглось натиранию. Эти вещества были названы проводниками заряда. Стало понятно, почему сначала заряды на них не были замечены,- они просто стекали на другие предметы.
Вещества, по которым заряды не могли перемещаться, тогда были названы изоляторами. Они позволяли уединить, задержать заряд, возникающий на проводнике, не давали ему растекаться по окружающим предметам.
Электричество и магнетизм в XVII в. Нам осталось рассмотреть достижения доныотоновской физики в области изучения электричества, магнетизма и света. Младенческая пора в истории электричества и магнетизма заканчивается Портой. Новая эра в изучении электромагнитных явлений открывается знаменитым сочинением Гильберта (Вильям Гильберт, придворный врач английской королевы Елизаветы, родился в 1540 г., умер в 1603 г.) «О магните, магнитных телах и о большом магните. Новая физиология» (1600 г.).
Отказавшись от фантастических домыслов и басен, Гильберт в своих исследованиях применяет к электрическим и магнитным явлениям экспериментальный метод. Результаты, полученные им таким путём, поистине замечательны.
Вопреки общепринятому в то время мнению, по которому компас направляется к некоторой небесной точке, Гильберт полагает причиной направляющего действия на магнитную стрелку магнетизм Земли. Для проверки своей теории он изготовляет намагниченный шар и показывает, что магнитная стрелка, на этом шаре ведёт себя, как компас на земной поверхности, наклоняясь на разных широтах, под разными углами. Значительно труднее Гильберту было объяснить магнитное склонение, так как он полагал, что географические и магнитные полюса, совпадают. Ему пришлось допустить, что вода океанов, немагнитна, что и обусловливает отклонение стрелки вблизи берегов.
Продолжая исследование магнитных явлений, Гильберт открыл магнитную индукцию. Он установил, что стальной якорь усиливает магнитное действие, что железо и сталь намагничиваются влиянием, причём сталь сохраняет магнитные свойства. Ему удалось намагнитить железные проволоки магнитным полем Земли. Наконец, ему же принадлежит открытие факта неотделимости магнитных полюсов.
Обратившись к электрическим явлениям, Гильберт нашёл, что свойством притяжения обладает не только натёртый янтарь, а и ряд других тел (алмаз, сапфир, аметист, горный хрусталь, сланцы, сера, смолы и др.), которые он назвал электрическими, введя, таким образом, этот термин в науку. Ему удалось наэлектризовать свыше двух десятков тел. Другие же тела, и в первую очередь металлы, как он полагал, не электризуются. Сравнение электрических и магнитных явлений привело Гильберта к убеждению в глубоком их различии. Своё мнение он обосновывал следующими; доводами:
1) Электрические свойства возбуждаются (трением), магнитные же присущи намагниченным телам по природе.
2) Магнитные действия бывают двух родов: притягательные и отталкивательные, электрические же - только притягательные (электрических отталкиваний Гильберт не знал).
3) Электрические притяжения слабее магнитных, но зато универсальны.
4) Электрическую силу можно уничтожить влажностью, магнитную - нет.
В соответствии с этим Гильберт полагает, что магнетизм, так же как. и тяжесть, есть некоторая изначальная сила, исходящая из тел, в то время, как электризация обусловлена выжиманием из пор тела особых истечений, в результате трения. Роль обеих этих сил в природе оказывается, таким, образом, глубоко различной. Это подчёркивание Гильбертом различной природы электричества и магнетизма наложило глубокий отпечаток на, всю последующую историю электромагнетизма, в которой до Ампера и Фарадея обе группы явлений рассматривались изолированно друг от друга.
Сочинение Гильберта явилось уникумом, и в XVII в. к его результатам было добавлено мало. Галилей в «Диалоге» подтверждает наблюдение Гильберта об усилении действия магнита арматурой и в следующих замечательных выражениях характеризует историческую роль Гильберта:
«Воздаю хвалу, дивлюсь, завидую Гильберту. Он развил достойные удивления идеи о предмете, о котором трактовало столько гениальных людей, но который ни одним из них не был изучен внимательно. Высочайшей похвалы заслуживает он, по мнению моему, за то, что произвёл такое количество новых и точных наблюдений, к посрамлению пустого и лживого автора (Галилей имеет в виду Порту), который не только пишет о том, что сам знает, но передаёт всё, что пришло к нему от невежественных глупцов, не заботясь проверить опытом сообщённое и, повидимому, затем, чтобы книга была толще. Гильберту недостаёт только побольше математики и особенно геометрии. Большое знакомство с нею не позволило бы ему так решительно признавать доказательством те основания, которые он приводит как причину фактов, им правильно наблюдавшихся.
Я не сомневаюсь, что со временем эта отрасль науки сделает успехи как вследствие новых наблюдений, так и в особенности вследствие строгой методы доказательств. Но это не умаляет славы первого изобретателя. Я первого изобретателя лиры - как ни груб по устройству и звуку был его инструмент - ставлю не только не ниже, а много выше сотни других художников, которые довели эту отрасль до совершенства. Другие основательно, по мнению моему, первых изобретателей благородных инструментов причисляли к богам… От простейших вещей восходить к великим открытиям и под первыми ребяческими очертаниями предчувствовать скрытое удивительное искусство не дело дюжинных людей: такие прозрения и мысли принадлежат гениям сверхчеловеческой силы».
Поразительна прозорливость Галилея, предугадавшего развитие математической теории электромагнитных явлений и правильно оценившего основоположное значение работ Гильберта. Труды «дюжинных людей» XVII в., вроде «Магнитного искусства» Кирхера (1634) и «Магнитной философии» Кабео (1639), представляют шаг назад по сравнению с творением Гильберта. Описание забав и фокусов (вроде «магнитного ежа») сочетается в них с фантастическими вымыслами, схоластическими теориями и с крупицами действительных наблюдений. Только Герике, построившему прообраз электрической машины (серный шар, вращавшийся на железной оси, электризовался трением об руку), удалось сделать существенные наблюдения: электрическое отталкивание и распространение электрической силы по проводнику, но его открытия остались незамеченными.
Значительно больших результатов, представляющих большой практический интерес, удалось достичь в области земного магнетизма. В 1625 г. Генри Геллибранд открывает вариацию магнитного отклонения и результаты своих наблюдений опубликовывает в 1635 г. С тех пор становится ясной необходимость систематического изучения элементов земного магнетизма. Многолетние наблюдения и экспедиции делают особенно ценными работы Галлея, опубликовавшего первые карты с изогоническими линиями и выдвинувшего теорию вариации склонения. Работы Галлея падают на последние годы века (1683-1702) и завершают первый круг в развитии учения о земном магнетизме.