Конец 19-го, самое начало 20-го века ознаменовались бурным развитием науки. Казалось, уже всё становится ясно в мироздании. Осталось объяснить несколько непонятных фактов, и здание науки будет окончательно построено. Именно тогда геологи нашли новый тип минерала, состоящий из золота с теллуром, и назвали его калаверит.
Здесь необходимо сделать маленькое отступление в историю науки кристаллографии, точнее, той её части, что сейчас называется петрография – наука о кристаллах. Кристаллы всегда привлекали и завораживали людей с древних времен. Им приписывали чудодейственную силу, способность оберегать людей и вылечивать от болезней. В то же время самых пытливых интересовало и их внутреннее строение. Первые упоминания о том, что идеальная форма кристаллов является отражением их упорядоченного внутреннего строения, можно найти в работах классиков науки 17-го века – Иоганна Кеплера, Рене Декарта, Роберта Гука, Кристиана Гюйгенса. Однако первой по-настоящему “кристаллографической” работой считается труд монаха Нильса Стенсена, в которой он экспериментально установил закон постоянства углов между гранями природных кристаллов. В конце 18 века Рене-Жюст Гаюи предположил, что кристаллы состоят из маленьких одинаковых параллепипедов. Основываясь на его идеях и используя принципы аналитической геометрии, Уильям Миллер уже в 19-ом веке предложил способ описания граней с помощью взаимно простых целых чисел, которые получили название по имени их открывателя. Эти числа определяют соотношение синусов углов между гранями кристаллов и до сих пор используются для описания формы кристаллов.
Но вот незадача. В самом конце 19-го века геологи нашли новый вид кристаллов – калаверит, телурит золота. Этот самый кристалл не хотел подчиняться закону Миллера, цифры для описания граней были нецелочисленные. Конечно, кристалл тут же объявили обломком и стати искать второй. Нашли, но история и здесь повторилась. Причем, отличия от целых чисел оказались теми же. Описание третьего кристалла окончились с тем же результатом. Статью, конечно, написали, явление объявили артефактом и постарались забыть. Но у многих в подсознании этот кристалл ещё долго сидел как камешек в ботинке.
Новая эпоха в познании кристаллов началась с открытия X-лучей. Свое название они получили потому, что сначала была непонятна их природа. Так их назвал человек, впервые обнаруживший их. Так они и называются до сих пор во всем мире, кроме одной страны. Естественно России. Очень скоро Вильгельм Конрад Рентген пришел к выводу, что природа этих лучей та же, что и радиоволн, видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучения. К этому времени атомистическая теория давно и прочно утвердилась в науке. И даже удалось оценить размер атомов и ввести единицу их измерения – ангстрем – одно стомиллионная доля сантиметра. Строгое упорядочение атомов в кристаллах также не вызывало сомнений. Когда же Арнольду Зоммерфельдуу удалось определить длину волны нового излучения примерно в 1-2 ангстрема, Макс фон Лауэ, совместив представление о строении кристалла и физику волновых процессов, предложил использовать кристаллы для дифракции рентгеновских лучей.
Для тех, кто уже забыл школьную физику, напомню суть этого явления. Представьте себе штакетник. Только размер планочек и расстояния между ними очень-очень маленькое и строго постоянные. Если теперь мы направим на него луч света одной длины волны, то за таким “заборчиком” он будет распространяться не только прямолинейно, но под разными углами к направлению луча. На экране, установленном позади штакетника, мы увидим чередование светлых и темных полос, яркость которых будет убывать по мере удаления от первоначального направления. Луч белого цвета даст нам многократно повторенную радугу. Это явление и называется дифракцией, а наш штакетник – дифракционной решеткой. Два взаимно перпендикулярных “штакетника” приведёт к появлению не полос, а точек. Трехмерная периодическая структура, коей является кристалл, даст уже сложное распределение таких лучей в пространстве. Правда, должно выполняться одно очень важное условие: размер дифракционной решетки должен быть сопоставим с длиной волны излучения.
С обнаружением дифракции на кристаллах получила подтверждение идея Гаюи о строении кристалла из маленьких параллепипедов. Только теперь они приобрели несколько условный характер и получили название “элементарная ячейка”. Причем эта “единица повторяемости” всегда одна и та же. Физики очень быстро выяснили, что распределение дифракционных лучей в пространстве зависит от формы элементарной ячейки и её размеров по трем направлениям, а интенсивность каждого луча – от расположения атомов в ней. Так началась эпоха рентгеноструктурного анализа монокристаллов. Но прошло ещё более полувека напряженных поисков, прежде чем развитие науки и техники позволили превратить этот метод в доступный практически каждому исследователю.
Продолжение следует…
