Кристаллография

Кристаллография зародилась в древности и развивалась в тесной связи с минералогией как наука, устанавливающая законы огранения кристаллов (Р. Ж. Гаюи, 1784). В дальнейшем была развита теория симметрии внешней формы кристаллов (А. В. Гадолин, 1867 г.) и их внутреннего строения (Е. С. Федоров, 1890 г., А. Шенфлис, 1891 г.).

До открытия дифракции рентгеновских лучей основным методом описания и идентификации кристаллов был метод, основанный на гониометрии. Наблюдение и измерение огранения кристаллов, установление законов огранения — предмет геометрической кристаллографии. На основе геометрической кристаллографии возникла гипотеза об упорядоченном, трёхмерно-периодическом расположении в кристалле составляющих его частиц, в современном понимании — атомов и молекул, которые образуют кристаллическую решетку. Геометрическая кристаллография изучает основные метрические характеристики кристаллической решетки, периоды повторяемости и углы элементарной ячейки, разрабатывает методы их описания и устанавливает закономерности их огранения.

Учение о симметрии кристаллов, получившее в последнее время интенсивное развитие, является теоретической основой кристаллографии. Симметрия — наиболее общая закономерность, присущая строению и свойствам кристаллического вещества, которое по своим макроскопическим признакам можно определить как однородную анизотропную симметричную среду. Большой вклад в развитие теории симметрии и антисимметрии внесли А. В. Шубников и Н. В. Белов. Основами математического аппарата кристаллографии помимо теории групп симметрии кристаллов является тензорное исчисление.

Кристаллография и такие ее разделы, как кристаллохимия икристаллофизика тесно взаимосвязаны со смежными науками. Кристаллофизика рассматривает в основном электрические, оптические, механические свойства кристаллов и их симметрийные закономерности и непосредственно примыкает к физике твердого тела, которая сосредоточивает свое внимание больше на анализе общих закономерностей физических свойств и энергетического спектра решетки. Кристаллохимия изучает закономерности расположения атомов в кристаллах, природу химической связи между ними, атомную структуру реальных кристаллов.

Результаты, полученные при структурных исследованиях кристаллов, легли в основу структурной кристаллографии. Структурная кристаллография исследует атомно-молекулярное строение кристаллов методами рентгеноструктурного анализа, электронографии, нейтронографии, электронной микроскопии. Используются также методы оптической спектроскопии, в том числе инфракрасной спектроскопии, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса и т. д.

В связи с общностью подхода к атомному строению вещества и близостью дифракционных методик, используемых в структурной кристаллографии, кристаллографические теории и методы дают выход кристаллографии в металловедение и материаловедение полупроводников и диэлектриков, минералогию, органическую химию и химию полимеров, молекулярную биологию, в изучение жидкостей и газов.

Кристаллография изучает процессы образования кристаллов с позиций макроскопической и статистической термодинамики и физико-химической кинетики: процесс зарождения кристаллов (см. Кристаллизация), анализ молекулярной кинетики движения фазовой границы, ее морфологии, тепло- и массоперенос при кристаллизации, формы роста, процессы дефектообразования. Исследование структуры реальных кристаллов, дефектов кристаллов, дислокаций и точечных дефектов, условия их образования и влияние на свойства реальных кристаллов – важнейшие прикладные области кристаллографии. Теория и практика синтеза кристаллов поддерживаются достижениями химии и физической химии.

Кристаллография 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 кристаллографией, находят применение в рассмотрении общих закономерностей строения и свойств конденсированного состояния вещества: аморфных тел и жидкостей, полимеров, биологических макромолекул, надмолекулярных структур и т. п. Этим занимается обобщенная кристаллография.