Файл: Шафрановский И.И. Очерки по минералогической кристаллографии.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.06.2024
Просмотров: 68
Скачиваний: 1
Рис. I. Треугольник И . В . Белона.
сталлообразующей. Математизация обобщающих положений мине ралогической кристаллографии достигается с помощью всемерного использования принципов симметрии».
В заключение приведем еще несколько доводов в пользу выделе ния данного научного раздела. Акад. Н. В. Белов [9] характеризует
положение кристаллографии среди |
других наук треугольником, |
по вершинам которого расположены: |
физика Ф, химия X, минера |
логия М, тогда как сама кристаллография К находится в центре (рис. 1). Соединяя центр треугольника К с его вершинами Ф, X , М прямыми (аналогично тому, как мы это делаем, развивая нояса по закону Вейса на гиомонической или гномостереографической проек ции), найдем по серединам отрезков КФ и КХ (как бы по правилу «компликации») места для двух общепризнанных «стыковых» дис циплин — кристаллофизики и кристаллохимии. Естественно, что посередине третьего отрезка КМ само собой напрашивается выделе ние «кристалломинералогии», т. е. минералогической кристалло графии.
Можно возразить, однако, что треугольник Н. В. Белова носит несколько искусственный характер. В самом деле, возникает вопрос: почему в нем отсутствует математика, играющая столь важную роль в кристаллографии? Вспомнив вышеприведенную цитату Д. Бер нала, можно было бы потребовать места и для биологии, не говоря уже об издавна связанных с наукой о кристаллах петрографии, геологии й т. д.
На замечание относительно математики следует ответить, что весь треугольник (см. рис. 1) надо представить себе как бы плава ющим в математической атмосфере или, лучше сказать, твердо сто ящим на математическом фундаменте. Основой для такого фунда мента, как мы уже знаем, является учение о симметрии, пронизыва ющее науку о кристаллах во всех ее разделах. Выделение физики и химии вряд ли вызовет чье-либо осуждение. Выбор именно мине ралогии, а не биологии, петрографии и т. п. объясняется сложтшейся веками исторической связью кристаллографии с минералогией,
тогда как связь с биологией только зарождается па иаших гла зах, а с петрографией и геологией происходит через ту же минера логию.
Таким образом, треугольник Н. В. Белова дает не столько логи ческое построение, сколько исторически сложившуюся реальную картину положения кристаллографии между наиболее близкими к ней в данный момент науками. А если это так, то вполне правомер ным является выделение на основе этого треугольника «кристалломинералогии» (минералогической кристаллографни), находящейся между точками К и М (см. рис. 1).
Отметим, что сходные схемы предлагались и другими авторами с целью выявления взаимных связей между минералогией и кристал лографией. Ниже приводится часть схемы А. В. Шубникова, Е. Е. Флинта и Г. Б. Бокпя [191]:
Матем атака
1
Физика ;— Кристаллография .ДТД" Химия
і
Минералогия
Здесь обращают на себя внимание стрелки, показывающие харак тер взаимосвязи между выделенными науками. По мнению авторов схемы, связь кристаллографии с минералогией носит односторонний характер: первая дает последней несравненно больше, чем от нее получает (обратная зависимость имеет место между кристаллогра фией и математикой).
Нельзя безоговорочно согласиться с такой трактовкой. Сейчас кристаллографы широко попользуют богатейший опыт минералогов, их приемы изучения п описания каменного материала, их знаком ство с особенностями природных процессов кристаллообразования. Достаточно напомнить о роли геолого-минералогических исследо ваний алмазных и кварцевых месторождений в деле разработки тех нологии выращивания искусственного алмаза и кварца.
Следовательно, на вышеприведенной схеме необходимо добавить стрелку, направленную от минералогии к кристаллографии, как это сделано для физики и химии. Тем самым физика, химия и минера логия займут на схеме равноправные положения относительно кри сталлографии, порождая стыковые с ней науки — кристаллофизику, кристаллохимию и «кристалломинералогию».
Главный же аргумент в пользу выделения минералогической кристаллографии — это, конечно, острая практическая потребность в данной научной дисциплине.
Итак, исторически сложившаяся, прошедшая длительное испы тание временем и необходимая для практики минералогическая кристаллография имеет безусловное право на самостоятельное суще ствование и дальнейшее развитие.
• ------ -- |
• |
* • ' |
: |
14 |
Г л а и а II
ВЗАИМОСВЯЗЬ МИНЕРАЛОГИИ С КРИСТАЛЛОГРАФИЕЙ
В предыдущей главе неоднократно приходилось отмечать свое образную двойственность минералогической кристаллографии, соче тающей черты одновременно и очень старой и совсем молодой научной дисциплины, с чем нам в дальнейшем придется не раз сталкиваться. В связи с этим нельзя не напомнить историю связи минералогии с кристаллографией и хотя бы очень кратко не воскресить в памяти пути развития кристаллографии на фоне геолого-минералогических
наук. Здесь |
мы отметим лишь |
|
самые характерные |
моменты |
этой |
|||||||||||
истории, .отсылая |
читателей |
к |
литературе, |
посвященной |
развитию |
|||||||||||
кристаллографо-минералогических знаний |
[19, 22, |
33, |
34, |
78, |
||||||||||||
123, |
124, |
125, |
126, |
130, |
156, |
189, |
206, |
212, |
214, |
215, |
222]. |
|
|
|||
Появление самых первых понятий о кристаллах связано с заро ждением горного дела и минералогии. С незапамятных времен гор някам были известны поражающие глаз и воображение «угловатые фигуры» кварца, полевого шпата, слюды, пирита, граната. Как известно, само слово «кристалл» происходит от названий природных минералов — льда и кварца, почитавшегося древними греками и рим лянами за окаменевший лед.
В самом начале нашей эры Плиний Старший (23—79) уже обратил внимание на геометрически правильную форму кристаллов и описал
всвоей «Естественной истории» «четырехугольные» фигуры золота
иалмаза, «шестиугольные» образования кварца и т. п. Он догады вался о природном происхождении кристаллов и писал, что горный хрусталь «родится в горах». Однако в тексте о берилле Плиний осторожно оговаривается: «Некоторые думают, что они уже родятся угловатыми» [109].
Следующая фраза, относящаяся к горному хрусталю, предста вляет особый интерес. В ней мы находим самое раннее указание на первый эмпирический закон геометрической кристаллографии — закон плоскогранностги (и прямореберности) кристаллов [16]. Мало того, здесь уже достаточно уверенно говорится о природном проис хождении геометрически правильной формы кварца, хотя перво причина этого явления и остается неразгаданной. «Почему он родится шестисторонним, — пишет Плинии, — тому трудно найти причину, тем более, что концы его неодинаковый вид имеют и что гладкость боков его столь совершенна, что того никаким искусством произ вести невозможно» [109].
Через огромный промежуток времени, в XVI в., начинает разви ваться «горная наука» в Европе. Один из ее зачинателей, выда ющийся саксонский металлург, минералог и врач Г. Агрикола (1494—1555) рекомендовал использовать кристаллические формы в качеотве вспомогательных признаков, позволяющих определять ми нералы. С этой целью он пытался дать их классификацию по внешнему
15 |
Г * с . п і - б |
" |
?f ’ |
|
иаучно-»«,***.,***„„ |
|
1 |
|
QV.6J . -M . .>**1 O '-С Р |
|
|
|
Э Я З іМ ііЛ Я Р |
|
виду, различая плоские, угловатые и другие формы. Среди «угло ватых тел», т. е. кристаллов, Г. Агрикола выделял треугольные, четырехугольные, шестиугольные и прочие «многоугольные» фигуры. Несмотря на все несовершенство такой классификации (саксонец пользовался понятиями плоскостной, а не пространственной гео метрии), с ее помощью горняки того времени распознавали мине ралы исходя из внешних кристаллических обликов. Именно с той поры кристаллография надолго заняла место «служанки» минера логии, решая по ее указаниям задачи, связанные с практическими запросами. От этой роли наука о кристаллах освободилась лишь в начале нашего столетия, когда Отал ясен ее вполне самостоятельный характер.
Отмечая временную подчиненность науки о кристаллах минера логии, нельзя не отметить плодотворного влияния последней на фор мирование первой. Пристальное внимание, обращенное на изучение кристаллов минералов, обладающих хорошо выраженными формами и четким огранением, привело к открытию основных законов гео метрической кристаллографии. В то же время с самого начала наблю дается чисто теоретическое влияние эвклидовой геометрии на фор мирование основных кристаллографических понятий.
В отличие от Г. Агриколы, исходившего из практики и хорошо знавшего многообразие кристаллических образований, гениальный И. Кеплер (1571—1630), основываясь па идее «гармонии мира», писал «об образующей силе, которая находится во внутренностях земли и подобно рождающей жене производит пять правильных геометрических тел в формах драгоценных камней» [126]. Речь идет о пяти правильных выпуклых многогранниках Платона, грани которых являются правильными многоугольниками (к «телам Пла тона» принадлежат тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр; заметим, что две последние фигуры, обладающие пятерными осями симметрии, вообще невозможны в кристаллографии). Эти фанта стические представления не помешали, однако, тому же И. Кеплеру в замечательном трактате «О шестиугольном снеге» (1611) дать по пытку объяснения шестиугольных форм на снежных звездочках при помощи геометрии плотнейших шаровых упаковок (как изве стно, в наше время понятие о плотнейших шаровых упаковках лежит в основе структурной кристаллографии).
Триста лет назад увидела свет небольшая книжка датского есте ствоиспытателя Н. Стенона «О твердом, естественно содержащемся в твердом». По справедливым словам К. Милейтнера, «для кристалло графии и геологии год появления этого сочинения является как бы днем рождения» [120]. Действительно, Н. Стеной, основываясь на тщательных наблюдениях, объясняет происхождение земных слоев и тем самым закладывает основы геотектоники. С другой стороны, опять-таки исходя из строго проверенных фактов, он объясняет рост кристаллов кварца путем наложения нового вещества также в виде слоев, образующихся извне (а не изнутри, как в органических телах). Этот вывод натолкнул его на открытие основного закона
16
геометрической кристаллографии — закона постоянства углов на кристаллах. Закон был установлен с помощью все того же кварца, кристаллы которого Н. Стеной клал на бумагу и затем обрисовывал их контуры. Закон Стенопа, как известно, до сих пор играет большую роль, так как именно на нем базируются современные гониометри ческие методы определения вещества (кристаллохимический анализ Е. С. Федорова, кристаллографический диагноз А. К. Болдырева, метод Т. Баркера и т. д.). Этот закон особенно широко используется при изучении и определении кристаллов минералов.
Говоря о трактате ГІ. Стенопа, еще раз подчеркнем, что в нем оказались объединенными геологические и кристаллогенетические проблемы. Ученый пытался увязать образование вообще всех твер дых тел в природе с выпадением вещества из жидкости. Этим и объ ясняется то, что в его тезисах оказались по соседству земные слои, различные окаменелости и кристаллы кварца, гематита, алмаза и пирита. В дальнейшем диссертация Н. Стенопа была основательно забыта, и ряд исследователей заново открыл закон постоянства углов на кристаллах гипса (А. Левенгук), кальцита (X. Гюйгенс), селитры (М. В. Ломоносов) и др. Наконец, в конце XVIII в. закон сформулировал в общем виде Ж. Б. Роме де Лиль.
В том же самом 1669 г., когда Н. Стеной издал свой трактат,
вКопенгагене появилась тоненькая брошюра под названием «Эразма Бартолина опыты с двупреломляющим исландским кристаллом, которые привели к открытию чудесного и необычайного преломле ния». Вместе с этой броппорой родилась физическая кристаллография вообще и кристаллооптика в частности. С этого момента минерал кальцит стал, по крылатому выражению акад. В. И. Вернадского, играть такую же выдающуюся роль в кристаллографии, «какую имели лягушка в истории физиологии.., бензол в органической химии.., чернозем в истории почвоведения» [23].
Вдальнейшем открытие Э. Бартолина получило блестящее раз витие в трудах X. Гюйгенса и др. Впоследствии наряду с кальцитом
вобласть физической кристаллографии были вовлечены и другие минералы, на которых удалось сделать ряд капитальных открытий (вспомним пироэлектричество турмалина, пьезоэлектричество кварца и т. п.).
Сложнее складывались отношения между химической минерало гией и кристаллографией. Долгое время геометрическое изучение кристаллов минералов и их химическое исследование противопоста влялись друг другу и даже разделяли ученых на два лагеря. Так, руководитель молодого М. В. Ломоносова во Фрейберге И. Ф. Генкель (1679—1744) скептически относился к возможности определения вещества по кристаллическим формам. Кристалломорфологическому изучению он противопоставлял химический анализ. Это видно из следующего его высказывания: «Сначала я задавался вопросом: нельзя ли по внешней форме узнавать внутренний состав камней, но результат был плохим. В самом деле, что может дать изучение формы, если такие различные камни, как алмаз, аквамарин и топаз,
2 и. И. Шафранопсниіі |
17 |
имеют листоватое сложение? Как может помочь, наконец, форма их мельчайших частиц, если таковые одинаковы для упомянутых драго ценных камней и слюды? Листочки или пластинки, из которых они сложены, состоят из более мелких листочков, а эти дают еще более мелкие, уже нерасщепляемые частицы, состоящие в свою очередь из таких же мельчайших частиц. В результате я перешел к хими ческому разложению камней, основными частями коих являются вода, огонь и соли» [222].
Из этого отрывка видно, что И. Ф. Генкель пытался судить о внутреннем строении (структуре) кристаллов, исходя из наблю дений над спайностью. Избранный им подход по существу был пра вильным. Позднее именно по этому пути пошли создатели первых теорий кристаллического строения М. В. Ломоносов, Т. Бергман и Р. Ж. Гаюп.
Однако И. Ф. Генкель ограничился лишь самыми поверхностными наблюдениями и поэтом}' пришел к неправильному выводу о сходстве спайности топаза и слюды, идущей параллельно одной пинакоидальной плоскости, со спайностью алмаза, проходящей вдоль четырех пересекающихся октаэдрических плоскостей. Вместе с тем он чув ствовал необходимость приложения математики к учению о кри сталлах. Из следующей цитаты видно, что он знал о законе постоян ства углов: «Прпрода в своих сочетаниях и смещениях раз и навсегда соизволпла избрать связь, структуру и внешнее строение вещества согласно его свойству и соответственно внешним условиям и обсто ятельствам. От этого принятого правила она уже не отступает, а ста вит циркуль п о т м е р я е т у г л ы , р а з и н а в с е г д а у с т а н о в л е н н ы е д л я р а з н ы х в е щ е с т в .
Поэтому должны существовать не случайные, а неизбежные при чины, которые надо закрепить пером и чернилами и на чертежной доске» [214].
Весьма вероятно, что именно это высказывание, отмечающее стро гую закономерность в геометрии кристаллов, произвело известное впе чатление на молодогоМ.В.Ломоносова и впоследствии было им учтено.
Быть может, не без влияния И. Ф. Генкеля М. В. Ломоносов стремился тщательно измерять углы на кристаллах. «Наконец, отличною фигурою известные и больше всех дорогие камни последуют
в своем рождении законам геометрическим углами |
и |
плоскостьми |
и преимуществуют твердостью и прозрачностью. |
Многие из них |
|
родятся ромбопческой фигуры, имея два угла по 60 и два |
по 120 гра |
|
дусов, что я нарочно мерял у некоторого немалого неграненного алмаза и других прозрачных камней» [83].
В 1749 г. М. В. Ломоносов на основании проведенных измерений пытается связать закон постоянства углов с внутренним строением: кристаллов.
«Если мы предположим, что частицы селитры имеют сферическую форму, к каковой по большей части стремятся мельчайшие природные тела, собирающиеся в кучу, то будет очень легко объяснить, почему селитра вырастает в шестигранные кристаллы.
18
