Unapotazama fuwele na vito, mtu anataka kuelewa jinsi urembo huu wa ajabu ungeweza kuonekana, jinsi kazi za ajabu kama hizi za asili zinavyoundwa. Kuna hamu ya kujifunza zaidi juu ya mali zao. Baada ya yote, muundo maalum, hakuna mahali popote katika asili unaorudiwa wa fuwele huruhusu kutumika kila mahali: kutoka kwa vito vya mapambo hadi uvumbuzi wa hivi karibuni wa kisayansi na kiufundi.
Utafiti wa madini ya fuwele
Muundo na sifa za fuwele zina sura nyingi sana hivi kwamba sayansi tofauti, madini, inahusika katika utafiti na uchunguzi wa matukio haya. Msomi maarufu wa Kirusi Alexander Evgenievich Fersman alichukuliwa na kushangazwa na utofauti na ukamilifu wa ulimwengu wa fuwele kwamba alijaribu kuvutia akili nyingi iwezekanavyo na mada hii. Katika kitabu chake Entertaining Mineralogy, alihimiza kwa shauku na uchangamfu kufahamu siri za madini na kutumbukia katika ulimwengu wa vito:
Ninakutaka sanavutia. Nataka uanze kupendezwa na milima na machimbo, migodi na migodi, ili uanze kukusanya makusanyo ya madini, ili unataka kwenda na sisi kutoka jiji mbali zaidi, hadi mkondo wa mto, ambapo kuna ni kingo za miamba mirefu, hadi vilele vya milima au kwenye ufuo wa bahari wenye miamba, ambapo mawe huvunjwa, mchanga huchimbwa, au madini yanalipuka. Huko, kila mahali mimi na wewe tutapata la kufanya: na katika miamba iliyokufa, mchanga na mawe, tutajifunza kusoma baadhi ya sheria kuu za asili ambazo zinatawala ulimwengu wote na kulingana na ambayo ulimwengu wote umejengwa.
Fizikia huchunguza fuwele, ikibishana kuwa mwili wowote dhabiti ni fuwele. Kemia huchunguza muundo wa molekuli ya fuwele, na kufikia hitimisho kwamba metali yoyote ina muundo wa fuwele.
Utafiti wa sifa za ajabu za fuwele ni wa umuhimu mkubwa kwa maendeleo ya sayansi ya kisasa, teknolojia, tasnia ya ujenzi na tasnia nyingine nyingi.
Sheria za kimsingi za fuwele
Kitu cha kwanza ambacho watu hugundua wanapotazama kioo ni umbo lake bora lenye nyuso nyingi, lakini si sifa kuu ya madini au chuma.
Fuwele inapovunjwa vipande vipande, hakuna kitakachosalia katika umbo linalofaa, lakini kipande chochote, kama hapo awali, kitabaki kuwa kioo. Kipengele tofauti cha fuwele si mwonekano wake, lakini sifa za muundo wake wa ndani.
Ulinganifu
Jambo la kwanza kukumbuka na kuzingatia wakati wa kusoma fuwele ni tukioulinganifu. Imeenea katika maisha ya kila siku. Mabawa ya kipepeo yana ulinganifu, alama ya doa kwenye kipande cha karatasi kilichokunjwa katikati. Fuwele za theluji zenye ulinganifu. Theluji yenye pembe sita ina ndege sita za ulinganifu. Kwa kukunja picha kwenye mstari wowote unaoonyesha ulinganifu wa chembe ya theluji, unaweza kuchanganya nusu zake mbili zenyewe.
Mhimili wa ulinganifu una sifa ambayo, kwa kuzungusha kielelezo kwa pembe fulani inayojulikana kuizunguka, inawezekana kuchanganya sehemu zinazofaa za takwimu kwa kila mmoja. Kulingana na saizi ya pembe inayofaa ambayo takwimu inahitaji kuzungushwa, shoka za mpangilio wa 2, 3, 4 na 6 zimedhamiriwa katika fuwele. Kwa hivyo, katika vipande vya theluji, kuna mhimili mmoja wa ulinganifu wa utaratibu wa sita, ambao ni perpendicular kwa ndege ya kuchora.
Kiti cha ulinganifu ni sehemu kama hiyo katika ndege ya takwimu, kwa umbali sawa ambao katika mwelekeo tofauti kuna vipengele sawa vya kimuundo vya takwimu.
Kuna nini ndani?
Muundo wa ndani wa fuwele ni aina ya mchanganyiko wa molekuli na atomi katika mpangilio maalum wa fuwele pekee. Je, wanajuaje muundo wa ndani wa chembe ikiwa hazionekani hata kwa darubini?
X-rays hutumika kwa hili. Wakizitumia kwa fuwele zinazopitisha mwanga, mwanafizikia Mjerumani M. Laue, mwanafizikia wa Kiingereza baba na mwana Bragg, na profesa wa Kirusi Yu. Wolf walianzisha sheria kulingana na ambazo muundo na muundo wa fuwele huchunguzwa.
Kila kitu kilikuwa cha kushangaza na kisichotarajiwa. Samodhana ya muundo wa molekuli iligeuka kuwa isiyotumika kwa hali ya fuwele ya maada.
Kwa mfano, dutu inayojulikana kama vile chumvi ya meza ina muundo wa kemikali wa molekuli ya NaCl. Lakini katika fuwele, atomi za kibinafsi za klorini na sodiamu haziongezi molekuli tofauti, lakini huunda usanidi fulani unaoitwa kimiani cha anga au fuwele. Chembe ndogo zaidi za klorini na sodiamu zimeunganishwa kwa umeme. Latiti ya kioo ya chumvi huundwa kama ifuatavyo. Moja ya elektroni za valence ya shell ya nje ya atomi ya sodiamu huletwa ndani ya shell ya nje ya atomi ya klorini, ambayo haijajazwa kabisa kutokana na kutokuwepo kwa elektroni ya nane katika shell ya tatu ya klorini. Kwa hiyo, katika kioo, kila ioni ya sodiamu na klorini sio ya molekuli moja, bali ya kioo nzima. Kutokana na ukweli kwamba atomi ya klorini ni monovalent, inaweza kuunganisha elektroni moja tu yenyewe. Lakini vipengele vya kimuundo vya fuwele husababisha ukweli kwamba atomi ya klorini imezungukwa na atomi sita za sodiamu, na haiwezekani kuamua ni nani kati yao atashiriki elektroni na klorini.
Inabadilika kuwa molekuli ya kemikali ya chumvi ya mezani na fuwele yake si kitu kimoja hata kidogo. Fuwele nzima ni kama molekuli moja kubwa.
Grille - mfano pekee
Hitilafu inapaswa kuepukwa wakati kimiani cha anga kinachukuliwa kama kielelezo halisi cha muundo wa fuwele. Lattice - aina ya picha ya masharti ya mfano wa uunganisho wa chembe za msingi katika muundo wa fuwele. Pointi za uunganisho wa gridi ya taifa kwa namna ya mipirakwa kuonekana hukuruhusu kuonyesha atomi, na mistari inayoziunganisha ni taswira ya takriban ya nguvu zinazofunga kati yao.
Kwa kweli, mapengo kati ya atomi ndani ya fuwele ni madogo zaidi. Ni ufungashaji mnene wa chembe zake zinazounda. Mpira ni jina la kawaida la atomi, matumizi ambayo inafanya uwezekano wa kutafakari kwa mafanikio mali ya kufunga kwa karibu. Kwa kweli, hakuna mawasiliano rahisi ya atomi, lakini mwingiliano wao wa sehemu kwa kila mmoja. Kwa maneno mengine, taswira ya mpira katika muundo wa kimiani ya kioo, kwa uwazi, ni duara inayoonyeshwa ya kipenyo kama hicho ambacho kina sehemu kuu ya elektroni za atomi.
Ahadi ya nguvu
Kuna nguvu ya umeme ya mvuto kati ya ioni mbili zenye chaji kinyume. Ni binder katika muundo wa fuwele za ionic kama vile chumvi ya meza. Lakini ikiwa utaleta ioni karibu sana, basi obiti zao za elektroni zitaingiliana, na nguvu za kuchukiza za chembe zilizochajiwa zitaonekana. Ndani ya fuwele, usambazaji wa ions ni kwamba nguvu za kuchukiza na za kuvutia ziko katika usawa, kutoa nguvu za fuwele. Muundo huu ni wa kawaida kwa fuwele za ioni.
Na katika lati za fuwele za almasi na grafiti kuna muunganisho wa atomi kwa usaidizi wa elektroni za kawaida (za pamoja). Atomi zilizo karibu sana zina elektroni za kawaida zinazozunguka kiini cha atomi moja na jirani.
Utafiti wa kina wa nadharia ya nguvu zilizo na vifungo hivyo ni mgumu sana na upo katika uwanja wa quantum mechanics.
Tofauti za Chuma
Muundo wa fuwele za chuma ni changamano zaidi. Kwa sababu ya ukweli kwamba atomi za chuma hutoa kwa urahisi elektroni za nje zinazopatikana, zinaweza kusonga kwa uhuru katika kiasi kizima cha fuwele, na kutengeneza kinachojulikana kama gesi ya elektroni ndani yake. Shukrani kwa elektroni za "kuzunguka" vile, nguvu zinaundwa ambazo zinahakikisha nguvu ya ingot ya chuma. Utafiti wa muundo wa fuwele za chuma halisi unaonyesha kwamba, kulingana na njia ya baridi ya ingot ya chuma, inaweza kuwa na kasoro: uso, uhakika na mstari. Ukubwa wa kasoro kama hizo hauzidi kipenyo cha atomi kadhaa, lakini hupotosha kimiani cha fuwele na kuathiri michakato ya usambaaji katika metali.
Ukuaji wa Kioo
Kwa ufahamu rahisi zaidi, ukuaji wa dutu ya fuwele unaweza kuwakilishwa kama usimamishaji wa muundo wa matofali. Ikiwa matofali moja ya uashi usiofanywa yanawasilishwa kama sehemu muhimu ya kioo, basi inawezekana kuamua mahali ambapo kioo kitakua. Mali ya nishati ya kioo ni kwamba matofali yaliyowekwa kwenye matofali ya kwanza yatapata mvuto kutoka upande mmoja - kutoka chini. Wakati wa kuwekewa pili - kutoka pande mbili, na kwa tatu - kutoka tatu. Katika mchakato wa crystallization - mpito kutoka kwa kioevu hadi hali imara - nishati (joto la fusion) hutolewa. Kwa nguvu kubwa ya mfumo, nishati yake inayowezekana inapaswa kuwa ndogo. Kwa hiyo, ukuaji wa fuwele hutokea safu kwa safu. Kwanza, safu ya safu ya ndege itakamilika, kisha ndege nzima, na kisha tu inayofuata itaanza kujengwa.
Sayansi yafuwele
Sheria ya msingi ya fuwele - sayansi ya fuwele - inasema kwamba pembe zote kati ya ndege tofauti za nyuso za fuwele daima ni sawa na sawa. Haijalishi jinsi fuwele inayokua imepotoshwa, pembe kati ya nyuso zake huhifadhi thamani sawa ya asili katika aina hii. Bila kujali saizi, umbo, na nambari, nyuso za ndege moja ya fuwele kila wakati huingiliana kwa pembe ile ile iliyoamuliwa mapema. Sheria ya uthabiti wa pembe iligunduliwa na M. V. Lomonosov mnamo 1669 na alichukua jukumu kubwa katika utafiti wa muundo wa fuwele.
Anisotropy
Upekee wa mchakato wa kuunda fuwele ni kutokana na hali ya anisotropi - sifa tofauti za kimaumbile kulingana na mwelekeo wa ukuaji. Fuwele moja hupitisha umeme, joto na mwanga kwa njia tofauti katika mwelekeo tofauti na huwa na nguvu zisizo sawa.
Kwa hivyo, kipengele cha kemikali kilicho na atomi sawa kinaweza kuunda lati tofauti za fuwele. Kwa mfano, kaboni inaweza kuwaka katika almasi na kuwa grafiti. Wakati huo huo, almasi ni mfano wa nguvu ya juu zaidi kati ya madini, na grafiti huacha mizani yake kwa urahisi wakati wa kuandika kwa penseli kwenye karatasi.
Kupima pembe kati ya nyuso za madini kuna umuhimu mkubwa wa kivitendo katika kubainisha asili yake.
Sifa za Msingi
Baada ya kujifunza vipengele vya muundo wa fuwele, tunaweza kueleza kwa ufupi sifa zake kuu:
- Anisotropy - sifa zisizo sawa katika pande tofauti.
- Uniformity - msingiviambajengo vya fuwele, vilivyowekwa kwa nafasi sawa, vina sifa sawa.
- Uwezo wa kujikata - kipande chochote cha fuwele katika wastani unaofaa kwa ukuaji wake kitachukua umbo la pande nyingi na kitafunikwa na nyuso zinazolingana na aina hii ya fuwele. Ni sifa hii inayoruhusu fuwele kudumisha ulinganifu wake.
- Kubadilika kwa kiwango myeyuko. Uharibifu wa kimiani cha anga cha madini, yaani, mpito wa dutu ya fuwele kutoka kigumu hadi hali ya kioevu, daima hutokea kwa joto sawa.
Fuwele ni vitu vikali ambavyo vimechukua umbo asilia wa polihedroni linganifu. Muundo wa fuwele, unaojulikana na malezi ya kimiani ya anga, ulitumika kama msingi wa maendeleo katika fizikia ya nadharia ya muundo wa elektroniki wa dhabiti. Utafiti wa mali na muundo wa madini una umuhimu mkubwa wa kiutendaji.
