Основные этапы развития минералогии и кристаллографии

Минералогия — самая древняя геологическая наука. Старинное слово «minera» (лат.) обозначает штуф, кусок руды. Еще в глубокой древности, на заре развития человеческого общества, появилась необходимость использования людьми ряда камней — минералов и минеральных агрегатов в качестве орудий труда, руды — для изготовления оружия в борьбе с врагами, а позднее — для хозяйственных и культурных нужд.

О времени зарождения минералогии, являющейся составной частью учения о полезных ископаемых, говорят находки медных изделий, обнаруженных в Египте и Передней Азии в IV тыс. до н. э. Золото стало известно людям еще раньше. К. Маркс считает золото первым металлом, открытым человеком.

С разработкой руд возникла необходимость распознавания и изучения минералов и различных полезных ископаемых. Так зародилась наука минералогия.

Наиболее раннее упоминание о минералах имеется в труде китайского ученого Сан Хей-дина «Древние сказания о горах и людях» (500 г. до н. э.). В манускрипте упоминается 17 минералов, главным образом, самородных металлов.

Археологические исследования показали, что в палеолите первобытный человек знал около 20 минералов, в неолите их количество увеличилось до 40. В истории развития человеческого общества знакомство людей с различными металлами обусловило переход от каменных изделий к культуре меди, бронзы и железа.

Одной из первых специальных работ по минералогии был трактат «О камнях» греческого философа Теофраста (372—287 гг. до н. э.). В нем он описывал несколько десятков минералов и минеральных веществ, подразделив их на металлы, камни и земли. В труде приводятся данные о свойствах минералов, способах их извлечения, обработки и применения, также описаны месторождения этих минералов.

Римский ученый Плиний-старший, погибший при извержении Везувия в 79 г., приводит интересные сведения о всех известных к тому времени минералах в четырех трактатах.

Значительные успехи в развитии минералогии были достигнуты на Востоке в X—XI вв. Большой вклад в минералогию внес среднеазиатский ученый, врач, философ Ибн-Сина (Авиценна, 980—1037). Авиценна создал первую классификацию минеральных тел, общепринятую в Европе до конца XVIII в. Он написал сочинение «Книга исцеления», где изложены основы естествознания. Все минералы Авиценна подразделил на четыре группы: камни и земли, серные минералы, металлы, соли. В книге дается характеристика минералов и указывается их происхождение.

Ученый из Хорезма Аль-Бируни (972—1048) вошел в историю минералогии как первый ученый, использовавший точные физические константы в описании драгоценных камней и металлов. Он написал труд «Собрание сводок для познания драгоценностей», где приводится описание 36 минералов, включая органические соединения (жемчуг, камни мускусных животных) и искусственные камни (стекло, эмаль, фарфор), а также 12 металлов (в том числе, некоторые сплавы).

В дальнейший период развития минералогии от Аль-Бируни до XVIII в. значительный вклад сделал чешский ученый Георгий Бауэр (1494—1555), известный под именем Агрикола. Занимаясь изучением условий залегания рудных тел и горной практикой, Агрикола обобщил большой фактический материал. Он написал несколько трудов: «О природе ископаемых» (1546), «О происхождении минералов» (1546), «О горном деле» (1550) и др. Его работы представляли полную сводку всех имевшихся в то время данных по минералогии, геологии, рудному делу и металлургии.

Агрикола впервые четко разделил минералы и горные породы. Среди минералов он выделяет земли, соли, драгоценные камни, металлы и прочие минералы. Особое внимание в своих работах Агрикола уделяет характеристике диагностических свойств минералов: морфологии, твердости, цвету, спайности, блеску и т. д.

Крупный ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи в 1502 г. опубликовал минералогический трактат, где приводит описание ряда минералов и их свойств: твердости, плотности, степени прозрачности, формы и др. В своей работе Леонардо да Винчи дает советы, как отличать настоящие драгоценные камни от поддельных.

К XV—XVII вв. относится становление минералогии как науки. Впервые термин «минералогия» употребил в 1636 г. итальянский ученый Б. Цезий применительно к науке о полезных ископаемых.

XVII в. характеризуется дальнейшим накоплением фактического материала по рудам и различным минералам. Естествознание в этот период носит описательный характер. Наряду с этим появляются работы, вносящие новый вклад в развитие минералогии. В конце XVII в. профессор Копенгагенского университета Э. Бартолин (1625—1698) обнаруживает двойное лучепреломление в исландском шпате и способность его при ударе раскалываться на одинаковые многогранники (свойство спайности), а его соотечественник Н. Стеной (1636—1686) открывает на кристаллах кварца и гематита закон постоянства гранных углов (1669), закладывая основы новой науки кристаллографии. Интересно отметить, что открытия Бартолина не были признаны при его жизни. Назначенная Английским королевским обществом проверочная комиссия, куда входили такие известные ученые, как И. Ньютон, Р. Гук, Р. Бойль и др., сочла обнаруженные явления случайными, а законы — несуществующими.

Бурное развитие промышленного капитализма в XVIII—XIX вв. стимулирует значительный рост многих отраслей науки и промышленности. Получают мощный толчок такие науки, как физика и химия, которые, в свою очередь, определяют ускоренное развитие минералогии и возникновение кристаллографии.

Впервые термин «кристаллография» предложил для названия «науки о кристаллах» швейцарский ученый М. Капеллер в 1723 г.

Основоположником минералогии в России по праву считают М.В. Ломоносова (1711—1765). Широко известны труды Ломоносова: «О слоях земных» (1757), «Слово о рождении металлов от трясения земли» (1757), «Первые основания металлургии или рудных тел» (1763). В работах Ломоносова отражаются его материалистические взгляды на геологические процессы, на строение кристаллического вещества, на генезис минералов и даются конкретные рекомендации горщикам и рудознатцам — исследователям минеральных богатств.

М.В. Ломоносов составил (1745) первый русский каталог минералов, собранных в коллекции Академии наук, начало которой было заложено Петром I в его знаменитой кунсткамере. Ломоносов, развивая закон постоянства граниых углов кристаллов, сформулированный Н. Стеноном, связал его с внутренним строением селитры (1749). К этому же периоду относится составление классификации минералов как химических соединений шведским химиком А. Кронштедтом (1722—1765). Для изучения минералов он использовал метод паяльной трубки.

В XVIII в. в России в Академии науки Московском университете, основанном в 1755 г. Ломоносовым, минералогия получает свое дальнейшее развитие. Следует отметить заслуги академика К.Г. Лаксмана (1737—1796) и его ученика Ф.П. Моисеенко (1754—1781) в минералогии.

На Западе в это время наблюдается расцвет так называемой естественно-исторический школы профессора Фрайбергской горной академии А.Г. Вернера (1750—1817). Вернер создал новую классификацию минералов, основывающуюся на внешних признаках минералов. Его ученик австрийский минералог Ф. Моос (1773—1839) составил 10-балльную шкалу твердости минералов. С именем Вернера связано выделение из минералогии геогнозии (так именовалась ранее геология), кристаллографии и несколько позже петрографии и палеонтологии.

Значительный вклад в развитие минералогии внес русский академик В.М. Севергин (1765—1826). Он осуществил замысел своего предшественника и учителя Ломоносова по созданию минералогического описания России. Севергин написал ряд работ по минералогии, главнейшие из них: «Опыт минералогического землеописания Государства Российского», «Подробный словарь минералогический», «Первые основания минералогии или естественной истории тел», «Новая система минералов, основанная на наружных отличительных признаках». Севергин в приводимой классификации минералов пытается применить химические принципы. Он впервые вводит понятие о парагенезисе минералов, употребляя термин «смежность минералов».

Конец XVIII и XIX вв. характеризуется бурным развитием горной промышленности как в России, так и за рубежом. В 1773 г. в Петербурге создается Горное училище (теперь — Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»). В 1817 г. основывается «Минералогическое общество», а в 1819 г. — университет. Большие исследования проводит минералогическая школа Горного училища, созданная Д.И. Соколовым (1788—1852), последователем Се- вергина. Соколов считает химический состав главным фактором, определяющим все свойства минералов.

Продолжавшиеся исследования в области строения кристаллов позволили французскому ученому Роме де Лилю (1736—1790) сформулировать закон постоянства гранных углов для всех кристаллов в работе «Опыт кристаллографии» (1772). Позднее, в 1783 г., он опубликовал трактат «Кристаллография, или описание форм, присущих всем телам минерального царства». Это были первые крупные работы по кристаллографии.

В XIX в. происходит развитие главным образом описательной минералогии. Минералогия окончательно становится наукой о минералах. В минералогии развивается два направления: кристаллографическое, базирующееся на изучении геометрических форм кристаллов, и химическое, основывающееся на исследовании химического состава минералов.

Представителями кристаллографического направления в минералогии были: во Франции — Р.Ж. Гаюи (1743—1822), О. Бравэ (1811—1863); в Германии — Х.С. Вейс (1780—1856); в Англии — У.Х. Миллер (1801—1880); в России — Н.И. Кокшаров (1818—1892), А.В. Гадолин (1828—1892), П.В. Еремеев (1830—1899).

В 1831 г. в Лейпциге была издана книга немецкого минералога И. Гесселя «Кристалл», где был приведен полный вывод всех групп симметрии конечных фигур. Работа была написана тяжелым языком, со многими опечатками и не привлекла к себе внимания современников. В 1862 г. Гессель опубликовал статью о выводе 32 групп кристаллографической симметрии, которая также осталась незамеченной.

В 1867 г. Гадолин вывел независимо от Гесселя чисто теоретически 32 вида симметрии кристаллов и разработал математические основы кристаллографии. Им была написана работа «Вывод всех кристаллографических систем и их подразделений из одного начала» (1867). Выводы Гадолина были приняты кристаллографами всего мира и используются без существенных изменений до сих пор.

Известный русский минералог Кокшаров в 1885 г. опубликовал 11-томный труд «Материалы для минералогии России». Кокшаров и Еремеев возглавляли в Петербурге Российское минералогическое общество и преподавали в Горном институте. Еремеев был редактором 22 томов записок Минералогического общества и 14 томов «Материалов для геологии России».

Химическое направление разрабатывали шведский ученый И.Я. Берцелиус (1779—1848), немецкие ученые Э. Мичерлих (1794—1863), П. Грот (1843—1927), профессор Венского университета Г. Чермак (1836—1927). Работы ученых данного направления помогли установить точный химический состав многих минералов и разработать методику химического анализа.

Современное развитие кристаллографии и минералогии началось с конца XIX в. Начало этому положили работы Е.С. Федорова (1853—1919) о законах построения кристаллов. В 1890 г. Федоров установил 230 возможных пространственных групп или способов расположения атомов в кристаллах. К такому же открытию пришел в 1891 г. немецкий кристаллограф А. Шенфлис. Этот вывод практически подтвердил М. Лауэ в 1912 г. после открытия рентгеновского излучения.

В течение многих лет Федоров занимался вопросами взаимозависимости внутреннего строения кристаллов с их химическим составом и свойствами. Им был написан ряд ценных работ: «Симметрия правильных фигур» (1891), «Теодолитный метод в минералогии и кристаллографии» (1893), «Курс кристаллографии» (1897), «Основания петрографии» (1897) и др.

Федоров изобрел теодолитный гониометр и универсальный столик, известный под названием «федоровского столика». Эти изобретения стимулировали дальнейшее развитие кристаллографии и минералогии: первое позволило установить пространственное расположение граней кристалла, второе — послужило основой для точных кристаллооптических исследований минералов. Данные приборы до сего времени используются кристаллографами всего мира. Федоров создал новое направление исследований, так называемый кристаллохимический анализ, дающий возможность по внешней форме кристалла определять его химический состав.

Детальные минералогические исследования во второй половине XIX в. получили успешное развитие благодаря достижениям микроскопического метода исследования, основы которого заложили А.А. Иностранцев (1843—1919), А.П. Карпинский (1847—1936), Г. Сорби (1826—1908), К. Розенбуш (1836—1914) и др.

Значительную роль в развитии кристаллографии сыграли фундаментальные сводки, которые сделали немецкие ученые П. Грот и В.М. Гольдшмидт (1853—1933). Грот написал «Физическую кристаллографию» и 5-томную «Химическую кристаллографию». Гольдшмидт опубликовал 10-томный «Атлас кристаллических форм», где собрал все ранее публиковавшиеся изображения кристаллов минералов.

Открытие Х-лучей В. Рентгеном (1895), явлений естественной радиоактивности А. Беккерелем (1896) и дифракции рентгеновских лучей в кристаллах М. Лауэ (1912) обеспечили широкие перспективы для становления раздела кристаллографии — кристаллохимии, изучающей связь состава и внутреннего строения кристаллов. Открытие Лауэ позволило измерить расстояние между материальными частицами кристаллической решетки.

В 1913 г. английский ученый У. Брэгг и русский кристаллограф Г.В. Вульф вывели формулу, которая связывала межплоскостные расстояния в кристаллах с длиной волны рентгеновских лучей. Эта формула (Брегга — Вульфа) до сих пор является основной формулой рентгеноструктурного анализа, давшего возможность изучать атомную структуру кристаллов.

Основы кристаллохимии заложили русский ученый Ю.В. Вульф (1863—1925) норвежский ученый В.М. Гольдшмидт (1888—1947).

Важным этапом в развитии минералогии считается возникновение новой науки — геохимии. Основоположниками этой науки являются русские ученые В.И. Вернадский (1863—1945) и А.Е. Ферсман (1883—1945), американский геохимик Ф.У. Кларк (1847—1931) и норвежец Гольдшмидт. Вернадский рассматривал минералы как продукты природных химических реакций, протекающих в определенных физико-химических условиях. Изучение геологических процессов, генезиса минералов и минеральных ассоциаций позволило ему заложить основы геохимии и генетической минералогии.

В возникновении геохимии как науки сыграло решающее значение открытие Д.И. Менделеевым (1834—1907) периодического закона химических элементов (1869). Большой вклад в развитие геохимии и минералогии сделал Ферсман, прекрасный знаток минеральных богатств нашей страны и зарубежных месторождений. Им написаны фундаментальные труды и популярные работы по геохимии и минералогии: «Геохимия» (в 4-х томах), «Пегматиты», «Очерки по истории камня» (в 2-х томах), «Драгоценные и цветные камни России», «Занимательная минералогия», «Цвета минералов», «Рассказы о самоцветах» и др.

В XX столетии появился целый ряд крупных минералогов, кристаллографов, геохимиков и других специалистов-геологов, внесших неоценимый вклад в развитие геологической науки. К ним относятся Я.В. Самойлов, А.К. Болдырев, С.С. Смирнов, П.П. Пилипенко, В.П. Виноградов, Д.Д. Дэна, Е.С. Дэна, Д.И. Щербаков, И.И. Гинзбург, А.А. Сауков, А.В. Шубников, Г.М. Попов, И.И. Шафрановский, Ф. Махачка, Г. Штрунц, Н.В. Белов, А.Г. Бе- техтин, В.И. Смирнов, И. Костов, Е.К. Лазаренко, Н.А. Смольянинов, Г.В. Бокий, Е.Е. Флинт, А.Н. Заварицкий, Д.С. Коржинский, Д.С. Белянкин и многие другие. Этими учеными написаны фундаментальные труды, составляющие основы современной кристаллографии, минералогии и смежных с ними наук. Главнейшие из них в качестве справочной литературы приводятся в конце книги.

В минералогии и кристаллографии наряду с традиционными методами исследования широкое применение нашли точные методы изучения минералов и кристаллов — рентгеноструктурные, инфракрасной спектроскопии, электронной микроскопии и др.

Значительное развитие получила кристаллохимия в результате фундаментальных работ по расшифровке структур силикатов, проведенных академиком Беловым. Появилась возможность создания новых искусственных соединений с заданными свойствами — возникла новая ветвь в минералогии и кристаллографии — синтез минералов. Известно, что природные кристаллы часто загрязнены, имеют примеси, недостаточно крупные. Поэтому ученые разработали методы искусственного выращивания в лабораториях и в заводских условиях необходимых промышленности кристаллов: алмаза, рубина, сапфира, кварца, сегнетовой соли и т. д.

Человек научился создавать и такие соединения, каких не было в природе. Так, для промышленности полупроводниковых кристаллов получены германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия, фосфид галлия и ряд других. В связи с развитием космической техники получена возможность выращивать кристаллы в космических кораблях в условиях невесомости и глубокого вакуума. Так, были выращены полупроводниковые монокристаллы селени- да и теллурида германия. Они отличаются своей однородностью и имеют размеры, в десять раз превосходящие кристаллы, полученные в земных лабораториях. Антимонид индия, выращенный в космосе, обладает высокой однородностью и структурным совершенством, а нитевидные кристаллы сапфира, полученные в космической лаборатории, характеризуются высочайшей прочностью, в десятки раз превосходящей прочность земных кристаллов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >