Как я стала киноведом

Твердое вещество существует в двух формах: оно может быть кристаллическим или аморфным. Одно из характерных свойств кристаллического вещества, в отличие от аморфного, — способность самоограняться. Кристаллы образуются по-разному: они выпадают при упаривании раствора, они возникают при охлаждении расплава, при достаточно низкой температуре они растут из паров (вспомните иней или морозные узоры на стекле). И во всех этих случаях на поверхности кристаллов самопроизвольно возникают плоские грани.

Вместе с тем, огранка хотя и характерный, но не обязательный признак кристаллического вещества. В некоторых случаях грани кристаллов бывают выражены весьма нечетко. Иногда вещество состоит из таких мелких кристалликов, что грани трудно обнаружить даже под микроскопом. Кроме того, если кристалл обточить, придав ему округлую форму, лишенную граней, вещество не перестанет быть кристаллическим и свойства его останутся прежними.

Способность самоограняться — это лишь одно из проявлений более общего, более фундаментального качества кристаллов — их анизотропии. Так называют различие свойств по разным направлениям.

Возьмем кристалл поваренной соли, имеющий форму куба, и выточим из него шар. Затем погрузим шар в насыщенный раствор соли и будем медленно упаривать раствор. Кристалл начнет расти и постепенно снова примет форму куба. Этот опыт показывает, что скорость роста кристалла в разных направлениях неодинакова. Грани кристалла возникают перпендикулярно направлениям, по которым скорость роста минимальна.

Анизотропия проявляется в очень многих физических свойствах кристаллов. В отличие от кристаллических аморфные вещества, имеющие совершенно одинаковые свойства по всем направлениям, называют изотропными. В этом отношении они подобны жидкостям и газам. Еще одна характерная особенность кристаллов — фиксированная температура плавления. При нагревании кристаллическое вещество вплоть до определенной температуры остается твердым, а затем начинает плавиться, переходя в жидкое состояние (многие вещества начинают разлагаться гораздо раньше, чем переходят в жидкое состояние; в жидком виде они попросту не существуют). Пока продолжается плавление, температура не повышается. Аморфные вещества ведут себя иначе. При нагревании куска стекла он начинает постепенно размягчаться и, наконец, растекается, принимая форму сосуда. Невозможно установить, при какой температуре это произошло. Вязкость стекла уменьшается постепенно, никакой остановки в росте температуры нет.

Но самая важная особенность кристаллического вещества заключается в упорядоченном расположении его атомов.

На рисунке показано внутреннее строение кристалла и аморфного вещества того же состава. Рисунок, разумеется, имеет условный характер, так как в действительности атомы вещества располагаются не на плоскости, а в пространстве.

Расположение атомов в кристаллическом (а) и аморфном (б) веществе одинакового состава

Рассмотрим атомы, обозначенные черными точками. В обоих случаях окружение каждого из таких атомов почти одинаково: ближайшие соседи располагаются по вершинам треугольника, совершенно правильного при кристаллическом и почти правильного при аморфном состоянии. Значит, и в аморфном веществе имеется так называемый «ближний» порядок. Но если принять во внимание не только самых близких соседей, то выяснится, что в кристалле окружение каждого атома все-таки остается одинаковым, а в аморфном веществе оно окажется разным. Поэтому говорят, что в кристаллическом теле в отличие от аморфного наблюдается «дальний» порядок.

Все особые свойства кристалла вытекают отсюда как следствия. Естественно, что в направлении АВ, параллельном направлению некоторых связей между атомами, свойства будут не такими, как в направлении CD, вдоль которого такие связи не проходят. В аморфном веществе таких специфических направлений мы не найдем. Так объясняется анизотропия кристаллов, в частности различная скорость роста в разных направлениях, а следовательно, и способность самоограняться.

В рассмотренном примере мы подразумевали, что одно и то же вещество может существовать и в аморфном, и в кристаллическом состоянии. Это действительно так. При быстром охлаждении расплавленного сахара получается аморфная масса (леденец), при медленном охлаждении в образующемся твердом сахаре можно заметить поблескивающие кристаллики.

Нетрудно понять, почему так происходит. Представьте себе роту солдат, которым приказано строиться. Если им дать для этого хотя бы немного времени, они успеют занять свои места, выровнять ряды. Если же после команды строиться будет сразу подана команда «стой!», расположение солдат так и останется беспорядочным, хотя, может быть, и наметится какая-то тенденция к порядку. Нечто подобное происходит и при затвердевании: если процесс идет медленно, частицы успевают занять отведенные им места, быстрое затвердевание не дает им такой возможности.