Лит.:Шубников А. В.. Флинт Е. Е., Бокий Г. Б., Основы кристаллографии, М.- Л., 1940; Делоне Б. Н., Александров А., Математические основы структурного анализа кристаллов..., Л.- М., 1934; Белов Н. В., Структура ионных кристаллов и металлических фаз, М., 1947.
Б. К. Вайнштейн, А. А. Гусев.
Кристаллическая решётка, у которой элементарная ячейка - параллелепипед с ребрами а, b, с и углами между ними a, b, g.
Кристаллические блоки
Кристалли'ческие бло'ки,области реального кристалла, в которых кристаллическая решётка имеет не строго одинаковую ориентацию. Размер блоков может колебаться от мкмдо нескольких см.Блочный характер структуры многих реальных кристаллов обнаруживается, например, по расщеплению пятен лауэграмм (см. Кристаллы, Рентгеноструктурный анализ) .
Кристаллический счётчик
Кристалли'ческий счётчик,прибор для регистрации ионизирующих излучений, основанный на появлении под их действием заметной электропроводности у диэлектриков.К. с. представляет собой монокристалл диэлектрика (обычно алмаз или сульфид кадмия CdS), на противоположные грани которого нанесены электроды (рисунок); к электродам приложена разность потенциалов. По принципу действия это - твердотельная ионизационная камера.Проходя через кристалл, заряженные частицы вызывают в нём ионизацию.Образующиеся в результате ионизации свободные носители заряда - электроны проводимости и дырки-движутся под влиянием электрического поля к соответствующим электродам. В результате в цепи К. с. течёт ток. Сила тока является мерой интенсивности потока ионизирующего излучения.
Отдельная ионизирующая частица вызывает в цепи К. с. кратковременный импульс тока, который после усиления можно зарегистрировать пересчётным прибором или амплитудным анализатором.При этом амплитуда импульса пропорциональна энергии частицы (если её пробег меньше размеров кристалла). Недостаток К. с. - поляризация диэлектрика. Часть носителей заряда при движении к электродам захватывается дефектами кристаллической решётки. Возникает внутреннее электрическое поле, возрастающее по мере облучения кристалла и ослабляющее действие приложенного внешнего поля. Это приводит к уменьшению амплитуды импульсов и к прекращению счёта. Для устранения поляризации применяют нагрев кристалла, его освещение, приложение переменного поля и т. п. Простота конструкции К. с., его малые размеры (несколько мм 3) и способность некоторых кристаллов (например, алмаза) работать при высоких температурах делают К. с. удобным для отдельных применений, например в дозиметрических устройствах.Для отдельных измерений, требующих анализа энергий частиц, лучшими свойствами обладает другая разновидность твердотельной ионизационной камеры - полупроводниковый спектрометр.
Лит.:Головин Б. М., Осипенко Б. П., Сидоров А. И., Гомогенные кристаллические счетчики ядерных излучений, «Приборы и техника эксперимента», 1961, № 6, с. 5; Дирнли Дж. и Нортроп Д. К., Полупроводниковые счетчики ядерных излучений, пер. с англ., М., 1966.
С. Ф. Козлов.
Блок-схема кристаллического счётчика, работающего в импульсном режиме
Кристаллическое поле
Кристалли'ческое по'ле, внутрикристаллическое поле, электрическое поле, существующее внутри кристаллов. Реже К. п. называют также образующееся внутри некоторых кристаллов магнитное поле. На коротких (порядка межатомных) расстояниях положительные и отрицательные заряды внутри кристалла не компенсируют друг друга и создают электрические поля. Напряжённость электрического поля в кристаллах может достигать значений ~ 10 8в/сми более.
Понятием К. п. пользуются при расчётах энергетического спектра парамагнитных ионов в ионных кристаллах и комплексных соединениях.В этом случае электрическое К. п. называют полем лигандов. К. п. называется слабым средним или сильным, если энергия взаимодействия электронов парамагнитного иона с К. п. меньше, сравнима или больше энергии спин-орбитального взаимодействия или электростатического взаимодействия электронов между собой. Для расчётов К. п. часто пользуются приближением точечных зарядов, когда реальные размеры ионов, атомов или их групп не учитываются и они рассматриваются как точечные заряды или электрические диполи, находящиеся в узлах кристаллической решётки.Потенциал К. п. обладает симметрией, определяющейся симметрией кристаллов.Величина и симметрия электрических К. п. в данной точке кристалла зависят от симметрии окружения этой точки и от деформаций в образце, возникающих, например, под влиянием внешних воздействий, от наличия примесей, дефектов и электрической поляризации кристалла. К. п. непрерывно колеблется в небольших пределах относительно своего среднего значения в соответствии с колебаниями кристаллической решётки.
Электрическое К. п. исследуют оптическими и радиоспектроскопическими методами [ электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР)]. Для оценки величины и определения локальной симметрии К. п. оптическими методами и методом ЭПР в диамагнитный кристалл (матрицу) часто вводят небольшие количества парамагнитных ионов, которые используются в качестве «атомных зондов». Исследование величины и симметрии К. п. позволяет изучить структуру твёрдых тел и энергию взаимодействия ионов с кристаллическим окружением. Такие диамагнитные матрицы с примесью парамагнитных ионов являются основой твердотельных лазеров и квантовых усилителей СВЧ.
Магнитные К. п., значительные по величине, возникают в кристаллах, содержащих парамагнитные ионы и атомы. Различают сверхтонкие и дипольные магнитные К. п. Сверхтонкие поля (10 5-10 6 э) обусловлены т. н. сверхтонким взаимодействием магнитных моментов ядер и их электронного окружения и наблюдаются в основном на ядрах магнитных ионов. Дипольные магнитные поля создаются в окружающем пространстве парамагнитными ионами как и обычными магнитными диполями. Наибольшие значения дипольных полей 10 3-10 4 э,на расстояниях от магнитного иона ~10 -8 см.Эти значения полей характерны для магнитоупорядоченных кристаллов. В др. случаях магнитные поля быстро флуктуируют под действием тепловых колебаний и их средние значения близки к нулю. Магнитные К. п. в кристаллах исследуются методом ЯМР и с помощью Мёссбауэра эффекта.
Лит.:Бальхаузен К., Введение в теорию поля лигандов, пер. с англ., М., 1964; Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Туров Е. А., Петров М. П., Ядерный магнитный резонанс в ферро- и антиферро-магнетиках, М., 1969.
М. П. Петров.
Кристаллогидраты
Кристаллогидра'ты,кристаллы, включающие молекулы воды. Многие соли, а также кислоты и основания выпадают из водных растворов в виде К. Типичными К. являются многие природные минералы, например гипс CaSO 4·2H 2O, карналлит MgCl 2·KCl·6H 2O. Кристаллизационная вода обычно может быть удалена нагреванием, при этом разложение К. часто идёт ступенчато; так, медный купорос CuSO 4·5H 2O (синий) выше 105 °С переходит в CuSO 4·5H 2O (голубой) и CuSO 4·H 2O (белый); полное обезвоживание происходит выше 250°С. Однако некоторые соединения (например, BeC 2O 4·H 2O) устойчивы только в форме К. и не могут быть обезвожены без разложения. См. также Вода, Минерал.
Кристаллографии институт
Кристаллогра'фии институ'тим. А. В. Шубникова АН СССР, научно-исследовательский институт, занимающийся исследованием структуры, физических свойств и образования кристаллов. Создан в Москве в 1943 на базе Лаборатории кристаллографии АН СССР, организованной в 1938. Основателем и первым директором К. и. был академик А. В. Шубников;со дня основания К. и. в нём работает академик Н. В. Белов.С 1962 директор К. и. член-корреспондент АН СССР Б. К. Вайнштейн.
К. и. внёс большой вклад в развитие теории симметрии кристаллов (теория антисимметрии и цветной симметрии), разработку теории структурного анализа кристаллов, создание структурной электронографии, развитие теории рассеяния рентгеновских лучей и электронов в кристаллах, автоматизацию решения структур. В К. и. выполнены исследования и обобщения в области кристаллохимии силикатов, полупроводниковых соединений, структуры биологических макромолекул, изучен ряд оптических, механических, сегнето- и фотоэлектрических свойств кристаллов, проведены исследования реальной структуры кристаллов и работы по теории дислокаций. Открыт электрический рельеф поверхности кристаллов.
В К. и. выполнены фундаментальные исследования роста кристаллов, в частности открыт спиральный рост, изучено зародышеобразование, развита теория роста и статистической кинетики кристаллизации. Созданы новые методики синтеза кристаллов. Работы К. и. и его дочерних предприятий привели к возникновению в стране промышленности монокристаллов, необходимых для развития радио-, квантовой и полупроводниковой электроники, оптики, акустики, прецизионного приборостроения и т. д. К. и. и его специальное конструкторское бюро разработали и внедрили в промышленность уникальную кристаллизационную аппаратуру, автоматические дифрактометры и др. приборы.
Институт награжден орденом Трудового Красного Знамени (1969).
Б. К. Вайнштейн.
Кристаллография
Кристаллогра'фия(от кристаллы и ...графия ) ,наука о кристаллах и кристаллическом состоянии вещества. Изучает симметрию, строение, образование и свойства кристаллов. К. зародилась в древности в связи с наблюдениями над природными кристаллами, имеющими естественную форму правильных многогранников. К. как самостоятельная наука существует с середины 18 в. В 18-19 вв. К. развивалась в тесной связи с минералогиейкак дисциплина, устанавливающая закономерности огранки кристаллов (Р. Аюи,1784). Была развита теория симметрии кристаллов - их внешних форм (А. В. Гадолин,1867) и внутреннего пространственного строения (Е. С. Федоров,1890; А. Шёнфлис, 1891). Совокупность методов описания кристаллов и установленные закономерности составляют содержание геометрической К.
На основе геометрической К. возникла гипотеза об упорядоченном, трёхмерно-периодическом расположении в кристалле составляющих его частиц, в современном понимании - атомов и молекул, которые образуют кристаллическую решётку.Открытие дифракции рентгеновских лучей в кристаллах экспериментально подтвердило их периодическое решётчатое строение. Первые конкретные рентгенографические расшифровки атомной структуры кристаллов (NaCl, алмаз,ZnS и др.) были осуществлены начиная с 1913 У. Г. Брэггом и У. Л. Брэггом.Изучение прохождения света через кристаллы (см. Кристаллооптика ) позволило сформулировать закономерности анизотропии (неравноценности по направлениям) свойств кристаллов.
Крупный вклад в изучение атомной структуры кристаллов сделан Л. Полингом,Д. Кроуфут-Ходжкин,Н. В. Беловым,А. Гинье; в исследование роста кристаллов и их физических свойств - В. Фохтом. И. Н. Странским, А. В. Шубниковым,И. В. Обреимовым.
Современная К. развивается как одна из областей физики, тесно связанная с химией и минералогией и имеющая широкое техническое применение. Основами её математического аппарата являются теория групп симметрии кристаллов и тензорное исчисление.
Существует Международный союз кристаллографов, органом которого является журнал «Acta Crystallographica». Союз кристаллографов с 1940 издал более 30 томов «Структурного справочника» («Structure Report»). В СССР издаётся журнал «Кристаллография».
Структурная К. исследует атомно-молекулярное строение кристаллов с помощью рентгеноструктурного анализа, электронографии, нейтронографии,опирающихся на теорию дифракции волн в кристаллах. Используются также методы оптической спектроскопии, в том числе инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонансаи т. д. Изучена кристаллическая структура более 20 тыс. химических веществ. Законы взаимного расположения атомов и химической связи между ними в кристаллах, их изоморфизма и полиморфизма являются предметом кристаллохимии.Изучение биологических кристаллов позволило определить структуру гигантских молекул белков и нуклеиновых кислот и явилось важным вкладом К. в молекулярную биологию.
Важный раздел К. - теория и экспериментальные исследования процессов зарождения и роста кристаллов. Здесь К. использует общие принципы термодинамики и закономерности фазовых переходов и поверхностных явлений с учётом взаимодействия кристалла со средой, анизотропии свойств и атомно-молекулярной структуры кристаллического вещества (см. Кристаллизация ). Как самостоятельный раздел развивается К. реального кристалла, изучающая разнообразные нарушения идеальной кристаллической решётки - точечные дефекты, дислокации и др. дефекты в кристаллах,возникающие при росте кристаллов или разнообразных воздействиях на них и определяющие многие их свойства.
Исследования механических, оптических, электрических и магнитных свойств кристаллов являются предметом кристаллофизики,которая смыкает К. с физикой твёрдого тела.Для кристаллофизики существенным является рассмотрение свойств кристалла в связи с его симметрией и изменений свойств при внешних воздействиях. Уникальность свойств многих кристаллов и их чувствительность к механическим и акустическим воздействиям, изменениям температуры, чувствительность к электрическому току, электромагнитным полям, различным излучениям и т. п. дали кристаллографическим исследованиям широкий выход в радиотехнику, полупроводниковую электронику и квантовую электронику,техническую оптику и акустику, обработку материалов, приборостроение. В связи с этим возникло и интенсивно развивается производство синтетических кристаллов - кварца,алмаза, германия, кремния, рубинаи др.
К. изучает также строение и свойства разнообразных агрегатов из микрокристаллов - поликристаллов, текстур, керамик,а также веществ с атомной упорядоченностью, близкой к кристаллической - жидких кристаллов, полимеров.Симметрийные и структурные закономерности, изучаемые К., находят применение в рассмотрении общих закономерностей строения и свойств конденсированного состояния вещества вообще: аморфных тел и жидкостей, полимеров, биологических макромолекул, надмолекулярных структур и т. п. (обобщённая К.).
Лит.:Шубников А. В., Флинт Е. Е., Бокий Г. Б., Основы кристаллографии, М.- Л., 1940; Попов Г. М., Шафрановский И. И., Кристаллография, 4 изд., М., 1964; Белов Н. В., Структурная кристаллография, М., 1951; Бернал Дж. Д., Карлайл С. Х., Поля охвата обобщённой кристаллографии. (Обзор). «Кристаллография», 1968, т. 13, № 5; Вайнштейн Б. К., Кристаллография и научно-технический прогресс, там же, 1971, т. 16, в. 2, с. 261.
М. П. Шаскольская.
«Кристаллография»
«Кристаллогра'фия»,научный журнал АН СССР, публикующий статьи по проблемам атомной структуры, роста, свойств кристаллов и др. вопросам кристаллографии. Основан в 1956, издаётся в Москве. Ежегодно выходит один том, состоящий из 6 номеров (выпусков). Тираж устанавливается для каждого номера и колеблется в пределах от 1300 до 1700 экземпляров. С 1957 переводится в США на английский язык и выходит под названием «Soviet Physics Crystallography».
Кристаллографов союз
Кристалло'графов сою'зМеждународный (International Union of Cristallography; МКС), научная организация, осуществляющая международное сотрудничество в области кристаллографии, обмен информацией по теории, экспериментальным методам и применению результатов кристаллографических исследований. МКС организует также комплексные исследования с привлечением многих лабораторий мира, занимается накоплением и изданием кристаллографической информации и работает над стандартизацией единиц измерений, номенклатуры и символов, применяемых в кристаллографии. МКС организован в 1947 при участии советских учёных. В его составе национальные комитеты кристаллографов 30 стран мира (1972). Национальный комитет советских кристаллографов вошёл в МКС в 1954.
Во главе МКС стоит президент (в 1966-1969 советский академик Н. В. Белов,с 1972 - английский учёный Д. Кроуфут-Ходжкин ) .Высший орган МКС - Генеральная ассамблея - созывается один раз в 3 года. Её решения осуществляет Исполнит, комитет (10 избираемых членов), созываемый ежегодно. Исполнит. комитет создаёт временные и постоянные комиссии по таким вопросам, как кристаллографическая аппаратура, использование ЭВМ в кристаллографических расчётах, номенклатура, обучение кристаллографии и др. Бюджет МКС составляют членские взносы, вносимые странами-участницами в сумме, зависящей от числа голосов, принадлежащих каждой из них на Генеральной ассамблее, а также дотаций ЮНЕСКО.
Одновременно с Генеральной ассамблеей МКС созывает международные конгрессы кристаллографов; ежегодно при поддержке МКС организуются симпозиумы и др. международные встречи кристаллографов. МКС издаёт справочники, таблицы, журналы. Основное периодическое издание - журнал «Acta Crystaflographica» - издаётся с 1948 (с 1968 выходит в 2 сериях). С 1968 начал выходить «Journal of Applied Crystallography». МКС издал более 30 томов «Структурного справочника», содержащего рефераты работ по исследованиям атомной структуры кристаллов («Structure Report», с 1940).
В. И. Симонов.
Кристаллооптика
Кристаллоо'птика,пограничная область оптики и кристаллофизики, охватывающая изучение законов распространения света в кристаллах. Характерными для кристаллов явлениями, изучаемыми К., являются: двойное лучепреломление, поляризация света, вращение плоскости поляризации, плеохроизми др. Явление двойного лучепреломления впервые наблюдалось в кристаллах исландского шпата датским учёным Э. Бартолином в 1669. Эта дата считается началом возникновения К. Вопросы поглощения и излучения света кристаллами изучаются в спектроскопии кристаллов. Влияние электрических и магнитных полей на оптические свойства кристаллов исследуются в электрооптике и магнитооптике,опирающихся на основные законы К.
Т. к. период кристаллической решётки ( ~ 10 ъ) во много раз меньше длины волны видимого света (4000-7000 ъ), кристалл можно рассматривать как однородную, но анизотропную среду (см. Кристаллофизика ) .Оптическая анизотропия кристаллов обусловлена анизотропией поля сил взаимодействия частиц. Характер этого поля связан с симметрией кристаллов.Все кристаллы, кроме кристаллов кубических сингоний, оптически анизотропны.
Оптическая анизотропия прозрачных немагнитных кристаллов обусловлена анизотропией диэлектрической проницаемости e. В изотропных средах вектор электрической индукции Dсвязан с вектором электрического поля Есоотношением D =e Е,где e - скалярная величина, в случае переменных полей зависящая от их частоты (см. Диэлектрики ). Т. о .,в изотропных средах векторы Dи Еимеют одинаковое направление. В кристаллах направления векторов Dи Ене совпадают друг с другом, а соотношение между величинами Dи Еимеет более сложный вид, т. к. диэлектрическая проницаемость e, описываемая тензором, зависит от направления в кристалле. Следствием этого и является наблюдаемая анизотропия оптических свойств кристаллов, в частности зависимость скорости распространения волны uи преломления показателяnот направления. Зависимость компонент тензора диэлектрической проницаемости от частоты волны объясняет дисперсию оптических свойств кристаллов.
Зависимость диэлектрической проницаемости e и, следовательно, показателя преломления
nот направления может быть представлена графически. Если из произвольной точки
Окристалла провести по всем направлениям радиусы-векторы
r,модули которых
r=
n =
,где e - диэлектрическая проницаемость в направлении
r,то концы векторов
rбудут лежать на поверхности эллипсоида, называемого оптической индикатрисой (
рис. 1
). Оси симметрии этого эллипсоида определяют три взаимно перпендикулярных главных направления в кристалле. В прямоугольной декартовой системе координат, оси которой совпадают с главными направлениями, уравнение оптической индикатрисы имеет вид
, (1)
где n x, n yи n z-значения nвдоль главных направлений (главные значения тензора диэлектрической проницаемости и n) .Оптической осью кристалла называют прямую, проходящую через данную точку Окристалла перпендикулярно к плоскости кругового сечения оптической индикатрисы.
В случае оптически изотропных кубических кристаллов e не зависит от направления, и оптического индикатриса превращается в сферу с радиусом
r = n =
. В кристаллах средних сингоний (тригональной, тетрагональной и гексагональной) одно из главных направлений совпадает с главной осью симметрии кристалла. В этих кристаллах оптическая индикатриса - эллипсоид вращения, и кристаллы имеют только одну оптическую ось, совпадающую с осью вращения эллипсоида. Такие кристаллы называют одноосными. Одноосный кристалл называется оптически положительным (+), если его оптическая ось совпадает с большей осью оптической индикатрисы (эллипсоид вытянут вдоль оси вращения), и оптически отрицательным (-), если эллипсоид сжат вдоль оси вращения. Кристаллы низших сингоний (ромбической, моноклинной и триклинной) называются двухосными. Их оптическая индикатриса - трёхосный эллипсоид, имеющий 2 круговых сечения и 2 оптических оси (
рис. 1
).
Вследствие несовпадения направлений векторов Dи Еполяризованная плоская монохроматическая волна в кристалле характеризуется двумя тройками взаимно перпендикулярных векторов d, Н, uи Е, Н, u'( рис. 2 ). Скорость u'совпадает по направлению с Пойнтинга векторомSи равна скорости переноса энергии волной. Её называют лучевой скоростью волны. Скорость uназывают нормальной скоростью волны. Она равна скорости распространения фазы и фронта волны по направлению нормали Nк фронту. Величины uи u'связаны соотношением
,
где a - угол между векторами Dи Е.
Нормальная и лучевая скорости волны u определяются из уравнения Френеля - основного уравнения К.:
(2)
Здесь N x, N yи N z-проекции вектора нормали Nна главные направления кристалла; u x= c/n x; u y= c/n y; u z= c/n zглавные фазовые скорости волны; с- скорость света в вакууме; n x, n y, n z-главные показатели преломления кристалла.
Т. к. уравнение Френеля - квадратное относительно u,то в любом направлении Nимеются 2 значения нормальной скорости волны u 1и u 2,совпадающие только в направлении оптических осей кристаллов. Если из точки Ооткладывать по всем направлениям Nвекторы соответствующих им нормальных скоростей u,то концы векторов будут лежать на поверхности, называемой поверхностью нормалей. Это - двухполостная поверхность; каждая полость соответствует одному значению uдля данного направления N.В случае одноосного кристалла одна из поверхностей - сфера, вторая - овалоид, который касается сферы в 2 точках пересечения её с оптической осью. У двухосных кристаллов эти поверхности пересекаются в 4 точках, лежащих на 2 оптических осях (бинормалях).
Аналогично, геометрическое место точек, удалённых от точки Она расстояние u',называется лучевой поверхностью, или поверхностью волны. Это - волновая поверхность для волн,. распространяющихся в кристалле от точечного источника, расположенного в точке О. Это также - двухполостная поверхность. В одноосных кристаллах одна из поверхностей - сфера, вторая - эллипсоид вращения вокруг оптической оси oz.Сфера и эллипсоид касаются друг друга в точках их пересечения с оптической осью. В положительных кристаллах эллипсоид вписан в сферу ( рис. 3 , а) ,в отрицательных - сфера вписана в эллипсоид (