Как растут кристаллы
2#14
international year of crystallography
Проф. Г.В.Вульф
Всем известно, что кристаллы образуются в жидкости и, раз образовавшись, увеличиваются в размерах — растут. Стоит растворить в воде квасцы или селитру до насыщения, поставить раствор так, чтобы он мог свободно высыхать, и мы через некоторое время заметим появление кристаллов растворенного вещества, и эти кристаллы будут расти. Как ни прост этот опыт, однако большинству он не удается. Во-первых, явление роста кристаллов далеко не так просто, как кажется с начала, а, во-вторых, даже и простые опыты удаются лишь тогда, когда производящий их хорошо понимает суть дела и может избежать осложнений, способных помешать удаче опыта.
Многие думают, что кристаллы растут из насыщенного раствора. Это глубоко ошибочно. Насыщенный раствор содержит в себе ровно столько растворенного вещества, сколько его может раствориться при данной температуре. Чтобы из раствора могло выделиться растворенное вещество, необходимо, чтобы оно содержалось в нем в избытке, чтобы раствор был пересыщен. Если раствор лишь насыщен, а тем более, если он недосы-щен, то, очевидно, он не может из себя выделить растворенного в нем вещества. Для того же, чтобы сделать раствор пересыщенным, надо его в большинстве случаев охладить или же удалить из него часть растворителя, высушивая раствор при неизменной температуре. Обыкновенно и пересыщенный раствор не склонен сразу выделить из себя кристаллы, и часто надо бывает или подождать некоторое время, или же бросить в него кристаллик растворенного в нем вещества — затравку. Сделать это надо, однако, вовремя, пока раствор не очень пересытился, иначе получится множество мелких кристаллов, а не один или несколько хороших, которые бы нас удовлетворили. Уже этих немногих замечаний достаточно для того, чтобы читатель убедился, что дело с ращением хороших кристаллов обстоит не просто.
Надо себе ясно представлять, как растут кристаллы. Мы начнем с явлений, сопровождающих рост кристалла из раствора.
Представим себе, что из раствора выделился кристалл, лежит на дне сосуда и растет. Обыкновенно говорят: нельзя тревожить растущий кристалл и раствор. Если желаем получить хороший
кристалл, пусть кристалл растет спокойно. Мы дальше увидим, насколько справедливо это правило, а теперь спросим себя, под влиянием каких сил осаждаются на кристалле частицы растворенного вещества в таком, по-видимому, спокойном растворе. Первое предположение, которое напрашивается в данном случае, состоит в том, что кристаллы есть центр притягательных сил, распространяющихся на всю массу раствора, и что под влиянием этих сил на кристалл устремляются частицы растворенного вещества из всей массы раствора: кристалл как бы высасывает из раствора вещество. Однако такое предположение было опровергнуто очень простым опытом Франкенгейма еще в 1836 году. Франкенгейм заставлял расти кристалл, покрытый весьма тонким слоем лака, и оказалось, что такой кристалл не растет — силы, с которыми кристалл действует на раствор, распространяются вокруг кристалла на расстояние, меньшее толщины тонкого лакового слоя. Если бы кристалл действовал на частицы раствора подобно магниту, то, разумеется, тонкий слой лака не уничтожил бы такого действия кристалла. Значит, силы, с которыми кристалл действует на раствор, относятся к разряду молекулярных сил, действие которых заметно лишь на расстояниях, соизмеримых с расстояниями, отделяющими частицы вещества друг от друга. Таким образом, кристалл питается веществом, находящимся в слое раствора, непосредственно к нему прилегающем. Что же должно сделаться с этим слоем раствора, когда он выделит на поверхность кристалла избыток заключенного в нем твердого вещества? Он, несомненно, станет более легким, чем окружающий его пересыщенный раствор, и начнет всплывать на поверхность раствора. С кристалла вверх потянется струйка более легкого насыщенного раствора. Надо думать, что раствор даже раньше станет подыматься с кристалла вверх, чем отдаст кристаллу весь свой избыток твердого вещества, что этот подымающийся с кристалла раствор будет еще несколько пересыщен. Английский ученый Майерег очень остроумными опытами доказал, что это именно так, что прилегающий к растущему кристаллу раствор всегда несколько пересыщен, и ему даже удалось измерить степень пересыщения этого слоя раствора. Подымаясь с кристалла, струйка раствора играет роль тяги
в печной трубе и притягивает снизу и с боков к кристаллу свежие порции пересыщенного раствора, поглощающиеся кристаллом и, в свою очередь, подымающиеся струйкой вверх. Таким образом, кристалл перемешивает свой собственный раствор, и только таким образом он может расти. Итак, раствор с растущим кристаллом вовсе не остается покойным — в нем все время циркулируют токи, его перемешивающие. Для правильности роста кристалла необходимо, чтобы эти токи, которые назовем концентрационными, не были слишком энергичны. Автор задался целью изучить влияние этих токов на рост кристалла. Он сделал ряд моментальных фотографий с растущего кристалла при помощи способа Теплера*, основанного на том, что лучи света меняют свое направление, проходя через среды с различными показателями преломления. Если через раствор пропустить огромный пучок лучей, то этот пучок можно перехватить заслоночкой, как раз достаточной для этого по своим размерам. Если в растворе будут токи другого показателя преломления, чем раствор, то они отклонят части лучей и выведут их из-за заслоноч-ки. Эти лучи и сделают токи светлыми на темном фоне для глаза, помещенного за заслоночкой и смотрящего по направлению к раствору. Вместо глаза можно поместить объектив фотографического аппарата. Прибор, примененный автором, изображен на рис.1. Автор работал с этим прибором в деревне, поэтому и лампа взята керосиновая.
* Подробности относительно метода Теплера читатели найдут в «Природе» за 1914 год, с.1504. — Ред.
Рис.1. Прибор для фотографирования токов при кристаллизации. Лампа освещает вертикальную щель: лучи от щели, пройдя собирательное стекло, падают параллельным пучком на цилиндрический сосудик с раствором и собираются в виде светлой вертикальной линии на вертикальном ребре заслоночки перед объективом фотографической камеры. Растущий в сосудике кристалл производит токи, отклоняющие лучи, которые и проникают в объектив камеры, направленный на кристаллик.
Моментальная съемка производилась магнезиальной вспышкой. Маленький цилиндрический сосудик с раствором служил в то же время и собирательной цилиндрической чечевицей, в фокусе которой помещалась заслоночка. Объективом фотографической камеры служил слабый объектив микроскопа. Снимки, полученные автором, воспроизведены на рис.2.
На этих снимках представлены десять последовательных стадий роста одного кристалла сернокислой цинковоаммиачной соли, отделенных промежутком времени около четырех минут. Изображения больше действительных предметов в 2—6 раз.
На каждом изображении видим кристалл, покоящийся на дне сосудика. Видим также и уровень раствора. От кристалла подымается вверх струйка концентрационного тока, идущая до самого уровня жидкости и отражающаяся от него внутрь толщи раствора, где она расплывается.
Для того чтобы вполне понять таблицу, следует заметить, что кристаллик появился, когда еще раствор не совсем остыл, так что пересыщение при его появлении не достигло еще максимума. Что раствор продолжал охлаждаться во время роста кристалла, на это указывают струйки охлажденного раствора, спускающегося вниз. Эти струйки видны на первых четырех снимках, особенно же резко на третьем. Такой ход явления давал возможность представить более общую картину действия концентрационных токов.
По таблице видно, что энергия концентрационных токов возрастает по мере охлаждения раствора, т.е. по мере увеличения его пересыщения. Из сравнения отдельных изображений можно с ясностью вывести заключение, что при слабых концентрационных токах кристалл растет гораздо правильнее, чем при сильных. Действительно, на первых четырех снимках концентрационные токи еще слабы, и форма кристалла показывает правильные плоские грани, пересекающиеся по прямолинейным ребрам. С пятого изображения начинается усиление концентрационных токов, и ему сопутствует искажение правильных очертаний кристалла. На десятом (последнем) изображении токи и искажение формы достигают максимума: токи принимают бурный характер, а форма почти не показывает плоских ограничений. Такое искажение многогранной формы концентрационными токами не может не отразиться и на внутреннем
строении кристалла; кристаллы, выросшие под влиянием сильных концентрационных токов, бывают переполнены включениями, так что теряют прозрачность. Концентрационные токи влияют на форму кристалла. Они стремятся как бы расплющить кристалл, делая его больше в горизонтальном направлении, чем в вертикальном, предполагая, разумеется, что кристалл растет на плоском горизонтальном дне сосуда. Струйка, подымающаяся с кристалла, привлекает к нему свежий раствор с боков по дну сосуда. Поэтому твердое вещество отлагается прежде всего на боках кристалла. На верхнюю часть кристалла раствор протекает уже более бедный растворенным веществом. Поэтому кристалл должен больше расти в горизонтальном направлении, чем в вертикальном. Это обстоятельство может сильно исказить форму кристалла. Если кристалл по своей природе должен быть кубом, то при росте его на дне сосуда мы могли бы ожидать, что вырастет лишь верхняя половина куба, так что кристалл будет вдвое ниже, чем если бы он рос свободно подвешенным в жидкости. Однако же при этих условиях кубический кристалл вырастает в призму с квадратным основанием, высота которой меньше половины стороны основания. Теоретическая форма кристалла становится иногда неузнаваемой. Виновницей такого искажения внешней формы кристалла в конечном счете является сила тяжести — это она производит струйки концентрационных токов, и если мы сумеем устранить это одностороннее влияние силы тяжести, направленной по вертикали, то дадим возможность кристаллу получить при росте теоретическую форму. Такого исключен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.