Алмаз «Шах»
Все окружающие нас кристаллы, не возникли мгновенно – они вырастали постепенно: будь то в природе или в лаборатории.
Твердая земная кора охватывает зону магмы – расплавленной каменной массы, насыщенной различными газами и перегретым водяным паром. Температура и давление в магме очень высоки. Во время ее охлаждения зарождаются все минералы и горные породы. В процессе такого охлаждения магмы – природного расплава – происходит процесс кристаллизации.
Естественную историю невозможно изучить в кабинете… – нужно самому в разных рудниках побывать.
Внутри расплава начавшей охлаждаться магмы образуется много кристаллических зародышей, которые одновременно вырастают в маленькие кристаллики. Пока эти кристаллики совсем маленькие, они растут свободно, каждый вырастает в правильный многогранник. Увеличиваясь, они начинают мешать друг другу. Поэтому в процессе «борьбы» иногда «выживают» отдельные кристаллики или кристалл растет в одну сторону больше, чем в другую.
Растут кристаллы не только из расплавов, но и из растворов. Еще более пятисот лет назад древнерусские солевары научились добывать соль из солевых источников.
Вода в солевых озерах горько-соленая, в ней растворено много различных солей. Летом, когда под воздействием солнца вода начинает интенсивно испаряться, из нее выпадают кристаллы солей. Эти кристаллы плавают на поверхности озера и оседают на дне, на прибрежных камнях, на досках, на любом твердом предмете, попавшем в озеро.
Грунтовые воды, насыщенные солями, испаряются под палящими лучами солнца, и поверхность земли покрывается соляной коркой. Бывает так, что солевые пласты, расширяясь, выдавливаются из земли и становятся на ребро.
Интересной природной лабораторией является Кара-Богаз-Гол – залив Каспийского моря, в котором концентрация солей в 15–20 раз больше, чем в самом море. В каждом литре воды залива растворено около 200 г солей, содержащих бром, калий, натрий и магний. Главной среди этих солей является мирабилит или глауберова соль, – ценнейшее сырье для стекольного производства и получения многих веществ, необходимых различным видам промышленности.
Находят залежи соли и под землей, поскольку в свое время они оказались под другими породами. Крупным центром залежей каменной соли является Артемовск на Донбассе – уже более ста лет там добывают соль.
Сталактиты и сталагмиты
Результатом кристаллизации подземных вод являются замечательные творения природы – сталактиты и сталагмиты.
Природная вода – это раствор многих солей, она растворяет породы, встречающиеся на ее пути. Когда капли воды просачиваются через породы и падают с потолка пещеры вниз, вода частично испаряется, оставляя на потолке вещество, которое было растворено в ней. Так постепенно образуется на потолке «сосулька» – сталактит. Эта сосулька состоит из кристалликов.
Так же образуется и встречная сосулька – сталагмит. В пещерах возникают замечательные колонны, витые гирлянды, арки, не оставляющие равнодушным никого из тех, кто их увидел.
Некоторые кристаллы могут создавать и живые организмы. Это, прежде всего, жемчужины, возникающие благодаря «работе» особых моллюсков. Когда в раковину такого моллюска попадает песчинка или другое инородное тело, моллюск начинает откладывать вокруг «пришельца» перламутр. Сейчас в Китае и Японии есть даже плантации, где специально разводят таких моллюсков, закладывая в их раковины зародыши будущих жемчужин. Это долгий труд – жемчужина необходимого размера создается в течение 7—10 лет!
К сожалению, кристаллы могут расти и в человеческом организме. Вы, наверное, слышали о камнях в почках и печени? Да, это тоже результат процесса кристаллизации!
Обнаружено, что кристаллы есть не только на нашей планете, но и на других небесных телах. Метеориты, которые упали на Землю и были исследованы учеными, тоже состоят из кристаллов.
Космические аппараты доставили на Землю образцы лунного грунта – в них тоже найдены кристаллические минералы и породы, похожие на земные.
Современная наука и технология невозможны без исследования и создания материалов с заданными свойствами. Это прежде всего касается кристаллов. Дело в том, что природные кристаллы не могут в полной мере удовлетворить современное производство: они не всегда имеют необходимые размеры, содержат нежелательные примеси, часто неоднородны.
Фианиты – синтетические монокристаллы, известные как имитация бриллиантов
Есть кристаллы, которые в природе достаточно редки, а в технике пользуются большим спросом. Поэтому разработаны специальные лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, корунда, рубина и др. Эти кристаллы применяются в точных приборах, в лазерах и многих других научных и технических устройствах. Много заказов на выращивание кристаллов дает и производство, связанное с компьютерной техникой.
Гигантскими фабриками искусственных кристаллов можно считать химические заводы, где производят различные соли, соду, химические удобрения и др.; на фармацевтических заводах синтезируют кристаллические лекарственные вещества; металлургические заводы выплавляют металлы.
Существуют и научно-технические комплексы, где выращивают и исследуют крупные кристаллы, каждый из которых стоит и ценится очень дорого. Одним из признанных лидеров этого направления является, например, научно-производственное объединение «Монокристалл» (Харьков), известное не только в Украине, но и далеко за ее пределами.
Эксперименты по выращиванию кристаллов проводятся сейчас не только в земных условиях, но и на космических орбитах. Невесомость сделала возможным получение таких чистых веществ, которые до сих пор не удалось создать в земных лабораториях. Например, выращенные в космосе нитевидные кристаллы сапфира характеризуются высокой прочностью: они выдерживают давление, в десятки раз превышающее прочность таких же «земных кристаллов».
Биография термометра
Что такое термометр, мы знаем с детства. А известно ли вам, что термометрия – наука об измерениях температуры – составляет целый раздел физики и уходит своими корнями в глубину веков?
Изобретению термометра предшествовало создание термоскопа – прибора, который отмечал снижение или повышение температуры. Первые термоскопы (греч. «терме» – тепло, жар и «скопео» – смотрю) были построены еще до нашей эры в Древней Греции и в Древнем Египте. Работали они просто: при потеплении воздух внутри некоего шара расширялся и вытеснял воду из шара в трубку. По изменению уровня воды и судили об изменении температуры.
Чаще открытием называют ознакомление с новым фактом. Но я считаю, что в открытии главную роль играет идея, связанная с этим фактом. Любое экспериментальное начинание заключается в идее.
Прибор Филона из Византии (примерно II в. до н. э.) представлял собой пустотелый шар со свинцовой трубкой, доходящей до его дна. Второй конец трубки был опущен в открытую емкость. В свинцовый шар наливали воду (до половины) и выставляли на солнце. Воздух расширялся, вытеснял воду из шара, и эта вода через трубку перетекала в открытую емкость. Когда прибор переносили в тень, воздух сжимался, и вода из сосуда снова переходила в шар.