Кристаллография

Рис. 3.3 Звезды, входящие в Южный Крест, как двумерная решетка. Очерчены возможные элементарныеячейки.

сированно. Эти мельчайшие ячейки, повторяясь в трех измерениях, образуют кристалл. Они называются элементарными ячейками структуры.

Представление об элементарной ячейке легче всего проиллюстрировать на примере двумерного рисунка, скажем такого, какой могут иметь обои. На рис. 3.3 приведен пример двумерной решетки, несколько возможных элементарных ячеек которой обведены жирной линией.

3.1.2 Кристаллические решетки

Вершины ячеек представляют собой точки с идентичным окружением в любом заданном направле-

нии. Конечно, без труда можно выбрать разные вершинные точки (например, на рис. 3.3: abdc, efhg, kjlm и т.д.), но чтобы удовлетворить требования, предъявляемые к элементарной ячейке, они должны иметь идентичное окружение по одинаковым направлениям. Такое пространственное расположение точек называется кристаллической решеткой. Двумерную решетку иногда называют плоской, чтобы отличить ее от трехмерной.

Если мы хотим определить структурную решетку кристалла, то для этого нужно прежде всего установить размеры (длины ребер) и углы между ребрами в выбранной элементарной ячейке. Обычно это наименьшая из ячеек, которую уда-

ется выбрать при условии согласия с проявляемой кристаллом полной симметрией. Длины ребер и углы между ними называются параметрами решетки. Помимо этого мы должны установить состав элементарной ячейки с точки зрения атомов или групп атомов химических элементов, слагающих данное вещество. Места их расположения определяются координатными осями, направленными вдоль ребер ячейки. В качестве примера на рис 3.4 приведена одна из элементарных ячеек решетки, представленной на рис. 3.3.

При рассмотрении всего круга кристаллических веществ становится очевидным, что размеры ребер и углы между ними могут быть бесконечно разнообразными. Атомный состав также может меняться в очень широких пределах. Однако экспериментальное изучение пространственного расположения узлов решетки показало, что число принципиально различных типов решеток ограничено. Двумерные решетки могут строиться с пространственным расположением узлов в виде следующих сеток: квадратной, прямоугольной, центрированно-прямоугольной, в форме параллелограмма или шестиугольника; последнюю можно альтернативным образом описать на основе ромбической ячейки с углами 60° (рис.3.5)1.

Как было установлено французским кристаллографом Огюстом Браве (1811-1863), число трехмерных пространственных решеток ограничивается лишь 14 основными типами. На рис. 3 6 показано по одной элементарной ячейке для каждой из 14 таких решеток Браве. Любую элементарную ячейку можно рассматривать как кирпичик особой формы. Его можно уложить вместе с другими кирпичиками, относящимися к тому же типу (и имеющими те же размеры), таким образом, что образуется бесконечная пространственная постройка без каких-либо зазоров между отдельными кирпичиками. В любом конкретном минерале кирпичики (элементарные ячейки) можно считать идентичными, хотя на самом деле у них имеются незначительные различия, описанные в разд. 4.4.4.

Рис. 3.4 Одна из элементарных ячеек, показанных на рис 3.3 (x^у = 76°, a = 30 мм, b = 20 мм) Звезды Южного Креста характеризуются следующим образом

	Координаты в мм	Координаты в единицах
		измерения α и 6
а	24, 18	0,8, 0,9
β	0,4	0,0; 0,2
Ί	4,5, 0,8	0,15, 0,4
δ	О, 16	0,0, 0,8
ε	28,5, 16,8	0,95, 0,84

Различные минеральные виды имеют элементарные ячейки разных типов, размеров и углов, если углы между ребрами не равны 90 или 120°.

Решетки Браве делятся на три группы (см. рис. 3.6):

1. Примитивные решетки P, в которых элементарная ячейка имеет узел решетки только в каждой своей вершине. Существует семь Р-решеток.

2.Объемноцентрированные решетки I (от немецкого слова mnenzentrierte), в которых узел решетки помимо того располагается в центре ячейки.

3.Гранецентрированные решетки с узлами в центрах всех граней (F-решетки) или в центрах одной пары граней (в разных случаях они называются по-разному: С — базоцентрированные, А и В — бокоцентрированные).

Существование в кристаллах только 14 типов решеток подтверждается опытным путем. Рисунок 3.7 позволяет проверить наличие дополнительных решеток в тетрагональной сингонии. Из него следует, что возможные решетки либо уже входят в число 14 решеток Браве, либо не образуют пространственного расположения узлов, при-

Рис. 3.5 Типы двумерных решеток.

Рис. 3.6 14 решеток Браве.

Рис. 3.7 Проверка возможности существования в тетрагональной системе дополнительных решеток.

сущего, согласно данному выше определению, истинной решетке.

Для описания кристаллической структуры требуется, чтобы ее решетка была определена в соответствии с имеющимися 14 типами, с дополнительным указанием размеров ребер и в необходимых случаях углов между ними.

Элементарная ячейка минерала, конечно, весьма невелика; если исходить из атомной шкалы размеров, то длины ребер ячейки составляют 0,3-0,7 HM. Посмотрим теперь, какое влияние эти крошечные ячейки оказывают на внешний облик кристаллов, который мы можем видеть и осязать.

3.1.3 Элементы внешней симметрии

Когда мы берем в руки хорошо образованный кристалл, то видим, что он обладает определенной симметрией. Для ее описания используются при веденные ниже элементы симметрии.

1. Поворотная ось. Если выбрана какая-либо ось, проходящая через объект, и в ходе его полного поворота вокруг этой оси одинаковое расположение элементов объекта наблюдается более чем один раз, то такой объект имеет поворотную ось симметрии. В кристаллах эта ось может быть двойной (второго порядка, или просто ось симметрии), тройной (третьего порядка), четверной (четвертого порядка) или шестерной (шестого порядка) осью симметрии в зависимости от того, сколько раз одна и та же картина повторяется за один полный поворот (рис. 3.8).

2. Плоскость симметрии (зеркальная плоскость). Если удается выбрать некоторую плоскость, проходящую через объект таким образом, что каждая его особенность по одну сторону плоскости имеет полностью эквивалентную особенность по ее другую сторону в зеркальном изображении, то она представляет собой плоскость симметрии (рис. 3.9).

3. Центр симметрии (см. также разд. 6.4.2). Когда каждый элемент на одной стороне объекта можно соединить проходящей через его центр воображаемой прямой на таком же расстоянии от него с аналогичным элементом на другой стороне, то этот объект имеет центр симметрии. Наличие центра симметрии можно проверить на модели кристалла следующим образом. Если положить модель на плоскость, то каждому пространственному (внешнему) углу, соприкасающемуся с плоскостью, должен соответствовать такой же угол, находящийся на противоположной (верхней) стороне

вобратной позиции (рис. 3.10).

4.Ось инверсионных поворотов (инверсионная ось). Этот элемент несколько менее очевиден, чем предыдущие. Его сущность можно описать, если представить себе случай, когда в результате поворота с последующей инверсией через центр точка попадает в новое положение, но при повторении этого приема она возвращается в исходное положение (рис. 3.11). Ин-

Рис. 3.8 Оси симметрии.

Рис. 3.9 Плоскости симметрии.

версионные оси бывают первого порядка, двойные (инверсионная ось второго порядка), третьего, четвертого или шестого порядка и обо-

Рис. 3.10 Кристалл триклинной сингонии, обладающий только центром симметрии (соответствует 1).

значаются 1,2,3,4,5,6 соответственно. Можно показать, что инверсионная ось проявляется как сочетание других, уже упомянутых элементов симметрии. Однако этот элемент является удобным дополнением к другим при различных построениях, показанных на рис. 3.37. Отметим, в частности, что 1 эквивалентно центру симметрии, а 2 — зеркальной плоскости m.

Для иллюстрации элементов симметрии на рис. 3.12 показаны те из них, которые присутствуют в основных семи типах элементарных ячеек примитивных решеток Браве. Читатель мог бы сам рассмотреть эти семь типов, используя деревянные или картонные модели соответствующей

Рис. 3.11 Инверсионные оси

формы. Ниже будет показано, что решетки, не относящиеся к примитивным (P), имеют внешнюю симметрию, соответствующую той или иной симметрии решеток P, т.е. имеется только семь различных групп симметрии.

3.2 Семь кристаллографических сингоний

Существование семи видов симметрии позволяет сгруппировать все кристаллы в семь главных кристаллографических систем (сингоний), показанных в табл. 3.1.

Любой кристалл может быть отнесен к одной изсемисингонийпутемпростогоопределенияэлементов его внешней симметрии. В большинстве случаев кристалл будет обладать полным набором элементовсимметрии,ккоторойонотносится.Однако не все кристаллы какой-либо сингоний имеют ее полную («нормальную», или голоэдрическую) симметрию. Некоторые минералы образуют кристаллы с меньшим уровнем симметрии, чем тот, который является нормальным для их системы, но с большим набором элементов симметрии, чем у сингоний, следующей ниже в упомянутой таблице. Это происходит в тех случаях, когда атомы, окружающие узлы решетки, расположены не симметрично вокруг них. Например, на рис. 3.13 показаны галит (или каменная соль NaCl) и пирит (FeS2), элементарные ячейки которых обладают кубической решеткой F. Однако если атомы Na иClможно считать расположенными сферическисимметрично вокруг узлов их решетки, то группы S2 в пирите являются вытянутыми (гантелеобраз-

Таблица 3.1 Главные кристаллографические сингоний

Сингония	Симметрия голоэдрического класса
Кубическая	3AIV	4АIII	6АII	9Р С
Тетрагональная	1AIV	4АII	5Р	С
Гексагональная	1AIV	6А"	7Р	С
Тригональная
(ромбоэдрическая)	1АIII	3АII	3Р	С
Ромбическая	3АII	3Р	С
Моноклинная	1AII	1P	С
Триклинная	С

А — ось симметрии (надстрочные римские цифры обозначают порядок оси симметрии), Р — плоскость симметрии, С — центр симметрии.

ными) и располагаются вокруг любого атома Fe в различной ориентации к ребрам ячейки, что понижает общую симметрию кристалла. Пирит, согласно приведенной на рис. 3.37 классификации, принадлежит к классу mЗ(= 2 / m З ) , и такая решетка является примитивной, а не кубической гранецентрированной F. Галит принадлежит к голоэдрическому классу mЗm, относящемуся к кубической сингоний, с кубической гранецентрированной решеткой F.

Если учитывать сказанное, то необходимо выделять дополнительные классы в пределах каждой главной сингоний с целью найти место кристаллам с симметрией ниже нормальной. Совместно с кристаллами голоэдрических классов они образуют всю совокупность 32 видов элементов симметрии, которые описывают внешнюю симметрию всех кристаллов. Эти 32 вида симметрии приведены на рис. 3.37, а объяснения к нему даны в разд. 3.7.

3.3Методика описания кристаллов

Первый шаг при описании кристалла состоит в выяснении его симметрии и определении на основании этого, к какой кристаллографической системе (сингоний) он принадлежит. В начале данной главы говорилось о кристалле, свободно подвешенном и растущем в насыщенном растворе. По всей вероятности, его симметрия будет четко различима при простом осмотре кристалла. Однако в породах и рудах кристаллы одного минерала часто образуют срастания друг с другом и с различного рода кристаллами других минералов, и их симметричный рост затрудняется взаимодействием с ними. Хорошие природные кристаллы обычно образуются на стенках жильных трещин или пустот, которые не были заполнены кристаллическим материалом вплоть до прекращения роста кристаллов. В этих случаях кристалл способен свободно развивать свои естественные грани и проявлять свою симметрию Однако даже в таких условиях закрепленный конец кристалла не образует хороших граней, а такие факторы, как, например, неравномерное поступление раствора, приводят к возникновению неправильных форм. Но часто симметрию можно установить достаточно легко и идентифицировать хорошо известные минералы посредством их внешнего осмотра.

Рис. 3.12 Элементы симметрии голоэдрических классов семи кристаллографических систем Значение символов, расположенных под рисунками, объясняется в разд 3.7

Рис. 3.12 Продолжение