Краткий очерк истории кристаллографии

Кристаллом древние греки называли лед, а затем горный хрусталь (прозрачная разновидность кварца), который считали окаменевшим льдом. Позднее, начиная с XVII века, кристаллами стали называть все твердые тела, имеющие природную форму многогранника. Такие многогранники ограничены плоскостями - гранями, которые пересекаются по прямым линиям - ребрам. В общем случае кристаллы отличаются друг от друга, но все они имеют общее свойство - упорядоченное периодическое внутреннее строение. Данное свойство потребовало для строгого описания кристаллов привлечения математического аппарата. Именно с этого и началось становление кристаллографии как науки.

Известна дата возникновения научной кристаллографии. В 1669 году выдающийся датский исследователь, анатом и геолог Николас Стено (Нильс Стенсен, 1638-1686) сформулировал закон, который называют законом постоянства гранных углов, а также основным законом кристаллографии - «в кристаллах одного вещества углы между соответственными гранями всегда одинаковы». Это фундаментальный закон, который есть и всегда будет актуальным. Замерив углы между соответствующими гранями, без химического анализа можно установить вещество, слагающее кристалл.

Удивительна научная интуиция одного из основоположников отечественной науки М.В. Ломоносова (1711-1765). В годы его жизни не существовало сколь-нибудь правильных представлений о строении вещества из атомов и молекул. Тем не менее Михаил Васильевич совершенно верно сформулировал гипотезу о связи внешней формы кристаллов с внутренним строением их вещества.

В 1774 году французский кристаллограф и минералог, почетный иностранный член Петербургской Академии наук Рене Жюст Гаюи (Аюи, 1743-1822), сформулировал закон целых чисел (закон Гаюи) - «положение любой грани кристалла в пространстве может быть выражено тремя целыми числами». В 1783 году французский минералог и метролог Жан Батист Луи Роме-де-Лиль (1736-1790) в своем труде «Кристаллография, или описание форм, присущих всем телам минерального царства» обобщил накопленный опыт описания минеральных форм.

Внутреннее упорядоченное строение обусловливает симметрию внешней формы кристаллов. Как отмечалось, для корректного описания симметрии необходимо знать математику. В XIX веке кафедры геологии в России входили в состав естественно-научных факультетов. Математика здесь не преподавалась совсем, а физика - в очень малом объеме. Поэтому не удивительно, что первым основы теории симметрии внешних форм кристаллов разработал специалист в области артиллерии, русский исследователь А.В. Гадолин. Этапными и абсолютно самостоятельными исследованиями этой теории являются работы французского естествоиспытателя и математика Огюста Бравэ (1811-1863), немецкого математика Артура Морица Шёнфлиса (1853-1928), русского кристаллографа и минералога Е.С. Федорова. Е.С. Федоров в классическом труде «Симметрия правильных систем фигур» (1890) впервые вывел 230 возможных пространственных групп симметрии. Кроме того разработал метод кристаллографического исследования с помощью созданного им прибора - «федоровского столика»; заложил основы кристаллохимического анализа.

Аксель Вильгельмович Гадолин (1828-1892), русский ученый в области артиллерийского вооружения, механической обработки металлов, минералогии и кристаллографии, действительный член Петербургской АН, генерал от артиллерии.

Евграф Степанович Федоров (1853-1919), русский ученый, один из основоположников современной структурной кристаллографии, геометр, петрограф, минералог и геолог, академик Российской АН.

Е.С. Федоров и немецкий минералог Пауль Грот независимо друг от друга и практически одновременно (на рубеже XIX-XX веков) сформулировали положение, которое в настоящее время называется «закон Федорова - Грота». Суть его в следующем - «чем сложнее химический состав кристаллического вещества, тем обычно ниже симметрия его кристаллов» [15]. Действительно, из большого количества различных материальных частиц (сложный химический состав) гораздо труднее построить высокосимметричную структуру, чем из ограниченного числа одинаковых элементов (простой состав). Из закона Федорова - Грота существуют многочисленные исключения. Например, сложные по составу минералы группы гранатов кристаллизуются в высшей категории симметрии и т. д. Поэтому данный закон правильнее понимать как общую тенденцию в строении кристаллических веществ. Статистически установленное распределение минеральных видов по категориям симметрии имеет вид: низшая категория - 61,0 %, средняя - 26,5 %, высшая - 12,5 %.

Работы указанных исследователей - Н. Стено, М.В. Ломоносова, Р. Гаюи, Ж. Роме-де-Лиля, А.В. Гадолина, О. Бравэ, А. Шёнфлиса, П. Грота, Е.С. Федорова - преимущественно связаны с внешней формой кристаллов - геометрическая кристаллография. Приведенный список выдающихся исследователей в этой области далеко не исчерпывающий. Рекомендуем заинтересованным студентам самостоятельно его пополнить.

В ноябре 1895 года немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923) открыл излучение, позже названное его именем - рентгеновские лучи. В 1912 году немецкий физик Макс Феликс Теодор фон Лауэ (1879-1960) впервые применил эти лучи для исследования внутреннего строения кристаллов. С этого момента кристаллография получила новый метод исследования - рентгеноструктурный анализ, который позволяет определять межатомные расстояния в кристаллах. От исследований внешней формы кристаллов, проведенных в XVIII-XIX веках, кристаллография перешла к точным исследованиям внутреннего строения вещества.

Традиционно считается, что первая работа по расшифровке внутренней структуры кристаллов выполнена английскими физиками отцом Уильямом Генри (1862-1942) и сыном Уильямом Лоренсом (1890-1971) Брэггами в 1913 году. Оба исследователя получили за эту работу Нобелевскую премию. Отметим, что параллельно и независимо от Брэггов также в 1913 году русский исследователь Г.В. Вульф применил открытый М. Лауэ закон интерференции рентгеновских лучей, отраженных атомными плоскостями кристаллов, и вывел основную формулу рентгеноструктурного анализа. В настоящее время эта формула называется уравнением Вульфа - Брэггов.

Георгий Викторович Вульф (1863-1925), кристаллограф, кристал- лофизик, член-корреспондент АН СССР.

С середины XX века кристаллография разделяется на области знания, связанные между собой единым подходом, но сосредоточенные на разных объектах. К таким объектам относятся геология, химия, металлургия, физика и химия твердого тела, петрофизика, теория прочности и пластичности, электроника и др. Отметим, что современные исследования кристаллографии относятся не только к объектам неживой природы, но и к области биофизических и биохимических объектов - вирусы, белки и т. д. Достигнуть современного уровня развития перечисленных и других наук было бы невозможно без широкого использования результатов кристаллографических исследований.

В России (СССР) А.В. Шубниковым, учеником Г.В. Вульфа, организован первый в мире институт кристаллографии; в настоящее время - Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН (ИК РАН).

Алексей Васильевич Шубников (1887-1970), советский кристаллограф, академик АН СССР, Герой Социалистического Труда.

Три основных направления работы ИК РАН отражают современное состояние кристаллографии в России:

  • • нано- и биоорганические материалы: получение, синтез, структура и свойства, методы диагностики с использованием рентгеновского излучения, электронов, нейтронов и атомно-силовой микроскопии;
  • • фундаментальные аспекты образования кристаллических материалов и наносистем, их реальная структура и свойства;
  • • новые кристаллические и функциональные материалы.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >