КРИСТАЛЛОГРАФИЯ КАК НАУКА

Текущая версия страницы пока не проверялась
опытными участниками и может значительно отличаться от версии
, проверенной 28 апреля 2021 года; проверки требуют 4 правки
.

Кристаллогра́фия
— наука о кристаллах
, их структуре
, возникновении и свойствах. Она тесно связана с минералогией
, физикой твёрдого тела
и химией
. Исторически кристаллография возникла в рамках минералогии, как наука, описывающая идеальные кристаллы.

Задачей кристаллографии является изучение строения, физических свойств кристаллов, условий их образования, разработка методов исследования и определения вещества по кристаллической форме, физическим особенностям и тому подобного. В кристаллографии выделяют направления работ:

• физическая кристаллография
  : изучает физические свойства кристаллов — механические, тепловые, оптические;
• геометрическая кристаллография: изучает формы кристаллов
  ;
• кристаллогенез: изучает образование и рост кристаллов;
• кристаллохимия
  : изучает связь между химическим составом
  вещества и его структурой.

Предмет, задачи, методы

Предметом данной науки являются кристаллы.
Ее задачи состоят в исследовании их происхождения, структуры, химических и физических особенностей, происходящих в них процессов, взаимодействия с окружающей средой, изменений в результате различных воздействий.

Кроме того, сфера исследования кристаллографии включает анизотропные среды или вещества с близкой к кристаллической атомной упорядоченностью: жидкие кристаллы, кристаллические текстуры и т. д., а также агрегаты из микрокристаллов (поликристаллы, керамики, текстуры). К тому же она занимается внедрением теоретических достижений в практическую сферу.

Одним из специфических методов кристаллографии является гониометрия. Он состоит в применении для описания, объяснения и предсказания особенностей кристаллов и происходящих в них процессов углов между гранями. Также это позволяет идентифицировать кристаллы путем определения симметрии. Особо высоким значением гониометрия обладала до открытия дифракции рентгеновских лучей, так как являлась основным методом кристаллографии.

Помимо этого, к кристаллографическим методам относятся черчение и расчет кристаллов, их выращивание и измерение, оптическое исследование, рентгеноструктурный, кристаллохимический, электронографический анализы, нейтронографию, электронографию, оптическую спектроскопию, электронную микроскопию, электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс и др.

Основные понятия кристаллографии

Для описания симметрии многогранников и кристаллических решёток в кристаллографии установлена следующая иерархия терминов:

• Три категории симметрии
  • Шесть сингоний
    
  • Семь кристаллических (кристаллографических) систем
    
    • 14 решёток Браве
      
    • 32 класса или вида симметрии
      

Кроме того, используются термины:

Пирами́ды ро́ста
— пирамиды, основаниями которых служат грани кристалла, а общей вершиной — начальная точка роста
.

Реальный кристалл
во многих случаях целесообразно рассматривать как совокупность пирамид роста, поскольку очень часто физические свойства пирамид роста с основаниями, принадлежащим к различным простым формам
, оказываются различными. Это подтверждается существованием у многих природных кристаллов структуры песочных часов, случаями закономерной оптической аномалии у кристаллов
кубической системы и пр.

Симме́три́я кристаллов
( др.-греч.
«соразмерность», от — «мерю») — закономерная повторяемость в пространстве одинаковых граней, рёбер и углов фигуры, которая может совмещаться сама с собой в результате одного или нескольких отражений. Для описания симметрии пользуется воображаемыми образами — точками, прямыми, плоскостями, называемыми элементами симметрии.

Плоскость симметрии (P) — это воображаемая плоскость, которая делит фигуру на две симметрично равные части, расположенные друг относительно друга как предмет и его зеркальное отражение.
Ось симметрии (L) — прямая линия, при вращении вокруг которой повторяются равные части фигуры, то есть она самосовмещается. Число совмещений при повороте на 360° определяет порядок оси симметрии (n).
Центр симметрии (С) — точка внутри кристалла, в которой пересекаются и делятся пополам все линии, соединяющие соответственные точки на его поверхности.

нау­ка об об­ра­зо­ва­нии и вы­ра­щи­ва­нии кри­стал­лов, об их строе­нии, сим­мет­рии, хи­мич. со­ста­ве и фи­зич. свой­ст­вах. К. воз­ник­ла в не­драх
и ста­ла са­мо­сто­ят. нау­кой в сер. 18 в., ко­гда обо­га­ти­лась фи­зич., ма­те­ма­тич. и хи­мич. ме­то­да­ми ис­сле­до­ва­ний. Важ­ней­шим сти­му­лом раз­ви­тия К. бы­ли мно­го­числ. при­ме­не­ния кри­стал­лов в нау­ке, тех­ни­ке и юве­лир­ной пром-сти. На пер­вом эта­пе по­лу­чи­ла раз­ви­тие гео­мет­рич. К. – ус­та­нов­ле­ние за­ко­но­мер­но­стей ог­ран­ки кри­стал­лов и сим­мет­рии их внеш­ней фор­мы. Наи­бо­лее зна­чи­тель­ные и ма­те­ма­ти­че­ски обос­но­ван­ные ре­зуль­та­ты в этой об­лас­ти по­лу­чи­ли А. В.
(1867) и Р. Ж.
(1874). Ещё до их ра­бот бы­ла вы­ска­за­на и раз­ра­бо­та­на ги­по­те­за о внутр. пе­рио­ди­че­ском строе­нии кри­стал­лов, ко­то­рая ос­но­вы­ва­лась на пра­виль­но­сти внеш­не­го строе­ния кри­с­тал­лов. Воз­мож­ные фор­мы кри­стал­ли­че­ских ре­шё­ток

 были вы­ве­де­ны О. 
(1848). Важ­ней­шее зна­че­ние для раз­ви­тия всей, и осо­бен­но струк­тур­ной, К. име­ли ра­бо­ты Е. С.
(1890) и нем. ма­те­ма­ти­ка А. Шён­фли­са (1891) по вы­во­ду про­стран­ст­вен­ных групп сим­мет­рии внутр. строе­ния кри­стал­лов. Про­бле­ма со­стоя­ла в том, что в кри­стал­лах до­пусти­мы толь­ко те эле­мен­ты сим­мет­рии, ко­то­рые со­гла­су­ют­ся с его глав­ным и обя­за­тель­ным эле­мен­том сим­мет­рии – кри­стал­лич. ре­шёт­кой. По­сте­пен­но К. всё бо­лее ос­но­ва­тель­но ис­поль­зо­ва­ла та­кие раз­де­лы ма­те­ма­ти­ки, как тео­рия групп, век­тор­ное и тен­зор­ное ис­чис­ле­ния, ме­то­ды пре­об­ра­зо­ва­ния Фу­рье. Экс­пе­ри­мен­таль­но пе­рио­дич­ность и ре­шё­точ­ное строе­ние кри­стал­лов бы­ли до­ка­за­ны позд­нее М. 
(1912), от­крыв­шим ди­фрак­цию рент­ге­нов­ских лу­чей на кри­стал­лах (см. Рент­ге­нов­ский струк­тур­ный ана­лиз

). Атом­ное строе­ние кри­стал­лов NaCl, ZnS, ал­ма­за и др. по ди­фрак­ции рент­ге­нов­ских лу­чей впер­вые бы­ло оп­ре­де­ле­но У. Г. Брэг­гом и У. Л. Брэг­гом (1913), что по­ло­жи­ло на­ча­ло раз­ви­тию струк­тур­ной К. Отеч. шко­лу струк­тур­но­го ана­ли­за кри­стал­лов соз­дал и до кон­ца сво­их дней воз­глав­лял Н. В.
.

Ре­аль­ные по­треб­но­сти в кри­стал­лич. ма­те­риа­лах сти­му­ли­ро­ва­ли ис­сле­до­ва­ния по об­ра­зо­ва­нию и вы­ра­щи­ва­нию кри­с­тал­лов, ко­неч­ная цель ко­то­рых бы­ла в соз­да­нии ла­бо­ра­тор­ной, а за­тем и про­мыш­ленных тех­но­ло­гий по­лу­че­ния круп­ных мо­но­кри­стал­лов. Од­но­вре­мен­но раз­ви­ва­лись тех­но­ло­гии кри­стал­ли­за­ции из рас­тво­ров, рас­пла­вов, па­ро­вой (га­зо­вой) фа­зы (см.
). Наи­бо­лее пло­до­твор­ные ис­сле­до­ва­ния в об­лас­ти рос­та кри­стал­лов при­над­ле­жат А. В.
. Изу­че­ние рос­та кри­стал­лов и их фи­зич. свойств свя­за­но с име­нем Г. В.
.

От­кры­тие ди­фрак­ции рент­ге­нов­ских лу­чей на кри­стал­лах, а позд­нее ди­фрак­ции элек­тро­нов и ней­тро­нов (см.
,
) при­ве­ло к ин­тен­сив­но­му раз­ви­тию струк­тур­ной К., ко­то­рая да­ёт воз­мож­ность ус­та­нов­ле­ния атом­но­го строе­ния ме­тал­лов и спла­вов, ми­не­ра­лов, не­ор­га­нич. и ор­га­нич. со­еди­не­ний, мо­ле­кул бел­ков, нук­леи­но­вых ки­слот и да­же ви­ру­сов. Ор­га­нич. со­еди­не­ния час­то, а мак­ро­мо­ле­ку­лы все­гда кри­стал­ли­зу­ют толь­ко для то­го, что­бы ме­то­да­ми струк­тур­ной К. ус­та­но­вить их атом­ную струк­ту­ру.

Ме­то­ды К. вос­тре­бо­ва­ны ми­не­ра­ло­ги­ей, ма­те­риа­ло­ве­де­ни­ем, фи­зи­кой твёр­до­го те­ла, хи­ми­ей (см.
) и мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­ги­ей. Кри­стал­ло­фи­зи­ка

 ус­та­нав­ли­ва­ет струк­тур­ную обу­слов­лен­ность фи­зич. свойств кри­стал­лов, что по­зво­ля­ет фи­зи­ке твёр­до­го те­ла пе­рей­ти от фе­но­ме­но­ло­гич. опи­са­ния свойств кри­стал­лов и яв­ле­ний, про­ис­хо­дя­щих в них при внеш­них воз­дей­ст­ви­ях, к мик­ро­ско­пич. тео­рии этих свойств и яв­ле­ний. Ус­та­нов­ле­ние за­ко­но­мер­ных свя­зей со­став – струк­ту­ра – свой­ст­ва кри­стал­лов по­зво­ля­ет от­ка­зать­ся от за­трат­но­го ме­то­да проб и оши­бок при син­те­зе кри­стал­лов с не­об­хо­ди­мы­ми для тех­ни­ки свой­ст­ва­ми и при мо­ди­фи­ка­ции свойств из­вест­ных кри­стал­лов пу­тём изо­морф­ных за­ме­ще­ний. Мо­ле­ку­ляр­ная био­ло­гия, ген­ная ин­же­не­рия и кон­ст­руи­ро­ва­ние но­вых ле­карств тре­бу­ют зна­ния атом­но­го строе­ния со­от­вет­ст­вую­щих объ­ек­тов. Ме­то­ды струк­тур­ной К. да­ют та­кие све­де­ния наи­бо­лее на­дёж­но и точ­но, од­на­ко для это­го не­об­хо­ди­мы раз­ви­вае­мые в К. ме­то­ды кри­стал­ли­за­ции со­от­вет­ст­вую­щих объ­ек­тов.

Ди­фрак­ци­он­ные ме­то­ды К. чув­ст­ви­тель­ны ко всем де­фек­там ре­аль­ных кри­стал­лов и по­зво­ля­ют их ис­сле­до­вать. Бо­лее то­го, в К. раз­ви­ты ме­то­ды ис­сле­до­ва­ния объ­ек­тов с час­тич­но упо­ря­до­чен­ным строе­ни­ем: жид­ких кри­стал­лов, по­ли­ме­ров и да­же аморф­ных тел и жид­ко­стей.

Кристаллография
— это наука, изучающая внешнюю форму,
внутреннее строение, состав, физические
свойства и происхождение

кристаллов,
а также связь последних с окружающей
средой. Одним словом, кристаллография
является наукой, всесторонне

изучающей
кристаллическое вещество, т.е. предметом
кристаллографии являются кристаллы.
Специфический метод кристаллографии
— это применение принципа симметрии во
всех его проявлениях. В соответствии с
этим определением в современной
кристаллографии можно выделить следующие
разделы:

•
геометрическая
кристаллография – изучает внешнюю
симметрию кристаллов и геометрические
закономерности, которым она подчиняется;

•
физическая
кристаллография — раздел кристаллографии,
изучающий строение и физические свойства
кристаллов (в том числе кристаллооптика);

•
генетическая
кристаллография — раздел, изучающий
происхождение и развитие кристаллических
индивидов;

•
кристаллохимия
— раздел, изучающий зависимости и связи
между химическим составом, структурой,
внешней формой и свойствами кристаллов.

Кристаллография
является основой для понимания законов
всех геологических дисциплин, исследующих
вещественный состав земной коры:
минералогии, петрографии, геохимии,
учения о полезных ископаемых. На
современном уровне невозможна работа
в области физики и химии без знания
законов кристаллографии, которые в свою
очередь могут быть описаны при помощи
математического аппарата.

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ —
наука о кристаллах и кристаллическом
состоянии вещества. Кристаллография
изучает симметрию, строение и свойства
кристаллов, законы, которые управляют
ростом, внешней формой и внутренней
структурой кристаллов. Объект исследования
— природные и синтетические кристаллы,
изучаемые различными методами химии и
физики твёрдого тела, минералогии
 и
др.

Как
самостоятельная наука кристаллография
возникла с середины 18 века и развивалась
в тесной связи с минералогией. С начала
20 века интенсивно развиваются физическая
(кристаллофизика) и химическая
(кристаллохимия) кристаллография, что
стимулировалось открытием дифракции
рентгеновских лучей (немецкий физик М.
Лауэ, 1912), возникновением
метода  рентгеноструктурного
анализа
 и
первыми расшифровками структур
кристаллов, выполненными английскими
физиками У. Г. и У. Л. Брэггами в 1913.
Основные направления физической
кристаллографии — кристаллооптика,
возникновение которой обязано открытию
двойного лучепреломления кристаллов,
и учение о других физических свойствах
кристаллов (механических, электрических,
магнитных). Химическая (точнее
физико-химическая) кристаллография
изучает полиморфные превращения,
изоморфные замещения, химическую связь
в кристаллах, условия их зарождения и
рост.

Основы
математического аппарата кристаллографии
— теория групп симметрии кристаллов и
тензорное исчисление. К традиционным
методам структурной кристаллографии
(рентгеноструктурный анализ,
электронография, нейтронография)
добавились спектроскопические
методы:  инфракрасная
спектроскопия
,
оптическая колориметрия, электронный
и ядерный магнитный резонанс и др.
Внедрение последних в кристаллографии
позволило подойти к изучению структур
реальных кристаллов с нарушениями
идеальной кристаллической решётки
(точечные дефекты, дислокации и др.), что
определило качественно новый подход в
исследовании  минералов
.
Кристаллография реального кристаллического
состояния — теоретическая основа для
синтеза кристаллов с заранее заданными
свойствами. Интенсивно развивается
производство синтетических кристаллов
( кварца
,  алмаза
, германия
,  кремния
 и
др.). Одна из задач кристаллографии —
расшифровка структур сложных органических
соединений. Практически все научные
и технические достижения последнего
времени (компьютерная техника,
электронная микроскопия, квазикристаллы,
высокотемпературные сверхпроводники
и т. д.) непосредственно связаны с
кристаллографией. Положение современной
кристаллографии во многом напоминает
ситуацию с математикой, методы которой
используются в многочисленных и самых
разнообразных дисциплинах

Аморфное
состояние
 —
твёрдое состояние вещества, обладающее
двумя особенностями: его свойства
(механические, тепловые, электрические
и т. д.) в естественных условиях не зависят
от направления в веществе (изотропия);
при повышении температуры вещество,
размягчаясь, переходит в жидкое состояние
постепенно, т. е. в  аморфном
состоянии
 отсутствует
определённая точка плавления.

Твердые
тела могут существовать в двух существенно
различных состояниях, отличающихся
своим внутренним строением, и,
соответственно, свойствами. Это
кристаллическое и аморфное состояние
твердых тел монокристаллом или просто
кристаллом. В других случаях тело
представляет собой множество мелких
кристалликов, причудливо сросшихся
между собой, например, кусок рафинада.
Такие тела называютполикристаллическими.

Наличие
естественных граней у монокристаллов
ведет к четко выраженному различию в
физических свойствах тела по различным
направлениям. Это может относиться к
механической прочности, тепло- и
электропроводности, упругости и т.д. Но
не всегда все свойства зависят от
направления — кубический кристалл меди
обладает одинаковой электропроводностью
по всем направлениям, но разной упругостью.

В
поликристаллах принято говорить о
средних значениях физических величин,
поскольку вдоль любого выбранного
направления найдутся отдельные кристаллы,
как угодно ориентированные внутри тела.

Второй
вид твердого состояния твердых тел —
аморфное состояние. В этом состоянии
невозможно обнаружить даже малые
области, в которых наблюдалась бы
зависимость физических свойств от
направления. Некоторые вещества могут
находиться в любом из этих двух состояний.

Например,
если расплавить кристаллический кварц
(температура плавления около 1700° С), то
при охлаждении он образует плавленый
кварц сдругими физическими
свойствами,одинаковыми по всем
направлениям. Аморфное состояние —
неустойчивое состояние твердых тел.
Будучи предоставлены сами себе, они
стремятся со временем перейти в
кристаллическую форму, хотя этот процесс
может занимать годы и даже десятилетия.

Кристаллография
— это наука, изучающая внешнюю форму,
внутреннее строение, состав, физические
свойства и происхождение

кристаллов,
а также связь последних с окружающей
средой. Одним словом, кристаллография
является наукой, всесторонне

изучающей
кристаллическое вещество, т.е. предметом
кристаллографии являются кристаллы.
Специфический метод кристаллографии
— это применение принципа симметрии во
всех его проявлениях. В соответствии с
этим определением в современной
кристаллографии можно выделить следующие
разделы:

•
геометрическая
кристаллография – изучает внешнюю
симметрию кристаллов и геометрические
закономерности, которым она подчиняется;

• физическая
кристаллография — раздел кристаллографии,
изучающий строение и физические свойства
кристаллов (в том числе кристаллооптика);

• генетическая
кристаллография — раздел, изучающий
происхождение и развитие кристаллических
индивидов;

•
кристаллохимия —
раздел, изучающий зависимости и связи
между химическим составом, структурой,
внешней формой и свойствами кристаллов.

Кристаллография
является основой для понимания законов
всех геологических дисциплин, исследующих
вещественный состав земной коры:
минералогии, петрографии, геохимии,
учения о полезных ископаемых. На
современном уровне невозможна работа
в области физики и химии без знания
законов кристаллографии, которые в свою
очередь могут быть описаны при помощи
математического аппарата.

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ —
наука о кристаллах и кристаллическом
состоянии вещества. Кристаллография
изучает симметрию, строение и свойства
кристаллов, законы, которые управляют
ростом, внешней формой и внутренней
структурой кристаллов. Объект исследования
— природные и синтетические кристаллы,
изучаемые различными методами химии и
физики твёрдого тела, минералогии
 и
др.

Как
самостоятельная наука кристаллография
возникла с середины 18 века и развивалась
в тесной связи с минералогией. С начала
20 века интенсивно развиваются физическая
(кристаллофизика) и химическая
(кристаллохимия) кристаллография, что
стимулировалось открытием дифракции
рентгеновских лучей (немецкий физик М.
Лауэ, 1912), возникновением
метода  рентгеноструктурного
анализа
 и
первыми расшифровками структур
кристаллов, выполненными английскими
физиками У. Г. и У. Л. Брэггами в 1913.
Основные направления физической
кристаллографии — кристаллооптика,
возникновение которой обязано открытию
двойного лучепреломления кристаллов,
и учение о других физических свойствах
кристаллов (механических, электрических,
магнитных). Химическая (точнее
физико-химическая) кристаллография
изучает полиморфные превращения,
изоморфные замещения, химическую связь
в кристаллах, условия их зарождения и
рост.

Основы
математического аппарата кристаллографии
— теория групп симметрии кристаллов и
тензорное исчисление. К традиционным
методам структурной кристаллографии
(рентгеноструктурный анализ,
электронография, нейтронография)
добавились спектроскопические
методы:  инфракрасная
спектроскопия
,
оптическая колориметрия, электронный
и ядерный магнитный резонанс и др.
Внедрение последних в кристаллографии
позволило подойти к изучению структур
реальных кристаллов с нарушениями
идеальной кристаллической решётки
(точечные дефекты, дислокации и др.), что
определило качественно новый подход в
исследовании  минералов
.
Кристаллография реального кристаллического
состояния — теоретическая основа для
синтеза кристаллов с заранее заданными
свойствами. Интенсивно развивается
производство синтетических кристаллов
( кварца
,  алмаза
, германия
,  кремния
 и
др.). Одна из задач кристаллографии —
расшифровка структур сложных органических
соединений. Практически
все научные и технические достижения
последнего времени (компьютерная
техника, электронная микроскопия,
квазикристаллы, высокотемпературные
сверхпроводники и т. д.) непосредственно
связаны с кристаллографией. Положение
современной кристаллографии во многом
напоминает ситуацию с математикой,
методы которой используются в
многочисленных и самых разнообразных
дисциплинах

Аморфное
состояние
 —
твёрдое состояние вещества, обладающее
двумя особенностями: его свойства
(механические, тепловые, электрические
и т. д.) в естественных условиях не зависят
от направления в веществе (изотропия);
при повышении температуры вещество,
размягчаясь, переходит в жидкое состояние
постепенно, т. е. в  аморфном
состоянии
 отсутствует
определённая точка плавления.

Твердые
тела могут существовать в двух существенно
различных состояниях, отличающихся
своим внутренним строением, и,
соответственно, свойствами. Это
кристаллическое и аморфное состояние
твердых тел монокристаллом или просто
кристаллом. В других случаях тело
представляет собой множество мелких
кристалликов, причудливо сросшихся
между собой, например, кусок рафинада.
Такие тела называютполикристаллическими.

Наличие
естественных граней у монокристаллов
ведет к четко выраженному различию в
физических свойствах тела по различным
направлениям. Это может относиться к
механической прочности, тепло- и
электропроводности, упругости и т.д. Но
не всегда все свойства зависят от
направления — кубический кристалл меди
обладает одинаковой электропроводностью
по всем направлениям, но разной упругостью.

В
поликристаллах принято говорить о
средних значениях физических величин,
поскольку вдоль любого выбранного
направления найдутся отдельные кристаллы,
как угодно ориентированные внутри тела.

Второй
вид твердого состояния твердых тел —
аморфное состояние. В этом состоянии
невозможно обнаружить даже малые
области, в которых наблюдалась бы
зависимость физических свойств от
направления. Некоторые вещества могут
находиться в любом из этих двух состояний.

Например,
если расплавить кристаллический кварц
(температура плавления около 1700° С), то
при охлаждении он образует плавленый
кварц сдругими физическими
свойствами,одинаковыми по всем
направлениям. Аморфное состояние —
неустойчивое состояние твердых тел.
Будучи предоставлены сами себе, они
стремятся со временем перейти в
кристаллическую форму, хотя этот процесс
может занимать годы и даже десятилетия.

• #
• #
• #
• #
• #

  Крылов. Гетерогенный катализ.djvu

Кристаллография

Науки о Земле

Кристаллография это наука о кристаллах: об их форме, происхождении, структуре, химическом составе и физических особенностях. Она является одной из научных дисциплин геологического цикла, наиболее тесно связанная с минералогией
, находящаяся на стыке их и химии, математики, физики, биологии и т. д. Имеет и теоретическое, и прикладное значение.

История

Развитие кристаллографии подразделяют на три этапа: эмпирический (собирательный), теоретический (объяснительный), современный (прогностический).

Первые кристаллографические наблюдения относятся к античным временам. В древней Греции были предприняты первые попытки описания кристаллов с акцентом на их форму. Этому способствовало создание геометрии, пяти платоновых тел и множества многогранников.

В дальнейшем кристаллография развивалась в рамках минералогии в составе единого геологического научного направления. При этом она являлась исключительно прикладной дисциплиной, так как, по утверждению Р. Ж. Гаюи 1974 г., была наукой о законах огранения кристаллов.

И. Кеплера, создавшего в 1611 г. трактат «О шестиугольных снежинках», считают предшественником структурной кристаллографии.

В 1669 г. Я. Стеноп вывел принцип роста кристаллов, в соответствии с которым данный процесс происходит не изнутри, а путем наложения на поверхность приносимых жидкостью извне частиц. Также он отметил отклонение реальных кристаллов от идеальных многогранников.

В том же году Н. Стенсеном был сформулирован «закон постоянства углов кристаллов». В дальнейшем его же выводили многие независимые исследователи.

Термин «кристаллография» для обозначения науки о кристаллах впервые предложил в 1723 г. М. Капеллер. Таким образом, накопление знаний происходило до XIX в.

В качестве самостоятельной дисциплины кристаллография была описана в 1772 г. Ж. Б. Луи Роме-де-Лилем. К тому же, благодаря его трудам, в 1783 г. был окончательно утвержден закон постоянства углов. Так, он отметил, что возможно изменение граней кристаллов по форме и размерам, однако углы их взаимного наклона постоянны для каждого вида.

В начале существования кристаллографии в качестве отдельной научной напдисциплины наиболее интенсивно развивалось ее геометрическое направление.

Для измерения углов кристаллов М. Караижо создал специализированный прибор — прикладной гониометр, на основе чего зародился первый кристаллографический метод — гониометрия.

К. С. Вейссом был выведен закон зон (зависимость между положением ребер и граней), а Рэнэ-Жюст Гаюи сформулировал закон рациональности разрезов по осям, а также открыл плоскости спайности. В то же время последнее открытие было совершено Т. Бергманом.

В 1830 г. И. Гессель и в 1869 г. А. Гадолин определили наличие 32 видов симметрии и подразделили их на 6 сингоний.

В 1855 г. О. Браве вывел 14 типов пространственных решеток, а также ввел два элемента симметрии (центр и плоскость симметрии) и сформулировал определение симметричной фигуры.

П. Кюри определил семь предельных групп симметрии и зеркальные оси симметрии. На основе этого был сделан вывод о том, что симметрия определяет внешнюю форму кристалла, и всего существует девять ее элементов.

В 1855 г.  Е. С. Федоров также вывел 32 класса симметрии и занялся нахождением определяющих расположение атомов, ионов, молекул в кристаллах геометрических законов.

В XX в. началось интенсивное развитие физического (кристаллофизики) и химического (кристаллохимии) направлений, благодаря открытию дифракции рентгеновских лучей в кристаллах У. Л. Брэггом и Г. В. Вульфом, созданию метода рентгеноструктурного анализа и первым расшифровкам кристаллических структур в 1913 г. У.Г. и У. Л. Брэггами.

Таким образом, на втором этапе развития кристаллографии происходило исследование форм кристаллов и выяснение законов их строения.

Современная наука

В настоящее время кристаллография наиболее интенсивно развивается в экспериментальном и прикладном направлениях.

Данная дисциплина включает следующие разделы:

• кристаллофизику
  — исследует физические особенности кристаллов: оптические, тепловые, механические, электрические,
• геометрическую
  — рассматривает их формы, метрические параметры кристаллической решетки, углы и периоды повторяемости элементарной ячейки, устанавливает законы огранения и разрабатывает методы описания,
• кристаллогенез
  — изучает формирование и рост кристаллов,
• кристаллохимию
  — исследует связь физических особенностей с химическим составом, закономерности расположения атомов в кристаллах, химические связи между ними, атомную структуру,
• структурную
  — изучает атомно-молекулярное строение кристаллов,
• обощенную
  — использование структурных и симметрийных закономерностей кристаллографии в рассмотрении свойств и строения конденсированного вещества: жидкостей, аморфных тел, полимеров, надмолекулярных структур, биологических макромолекул.

В кристаллографии существует система понятий для дифференциации многогранников и кристаллических решеток. Она включает в иерархическом порядке категории симметрии, сингонии, кристаллографические (кристаллические) системы, решетки Браво, классы (виды) симметрии, пространственные группы.

Основным среди них считают сингонии
. Это кристаллографические категории, в которые объединяют кристаллы на основе наличия определенного набора элементов симметрии. Нужно отметить, что существует путаница между терминами «сингония», «система решетки» и «кристаллическая система», в связи с чем часто их применяют как синонимы. Всего существует семь сингоний: триклинная, моноклинная, ромбическая, тригональная, тетрагональная, гексагональная, кубическая. Первые три относятся к низшей категории, вторые три к средней и последняя к высшей. Категории выделяют на основе равенства трансляций либо количества осей высшего порядка.

Теоретическую основу кристаллографии составляет учение о симметрии кристаллов
. Изучение процессов их образования, таких как зарождение, молекулярная кинетика движения фазовой границы, массо- и теплоперенос при кристаллизации, формы роста, дефектообразование, осуществляется с позиций физико-химической кинетики, статистической и макроскопической термодинамики.

К прикладным вопросам относят изучение структуры реальных кристаллов, их дефектов, условий формирования, влияния на их свойства, синтеза.

Кристаллографию считают промежуточной дисциплиной. Наиболее тесно она связана с минералогией, так как зародилась в качестве ее раздела. Помимо этого, она связана с петрологией
и прочими геологическими дисциплинами
. Кристаллография расположена на пересечении  геологических наук, органической химии, математики, физики, радиотехники, химии полимеров, акустики, электроники и связана с молекулярной биологией, металловедением, прикладным искусством, материаловедением и т. д. Связь со многими из данных наук обусловлена общностью подхода к атомному строению вещества и близостью дифракционных методик.

2014 — Международный год кристаллографии

3 июля 2012 года Генеральная Ассамблея ООН
на своей 66-й сессии постановила провозгласить 2014 год Международным годом кристаллографии.

• Земятченский П. А.
  
  // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
   : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб.
  , 1890—1907.
• Уэвелль В. История индуктивных наук от древнейшего и до настоящего времени. В трёх томах. Т. I II. История кристаллографии. С Пб., 1869.
• Шубников А. В. У истоков кристаллографии. М., 1972. — 52 с.
• Шафрановский И. И. История кристаллографии в России. М. — Л., 1962. — 416 с.
• Шафрановский И. И. История кристаллографии (с древнейших времён до начала XIX столетия). Л., «Наука», 1978. — 297 с.
• Шафрановский И. И. Кристаллография в СССР: 1917—1991 / Отв. ред. Н. П. Юшкин. — СПб., 1996.
• Burke J. G. Origins of the science of crystals. University of California, Los Angeles, 1966. 198 p.

Образование и работа

Кристаллографии обучают в рамках минералогии на геологических специальностях. Кроме того, существует отдельная специальность, которая ввиду узкоспецилизированности встречается крайне редко.

Кристаллографы работают в научно-исследовательской сфере в НИИ и лабораториях.

1. Болдырев А. К. Кристаллография, ОНТИ
   .- М.- Л.- Грозный — Новосибирск: ГорГеоНефтеИздат, 1934
2. Резолюция, принятая Генеральной Ассамблеей 3 июля 2012 года
   
   . О ОН. Дата обращения: 5 февраля 2014.
   Архивировано из оригинала
   22 февраля 2014 года.
   
   
3. International year of crystallography
   Архивная копия
   от 9 февраля 2014 на Wayback Machine
     (англ.)
   Официальный сайт

Истоки кристаллографии можно усмотреть ещё в античности, когда греки предприняли первые попытки описания кристаллов
. При этом большое значение придавалось их форме. Греками же была создана геометрия, выведены пять платоновых тел
и сконструировано множество многогранников, позволяющих описывать форму кристаллов.

• 1611
   — трактат « О шестиугольных снежинках
  » немецкого астронома и математика И. Кеплера
  . Кеплера иногда называют ранним предшественником структурной кристаллографии.
• 1669
   — Стенсен, Нильс
  выдвинул закон (Закон Стено) или « закон постоянства углов кристаллов
  », который утверждает, что углы между соответствующими гранями кристаллов одинаковы для всех экземпляров одного минерала при одинаковых условиях (температура и давление).
• Как самостоятельная дисциплина кристаллография была изложена французским минералогом Жаном Батистом Луи Роме-де-Лилем
  ( фр.
    Jean-Baptiste Romé de Lisle
  ) в 1772 году
  в сочинении «Опыт кристаллографии». Позднее Жан Батист Луи Роме-де-Лиль переработав и расширив это сочинение, опубликовал его в 1783 году
  под названием «Кристаллография, или описание форм, присущих всем телам минерального царства».
• Ренэ-Жюст Гаюи
  нашёл весьма важный закон о рациональности разрезов по осям
  , который имеет значение для всего строения кристалла. Независимо друг от друга он и шведский химик Торберн Бергман
  выяснили, что из всех кристаллов известковых шпатов можно вырубить кристалл основной формы
  , тем самым открыли существование плоскостей спайности
  .
• В 1830-е
  Иоганн Гессель
  и независимо в 1869 Аксель Гадолин
  доказали, что в К. возможны лишь 32 вида симметрии
  , подразделённые в 6 сингоний
  ^[1]
  
  .

Первым в России предпринял точные кристаллографические исследования Н. И. Кокшаров
, а получил полную классификацию кристаллографической группы Е. С. Фёдоров
.

В 1947 году
основан Международный союз кристаллографов
.

Предмет и задачи современной кристаллографии

Кристаллография
— наука о кристаллах и кристаллическом
состоянии материи. Она изучает
возникновение и рост кристаллов, их
внешнюю форму, внутренние строение и
физические свойства.

Слово
“кристалл” — греческого происхождения.
Кристаллом древние греки называли лёд,
а затем и горный хрусталь, который
считали окаменевшим льдом. Позднее,
начиная с 17 века, кристаллами стали
называть все твёрдые тела, имеющие
природную форму плоскостного многогранника.
Такие многогранники ограничены
плоскостями — гранями, которые пересекаются
по прямым линиям — рёбрам.

В
настоящее время понятие “кристалл”
является более широким, и к кристаллическим
телам относят все твердые образования,
обладающие закономерным внутренним
строением. Закономерность эта заключается
в строго упорядоченном расположении
частиц, слагающих кристаллическое тело.
При этом частицы одного сорта периодически
повторяются, располагаясь по параллельным
линиям. Эти частицы можно мысленно
соединить прямыми линиями так, что
получится некоторая система
параллелепипедов, в вершинах которых
и будут находиться все однородные
частицы. Такая система параллелепипедов,
равных друг другу, параллельно
расположенных и смежных по целым граням,
получила название “ пространственной
решётки
”.
Соответственные точки параллелепипедов
пространственной решётки, например, их
центры или вершины, называются узлами
.

Узлы
пространственной решётки ассоциируют
обычно с центрами тяжести частиц одного
сорта, причём этими частицами могут
быть атомы, ионы, радикалы или молекулы.
Замена материальных частиц математическими
точками создает определённые удобства
при изучении строения и свойств
кристаллических веществ в тех случаях,
когда решение рассматриваемого вопроса
от природы частиц не зависит.

Таким
образом, пространственная решётка
служит как бы схемой внутреннего строения
кристаллического тела.

Решётчатое
строение является наиболее характерной
особенностью всех, без исключения,
кристаллических тел и обуславливает
их специальные свойства, в том числе и
способность кристаллов приобретать
форму многогранников.

Отсюда
вытекает следующее определение
кристаллическому веществу: ” Кристаллическими
называются все твердые тела, имеющие
решётчатое строение
”.

Понятие
о пространственной решётке и решётчатое
строение кристаллов лежат в основе всей
современной кристаллографии.

Твердые
тела, не имеющие решётчатого строения,
называются аморфными. Примерами аморфных
тел могут служить различные стёкла,
смолы, желатин, клей, сургуч, сапожный
вар, пластмассы и др. В аморфном веществе
составляющие его частицы располагаются
в общем беспорядочно, как и в жидкостях.
Поэтому аморфные тела часто уподобляют
жидкостям с очень большим внутренним
трением (или высокой вязкостью). Основными
же признаками являются: 1) изотропность,
т. е. одинаковость свойств во всех
направлениях; 2) отсутствие чётко
выраженной температуры плавления.

Аморфные
вещества не являются устойчивыми. Они
обнаруживают с течением времени тенденцию
к кристаллизации (наблюдается, например,
“расстеклование” стекла, “засахаривание”
леденцов). Кристаллическое состояние
по сравнению с аморфным оказывается
более устойчивым, так как упорядоченному
расположению частиц в структуре отвечает
минимальная внутренняя энергия о чём
свидетельствует выделение теплоты при
кристаллизации жидкости и поглощение
тепла при расплавлении кристаллов. В
связи с отмеченным аморфные тела нередко
относят к переохлаждённым жидкостям.

Таким
образом, представителями истинно твёрдых
тел являются только кристаллы.

Исторически
учение о кристаллах развивалось совместно
с минералогией, как один из её разделов.
Лишь с конца 19 в. кристаллография
выделяется в самостоятельную науку
благодаря тому, что с развитием химии
и особенно органической химии было
установлено широкое распространение
кристаллических веществ, часто не
имеющих ничего общего с минералами.
Кроме того, обнаружилась определённая
связь между химическим составом
кристаллов и их внешней формой. Это
послужило основанием Ф. Энгельсу в одной
из своих работ назвать кристаллографию
частью химии.

Однако,
до опытов Лауэ кристаллография сохраняла
свой первоначальный описательный
характер, занимаясь, главным образом,
изучением некоторых физических свойств
и внешних геометрических форм кристаллов.
После экспериментального подтверждения
решётчатого строения кристаллов
содержание кристаллографии существенным
образом изменилось. Возможность
непосредственного изучения внутреннего
строения кристаллов с помощью рентгеновских
лучей значительно расширила цели и
задачи кристаллографии и привела к
появлению и быстрому развитию новых
разделов этой науки (например,
кристаллохимия, кристаллофизика,
кристаллооптика и др.).

Современная
кристаллография изучает все свойства
кристаллического вещества и относящиеся
к нему закономерности, которые находятся
в связи с его решётчатым внутренним
строением. Основной задачей кристаллографии
является установление взаимной связи
между структурой кристаллов и их
химическим составом, а также различными
физическими, физико-химическими и
геометрическими свойствами.

Следовательно,
главными науками, на которых базируется
современная кристаллография, являются
физика, химия, физическая химия и
математика. В свою очередь кристаллографией
широко пользуются металлография,
рентгенография, физика твердого тела,
петрография, геохимия, радиотехника и
др. Сохранила кристаллография свои
прежние связи и с минералогией. Большой
интерес к кристаллографии проявляют
также физики и химики, поскольку
существует определённая зависимость
физических свойств кристаллов от их
внутреннего строения, которое в свою
очередь обуславливается химическим
составом кристаллического вещества.

Значение
кристаллографии, как науки о кристаллах,
вытекает из чрезвычайной распространенности
кристаллического состояния вещества.
Так как с кристаллами приходится иметь
дело практически во всех сферах
человеческой деятельности, то развитие
почти каждой отрасли народного хозяйства
выдвигает целый ряд важных
кристаллографических задач. Сюда
относится, прежде всего, задача получения
высококачественных кристаллических
материалов, необходимых для удовлетворения
потребностей новой и новейшей техники.
Искусственные алмазы, кварц, рубин,
многочисленные полупроводники,
люминесцентные кристаллы и др. уже
широко используются в обрабатывающей
и оптической промышленности, в
радиоэлектронике и компьютерах, в
космических исследованиях и ультразвуковой
технике. Однако, бурное развитие науки
и техники требует всё новых видов
кристаллических материалов, в том числе
металлов и сплавов, обладающих теми или
иными нужными свойствами. Решение этой
проблемы требует тщательного изучения
процессов образования, роста и разрушения
кристаллов, а также исследования
кристаллических структур, в геометрии
которых кроется одна из основных причин
физических и химических особенностей
кристаллов.

Сказанное
выше в достаточной мере характеризует
роль современной кристаллографии в
научно-техническом прогрессе и
необходимость её изучения.

• Кристаллохимия
• Кристаллофизика
• Классификация кристаллических решёток
• Кристаллографическая точечная группа симметрии
• Трансляция (кристаллография)
• Закон постоянства углов
  — суть его заключается в том, что все кристаллы, которые принадлежат к одной много-морфной
  модификации (политипным видоизменениям) данного вещества, имеют одинаковые углы между соответствующими рёбрами и гранями (см. Нильс Стенсен
  ).

Заключение

Кристаллография изначально являлась исключительно прикладной дисциплиной, достижения которой использовались в ювелирном деле. Самостоятельной наукой она стала в XIX в. В настоящее время сфера исследования кристаллографии включает происхождение, свойства, состав, связь с окружающей средой кристаллов и кристаллоподобных веществ и происходящих в них процессов. Ввиду узкоспециализированности данная специальность встречается крайне редко, а профессия востребована в научно-исследовательской сфере.