В. Рачков - Чудесные кристаллы

Был проведен такой опыт: нагретый кристалл через шелковое сито посыпали смесью порошков серы и сурика. Оказалось, что кристалл турмалина сразу разделяет смесь порошков на красный сурик и желтую серу: сера прилипает к одному концу кристалла, а сурик — к другому. При трении о шелковые нити сита порошок электризуется, причем сера получает отрицательный заряд, а сурик — положительный. Известно, что отрицательно заряженные тела притягиваются лишь к положительному заряду и, наоборот, положительно заряженные тела — только к отрицательному. Стало быть, при нагревании кристалл турмалина электризуется, причем на одном конце его появляются отрицательные электрические заряды, а на другом — положительные. Подобные опыты проводились и с другими кристаллами, которые также электризовались при нагревании.

Это явление получило название пироэлектричества, что в переводе означает электричество, возникающее от огня (от греческого слова «пирос» — огонь). Позже было установлено, что пироэлектричество тесно связано с пьезоэлектричеством. Однако потребовалось длительное время, прежде чем ученые узнали об этом.

Шли годы. В течение нескольких веков ученые многих стран шаг за шагом открывали новые удивительные свойства кристаллов. Начало кристаллографии — учению о свойствах, происхождении и выращивании кристаллов— было положено датчанином Николаем Стеноном в 1669 году. Большой вклад в эту науку внесли русские кристаллографы Федоров и Гадолин.

И только после того как были изучены основные свойства кристаллов и люди научились получать и использовать электрическую энергию, молодые французские ученые братья Пьер и Жак Кюри в 1880 году открыли явление пьезоэлектричества. Это открытие было не случайным. Своим успехом братья Кюри обязаны напряженному творческому труду многих ученых и инженеров. Интересен тот факт, что Пьер Кюри был физиком, а Жак Кюри — кристаллографом.

Чем же руководствовались братья Кюри в своем открытии? Какие свойства кристаллов их интересовали?

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить строение вещества и рассказать о свойствах кристаллов.

Известно, что окружающие нас тела состоят из мельчайших невидимых глазом частиц — атомов. Размеры атомов чрезвычайно малы: они составляют стомиллионные доли сантиметра. Атомы объединяются в молекулы, более крупные частицы.

Молекулы бывают однородными и разнородными. Однородные молекулы состоят из одинаковых атомов, а разнородные — из самых различных. Вещество, состоящее из однородных молекул, простое, его нельзя разложить на какие-либо другие вещества. Если же в состав вещества входят молекулы, построенные из разных атомов, то такие вещества называются сложными. Вода, например, сложное вещество: она состоит из кислорода и водорода, которые уже нельзя разложить на другие вещества.

Сами атомы имеют сложное строение и состоят из электрически заряженных частиц. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные частицы — электроны (рис. 1). При этом положительный заряд ядра уравновешен отрицательным зарядом электронов, и в своем обычном состоянии атом электрически нейтрален.

Если же изменить число электронов в атоме, то он выйдет из состояния равновесия. Если, например, удалить один или несколько электронов, то положительный заряд атома станет больше отрицательного и весь атом в целом окажется заряженным положительно. Такой атом называется положительным ионом. Или наоборот, если добавить один или несколько электронов, то атом приобретет отрицательный заряд и превратится в отрицательный ион.

Как располагаются атомы в веществе? Расположены ли они в определенном порядке или беспорядочно, хаотично? Ответить на этот вопрос было трудно. Ведь атомы и молекулы настолько малы, что их невозможно увидеть даже в самый мощный микроскоп. Но ученые обошлись и без этого. Им помогли рентгеновские лучи, которые показали, как расположены атомы в разных веществах.

В кристаллических веществах частицы расположены геометрически правильно, по строгим законам. Если бы мы могли уменьшить свой рост до величины атома и проникнуть внутрь кристалла, то увидели бы, что вокруг нас во все стороны, не только вправо и влево, вперед и назад, но и вверх и вниз тянутся ровные бесконечные ряды атомов. Эти правильные ряды атомов в пространстве называются пространственными решетками , так как они действительно напоминают решетки (рис. 2).