§ 264. Кристаллические тела

Вооружимся лупой и внимательно рассмотрим какое-нибудь порошкообразное тело (соль, сахарный песок, соду, лекарственные порошки и т. п.). Мы увидим, что отдельные крупинки этих порошков представляют собой тела, ограниченные плоскими, как бы шлифованными гранями. Эти грани образуют между собой определенные углы, у разных веществ, вообще говоря, разные (рис. 439). Наличие таких естественных граней служит признаком того, что вещество находится в кристаллическом состоянии.

Рис. 439. а) Кристаллик льда имеет форму шестиугольной призмы, боковые грани которой образуют углы . б) Кристалл поваренной соли имеет форму куба

Иногда тело представляет собой один кристалл. Примером этого могут служить крупинки сахарного песка. Такие тела называют монокристаллами или просто кристаллами. Некоторые вещества могут образовывать весьма большие кристаллы (рис. 440), иногда очень правильной формы. В других случаях тело представляет собой множество мелких, причудливым образом сросшихся между собой кристаллов, иногда чрезвычайно мелких. Примером этого может служить кусок сахара-рафинада, кусок любого металла и т. п. Такие тела называют поликристаллическими.

Рис. 440. Крупный  кристалл кварца (горного хрусталя), найденный на Урале

Естественное образование граней на кристалле — только один из признаков кристаллического состояния вещества. Наиболее общим признаком является различие физических свойств тела по разным направлениям. Прежде всего бросается в глаза неодинаковая механическая прочность в разных направлениях кристалла. Кристаллы легче всего раскалываются по определенным плоскостям. Например, кристаллы слюды, имеющие вид тонких пластинок, очень легко разделяются на еще более тонкие пластинки. Если разбить кристалл соли, показанный на рис. 439, б, то получатся более мелкие кристаллы той же формы. Тела, состоящие из одного или нескольких одинаково расположенных кристаллов, легче деформируются в одном направлении, чем в другом. Это, например, относится к кускам льда (рис. 441). По своим механическим свойствам брусок из озерного или речного льда похож на стопу стеклянных пластин, соединенных не вполне затвердевшим клеем.

Рис. 441. а) Брусок , вырезанный определенным образом из большого кристалла льда, положенный на две опоры, при действии на его середину силы  медленно прогибается, б) Такого же размера брусок , вырезанный в направлении, перпендикулярном к направлению , при действии той же силы  сохраняет свою форму, а при увеличении силы разрушается

Теплопроводность некоторых кристаллов по различным направлениям также неодинакова. Покроем кристаллик гипса и стеклянную пластинку тонким слоем парафина и прикоснемся к ним накаленной иглой. Мы увидим, что вокруг иглы парафин расплавится, причем площадь, где парафин расплавился, на кристалле имеет вид эллипса (рис. 442), в то время как на стекле получается круг. Это и доказывает, что, в отличие от стекла, кристалл гипса проводит тепло в разных направлениях неодинаково.

Рис. 442. а) При прикосновении раскаленной иглы к точке  тонкой пластинки на противоположной стороне плавится парафин, б) Пластинка — кристалл гипса; площадь, на которой расплавился парафин, имеет форму эллипса, в) Пластинка стеклянная; площадь имеет форму круга

Многие кристаллы при нагревании расширяются неодинаково в разных направлениях. Для характеристики таких кристаллов в отношении теплового расширения требуется знать не один, а три коэффициента линейного расширения (например, по трем взаимно перпендикулярным направлениям). Интересно отметить, что некоторые кристаллы при нагревании по одним направлениям расширяются, а по другим сжимаются (в этих направлениях коэффициенты линейного расширения являются отрицательными величинами; примерами таких кристаллов являются кристаллы графита или теллура). Оптические и электрические свойства кристаллов также зависят от направления.

Образование плоских граней у кристаллов — проявление сходного свойства кристаллов в отношении роста. Если бы кристалл рос по всем направлениям с одинаковой скоростью, то, очевидно, получилось бы тело в форме шара. Надо отметить, что зависимость свойств кристаллов от направления не всегда имеет место для всех свойств. Например, кристалл меди, имеющий форму куба, характеризуется по всем направлениям одной и той же электропроводностью и теплопроводностью, но упругость его зависит от направления.

В отношении различия свойств по разным направлениям кристалл напоминает собой кусок дерева. Дерево тоже легко раскалывается вдоль волокон, тогда как в направлении, перпендикулярном к волокнам, оно значительно более прочно. Дерево также имеет различную теплопроводность в разных направлениях (вдоль волокон и поперек их) и т. д. Однако между свойствами кристалла и дерева есть очень важное различие.

Строение дерева в середине ствола и в его наружных частях различно; ствол имеет сердцевину, вблизи нее годовые кольца малы, вдалеке — больше. Таким образом, дерево неоднородно. Кусок дерева от сердцевины имеет одни свойства, годен на одни поделки; кусок, близкий к коре, имеет более плоские слои и подходит для других изделий (рис. 443). Кристаллы же — совершенно однородные тела. У кристалла нет «середины», все части куска кристалла имеют одни и те же свойства.

Рис. 443. Строение дерева вблизи сердцевины и вблизи края различно

Все вышесказанное относится к монокристаллам. С поликристаллическими телами дело обстоит иначе. Так как они представляют собой беспорядочные скопления много численных мелких кристаллов, то однородность их значительно меньше, чем у монокристаллов. С другой стороны, в поликристаллах не наблюдается различия в свойствах по разным направлениям. Объясняется это тем, что по любому направлению, проведенному внутри тела, встречается множество кристалликов, повернутых самым различным образом. Поэтому электропроводность, теплопроводность и вообще любое свойство тела являются некоторой средней величиной, относящейся ко всем этим многочисленным кристалликам. Это среднее значение одинаково для всех направлений внутри тела.

Размеры кристалликов, из которых состоит поликристаллическое тело, существенно влияют на прочность этого тела. Один и тот же материал (например, сталь определенного состава), состоящий из мелких кристалликов, обычно прочнее, чем тот же материал, состоящий из более крупных кристалликов. Если, например, в вольфрамовой нити, из которой изготовляют волосок лампы накаливания, образуется кристаллик настолько большой, что он займет все сечение нити, то волосок сломается непременно в этом месте. Иногда кристаллики, срастаясь между собой, образуют волокна. Это способствует увеличению прочности. Мы видим теперь, что строение поликристаллического тела имеет огромное значение для техники.

Итак, поликристаллическое тело с беспорядочно расположенными кристалликами по своим свойствам похоже на некристаллическое тело. Это было одной из причин, почему раньше считали, что кристаллическое состояние не очень распространено в природе. В 1912 г. был открыт новый способ исследования строения тел — при помощи рентгеновских лучей. Этим методом было установлено, что подавляющее количество окружающих нас тел — все металлы, все минералы, растительные волокна, белковые вещества, сажа и т. д. — состоит из кристаллов, иногда настолько, мелких, что их нельзя рассмотреть даже в микроскоп, дающий большое увеличение.

264.1. Рассмотрите в сильную лупу изломы разных металлов: чугуна, меди и т. п. Найдите в них грани мелких кристаллов, составляющих данный кусок металла.