Как выглядят минералы.
Действительно, немного найдется на Земле такого, что было бы сопоставимо по красоте, соразмерности и гармонии линий, изяществу и совершенству форм с хорошо образованным, геометрически правильным кристаллом во всей полноте его развития, — этим чудесным творением природы. А между тем, вся красота и пропорциональность кристаллов, все их изящество и совершенство, столь поражавшие людей средневековья (да и более поздних веков)1', которые видели в кристаллах минералов нечто мистическое, — все это подчиняется строгим законам и может быть исчислено и описано по правилам математики, точнее геометрии (стереометрии). Недаром же учение о морфологии кристаллов именуется геометрической кристаллографией.
И хотя само понятие симметрии (греческое "соразмерность") и гармонии форм в природе, зародившееся в глубокой древности из наблюдений над объектами прежде всего живой материи, нашло отражение поначалу главным образом в таких областях человеческой деятельности, как архитектура и изобразительное искусство, но строгое и стройное учение о симметрии, включая разработку всего того аппарата, которым оно ныне оперирует, — в том числе совокупности элементов и операций симметрии — очень долго складывалось именно в рамках кристаллографии. Лишь впоследствии, по мере того, как становилось ясно, что симметрия есть неотъемлемое свойство всякой материи, учение о симметрии перешагнуло границы кристаллографии, заняв подобающее ему место в физике, химии, биологии и математике. Универсальный принцип симметрии был выдвинут крупнейшим французским физиком Пьером Кюри. Согласно этому принципу, симметрия есть "состояние пространства, характерное для среды, где происходит данное явление". Сегодня мы уже можем определить кристаллографию как приложение общего учения о симметрии к конкретным объектам — кристаллам, а минералогическую кристаллографию в частности — как приложение законов симметрии к кристаллам минералов.
В основе морфологической симметрии кристаллов — симметрии их внешней формы — лежит правильное, закономерное внутреннее строение кристаллического вещества. Начиная со знаменитого опыта Макса фон Лауэ (1912) по дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, — опыта, одновременно установившего волновую природу рентгеновского излучения и решетчатое строение кристаллических тел, — стали развиваться рентгенографические, а впоследствии также электроно- и нейтронографические методы исследования внутренней структуры кристаллов. К настоящему времени это привело к расшифровке кристаллических структур всех или почти всех минералов земной коры, равно как и искусственных соединений, получаемых в лабораториях. Был, в частности, синтезирован целый ряд искусственных кристаллов — структурных аналогов природных минералов, во многих случаях — с весьма ценными; подчас уникальными свойствами.
При всем разнообразии кристаллических структур в основе их лежит одна общая для любых кристаллов черта: все они обладают правильной (регулярной) пространственной, или кристаллической, решеткой (рис. 2А.1), представляющей собой бесконечную трехмерную систему точек, называемых узлами решетки, в которых закономерно, периодически чередуясь, рядами располагаются атомы, ионы, молекулы, радикалы, т.е. материальные частицы, составляющие данное твердое тело (в том числе, разумеется, и минерал). Расстояния между этими частицами (узлами решетки) оказались соизмеримыми с длиной волны рентгеновского излучения, вследствие чего по отношению к нему чей сквозь какое-либо кристаллическое вещество возникает (и может быть зафиксирована) характеристическая для него дифракционная картина.
Сегодня уже нельзя говорить о внешней симметрии кристаллов, вовсе не касаясь их внутреннего строения и, в частности, симметрии кристаллической решетки; поэтому по ходу изложения материала нам придется время от времени затрагивать, пусть и весьма бегло, также и эту тему.
Сколь бы ни была сложна внутренняя (атомная) структура кристалла, в пространственной решетке любого кристаллического вещества всегда можно выделить некий наименьший "строительный кирпичик" — так называемый "параллелепипед повторяемости", бесконечно повторяющийся в трех непараллельных направлениях. В кристаллах, симметрия решетки которых соответствует такому примитивному параллелепипеду , он принимается за единицу кристаллической структуры — ее элементарную ячейку (э.я.). Если же симметрия кристалла отлична от симметрии примитивного параллелепипеда (как правило, выше), то в качестве э.я. может быть выбран вовсе не он, а другая фигура — например, куб, тетрагональная (четырехгранная) или гексагональная (шестигранная) призма, ромбоэдр и т.д., причем узлы решетки могут располагаться не только в углах (вершинах), но и в некоторых из таких фигур (объемноцентрированные решетки), в центрах боковых сторон (гранецентрированные решетки) или в центрах верхней и нижней сторон, в частности, призматических ячеек (базоцентрированные решетки). Основанием для выбора непримитивной э.я. служит совпадение ее симметрии с общей симметрией решетки, т.е. сохранение симметрии решетки в каждой элементарной ячейке структуры. Всего существует 14 типов кристаллических решеток (рис. 2А.2); они называются пространственными решетками Бравэ по имени французского кристаллографа Огюста Бравэ (1811 — 1863), уточнившего в 1848 г. их возможное число. Решетки Бравэ соответствуют типам элементарных ячеек, выделяемых в кристаллах разной симметрии. Важно, чтобы такие наименьшие структурные единицы — элементарные ячейки — могли, плотно прилегая одна к другой, сплошь, без пробелов и просветов, заполнять пространство (объем кристалла).
Пространственная решетка с вписанным в нее "параллелепипедом повторяемости" - примитивной элементарной ячейкой
<1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> <8> <9> <10> <11> <12> <13> <14> <15> <16> <17> <18> <19> <20> <21> <22> <23> <24> <25> <26> <27> <28> <27> <29> <30> <31> <32> <33> <34> <35>