От Ньютона до наших дней

 

 

 

 

В 1665 году в деревню Вулсторп около города Грантан Линкольнширского графства в Англии вернулся 22-летний бакалавр Исаак Ньютон.

В однообразной деревенской жизни его возвращение из Кембриджа в отчий дом не могло пройти незамеченным. Сына небогатого фермера, скончавшегося незадолго до рождения первенца, хорошо запомнили окрестные жители.

С малых лет мальчик пристрастился к изготовлению хитроумных механических игрушек и приборов. Он построил водяные и песочные часы, тележку-самокат, действующую модель ветряной мельницы... Не довольствуясь точным подражанием оригиналу, он придумал использовать в мельнице в качестве двигателя... мышь, которая, стремясь дотянуться до подвешенной над колесом приманки, вертела его.

К увлечению мальчиков воздушными змеями Исаак подошел с не свойственной его возрасту серьезностью. Он много потрудился над определением наилучшей их формы, а также числа и положений точек, к которым следует прикреплять шнурок.

Не обошлось и без мальчишеских проказ. Привязывая  к хвостам  воздушных  змеев  разноцветные фонарики, он запускал их ночью, будоража всю округу слухами о якобы появившейся новой комете. В 1661 году Исаак Ньютон был принят в Трини-ти-колледж Кембриджского университета в качестве субсайдера. Так назывались бедные студенты, в обязанности которых входило прислуживать богатым студентам и преподавателям.

В начале 1665 года он окончил университет. В это время в Англии свирепствовала страшная эпидемия чумы. Для спасения от заразы люди стремились вырваться из скученных городов в сельскую местность. И юному бакалавру также пришлось вернуться в   родную   деревню   в   самом   начале   его   научной карьеры. «Творческий отпуск» Исаака Ньютона затянулся почти на два года. В деревенской тиши он смог продумать свои замечательные открытия, мысли о которых, по-видимому, занимали его еще в период пребывания в колледже. Позже стало известно, что за «чумные годы» Ньютон разработал (независимо от Г. Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисления, пришел к идеям, которые он впоследствии сформулировал как закон всемирного тяготения.

В небольшом деревянном домике, фамильном владении земледельцев Ньютонов, расположенном в живописной долине, он создал первоклассную по тому времени оптическую лабораторию. Здесь он провел ряд блестящих экспериментальных исследований, завершившихся открытием закона дисперсии света. В   дальнейшем,   исследуя   зависимость   показателя преломления света от плотности тела, Ньютон пришел к выводу, что по этому признаку все изученные им вещества   можно   разделить   на   две   группы.   В   первую группу вошли гипс  (селенит), стекло, горный хрусталь и некоторые другие, по современной терминологии, неорганические вещества. Во вторую группу попали кам-фара, оливковое масло,  льняное масло, терептиновый  спирт   (по терминологии  Ньютона,  это «суть  жирные, серные и маслянистые тела») и... алмаз. Каким же образом твердое (и не просто твердое, а наитвердейшее) тело — алмаз оказалось в компании «маслянистых тел»?

В своем классическом труде «Оптика» Ньютон дал следующий ответ на этот вопрос: «алмаз... вероятно, есть также маслянистое сгустившееся вещество».

Редактор и комментатор советского издания «Оптики» академик С. И. Вавилов снабдил это место из работы Ньютона следующим примечанием: «По преломляющей способности алмаза Ньютон, таким образом, угадал углеродную природу алмаза».

Так объяснить открытие великого ученого можно в наши дни. А сам Ньютон ничего не мог знать об углеродной природе алмаза — даже понятия «углерод» в то время еще не существовало. Должно было пройти свыше ста лет, прежде чем гениальное предвидение Ньютона нашло достоверное подтверждение. Чувство любознательности присуще человеку с раннего детства. Кому не приходилось одергивать малышей, стремящихся разобрать, сломать игрушку только для того, чтобы посмотреть, что находится внутри.

Это чувство не покидает человека и в зрелом возрасте. Любознательность была причиной множества выдающихся открытий.

Не удивительно, что люди издавна стремились заглянуть внутрь и такого замечательного камня, как алмаз. В 1772 году известный французский химик Антуан Лавуазье решает с этой целью... сжечь алмаз, направив на него сконцентрированное гигантской линзой солнечное излучение. Ученый обнаружил, что алмаз сгорает на воздухе и образующийся при этом газ вызывает такое же помутнение известковой воды, что и «связанный воздух», то есть, по современной терминологии, углекислый газ.

А в 1797 году английский химик Смитсон Теннант, последовательно сжигая в герметически закрытом стеклянном сосуде с селитрой одинаковые навески угля, графита и алмаза, получил во всех трех случаях равные порции того же «связанного воздуха».

Наиболее убедительный эксперимент провели в 1812 году английские ученые Гемфри Дэви и Майкл Фарадей. С помощью сконцентрированного солнечного излучения они сжигали алмаз в стеклянном сосуде с чистым   кислородом. Тщательный анализ образовавшегося при этом углекислого газа, состоящего, как известно, из углерода и кислорода, показал, что в углерод превратилось ровно столько вещества, сколько весил сгоревший алмаз. Так было окончательно установлено, что алмаз состоит из чистого углерода. Но ведь из чистого углерода состоит и другое совершенно не похожее на алмаз вещество — графит. В науке явление существования химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам, носит название аллотропии. Известно множество аллотропических форм различных веществ. Например, фосфор имеет три формы (красный, белый, черный), вода имеет восемь форм ладов и т. п. Поэтому факт аллотропии углерода сам то себе не примечателен. Однако это, пожалуй, единственный случай, когда аллотропические формы одного к того же элемента так резко отличаются друг от друга. В то время как алмаз является твердейшим из всех известных веществ, графит — один из самых мягких минералов. Твердость графита столь незначительна, что он легко оставляет свой след на бумаге, поэтому из него изготовляют грифели для карандашей. Плотность алмаза составляет 3,51 грамма на кубический сантиметр, а у графита плотность значительно меньше — 2,26 грамма на кубический сантиметр.

 

 

 

Графит — прекрасный проводник электрического тока, а алмаз обладает высоким электрическим сопротивлением. Удельное электрическое сопротивление алмаза равно в среднем 1012—1014 Ом-см. Алмаз сияет всеми цветами радуги, а графит тускл и невзрачен.

Пример алмаза и графита лишний раз убеждает ь том, что свойства вещества зависят не только от того, из атомов какого элемента оно состоит, но и от взаимного расположения и связей этих атомов, от его атомной структуры.

Можно  ли   «увидеть»   атомную   структуру   алмаза?

Известно, что размеры атомов, а также межатомные расстояния в кристаллах (как алмаз, так и графит принадлежат к классу кристаллических тел) измеряются в долях нанометра (один нанометр (нм) равен одной миллиардной доле метра). Даже микрометр, с которым в обыденной жизни ассоциируется предел точности, кажется гигантом по сравнению с этой мерой.

Мы видим предмет тогда, когда отраженные от него лучи попадают в сетчатку нашего глаза. Свет является посредником между нами и предметами окружающего нас мира. Чем меньше предмет, тем меньше света он отражает и тем хуже мы его видим. Усиливая отраженный свет с помощью оптических приборов, человек научился различать и такие мельчайшие организмы, как бактерии. Но даже в самый совершенный микроскоп принципиально невозможно разглядеть атом.

Длина видимого света в тысячи раз больше, чем размеры атома. Естественно, что атом не может отразить волну видимого света. Чтобы проникнуть в глубь кристалла, понадобился «инструмент» гораздо более тонкий, чем видимый свет. Наука того времени подобным инструментом не обладала. И прошло еще сто лет, прежде чем был сделан следующий существенный шаг на пути познания природы алмаза.

В конце 1895 года весь мир облетела сенсационная весть. Открыты невидимые лучи, обладающие сказочной способностью проникать сквозь непрозрачные преграды.

Автор этого открытия скромный профессор Вюрц-бургского университета (Германия) Вильгельм Конрад Рентген обрел мировую известность. В 1901 году он стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике. Рентгеновские лучи, или Х-лучи, как назвал их первооткрыватель, почти сразу нашли применение в медицине. Легко проникая сквозь мягкие оболочки тканей, они дали возможность впервые увидеть внутренние органы живого человека и потому до сих пор имеют огромное значение.

Но можно ли с помощью рентгеновских лучей проникнуть в глубь неживой материи — кристалла и даже в глубь атома? По свидетельству одного из родоначальников советской физики академика Абрама Федоровича Иоффе, который с 1903 по 1906 год был ассистентом Рентгена и не порывал с ним научных контактов до самой смерти этого выдающегося ученого, Рентген предугадал такую возможность. Вскоре после своего открытия он провел ряд опытов в этом направлении. Они не увенчались успехом, потому что Рентген, который дал исчерпывающее описание свойств Х-лучей, тогда еще ничего не знал об их волновой природе.

В 1912 году немецкий физик Макс Лауэ и его сотрудники открыли явление дифракции (рассеяния) рентгеновских лучей при их прохождении через кристалл. Была неопровержимо доказана волновая природа втих лучей.

Оказалось, что кристалл является созданной самой природой идеальной трехмерной дифракционной решеткой для Х-лучей, так как расстояние между рассеивающими центрами (атомами) в кристалле одного порядка (0,1 нм) с длиной волны рентгеновских лучей.

В 1913 году одновременно и независимо друг от друга молодой английский физик Уильям Лоренс Брэгг и русский кристаллограф (впоследствии член-корреспондент Академии наук СССР) Георгий Викторович Вульф вывели уравнение, связывающее угол отклонения рентгеновских лучей, рассеянных кристаллом без изменения длины волны, с расстояниями между соседними атомными плоскостями. Это уравнение (в науке оно получило название «условие Брэгга — Вульфа») легло в основу метода рентгеновского структурного анализа.

В том же 1913 году У. Л. Брэгг и его отец, видный английский физик Уильям Генри Брэгг, используя этот метод, расшифровали структуру алмаза.

Как же выглядит «портрет» царя камней? Идеальный кристалл представляет собой тело, атомы которого расположены в строгом порядке и определенной последовательности. Поэтому, чтобы получить представление о строении (структуре) того или иного кристалла, достаточно рассмотреть только очень маленькую его часть, характерную для кристалла в целом. Такую часть принято называть элементарной ячейкой.

Элементарная ячейка структуры алмаза имеет форму куба. В каждой вершине этого куба расположено по атому. По одному атому находится также в центре каждой грани. Еще четыре атома размещаются внутри куба. Если мысленно разделить куб объему на восемь равных частей, то эти четыре атома располагаются в центрах таких восьмушек, причем восьмушки, содержащие по одному атому, чередуются с пустыми восьмушками.

Для того чтобы мысленно построить структуру алмаза, необходимо как бы уложить большое количество таких кубов вплотную друг к другу, чтобы они заполнили пространство без промежутков. Образуется пространственная решетка, в узлах которой находятся атомы. Она называется кристаллической решеткой. При подсчете количества атомов в элементарной кубической ячейке структуры алмаза следует учесть, что только четыре атома, находящиеся внутри куба, принадлежат ему безраздельно. Каждый из атомов, расположенных в центрах граней, является общим для двух ячеек, а каждый из атомов, находящихся в вершинах куба, общий для восьми ячеек. Следовательно, в каждом кубе содержится 8 атомов.

Средствами современной техники удалось с большой точностью измерить межатомные расстояния в кристалле алмаза. Оказалось, что расстояние между ближайшими атомами равно 0,154 нанометра. Величина ребра элементарной кубической решетки (постоянная решетки) равна 0,357 нанометра, а следовательно, ее объем равен 0,0454 кубического нанометра.

Так как на одну элементарную ячейку приходится восемь атомов, то легко подсчитать, что в одном кубическом сантиметре кристалла алмаза содержится 1,764х10 в 28 степени атомов. Это в несколько сот триллионов раз больше, чем численность населения всего земного шара.

Что же удерживает атомы в такой тесноте?

В атоме электроны движутся вокруг ядра по эдлипти» ческим орбитам. Наиболее близкие к ядру электроны вутренних орбит атома Ввстолько сильно связаны с ядром, что как бы составляют с ним единое целое. Относительно слабее связаны с ядром электроны внешней орбиты, так называемые валентные электроны. Они-то участвуют в образовании межатомных связей.

Каждый атом углерода в структуре алмаза имеет четыре валентных электрона. Он связан по четырем направлениям с четырьмя ближайшими соседними атомами. По этому электрону от каждого атома осуществляют связь в каждом из четырех направлений. Эти павы электронов можно сравнить с двумя маленькими магнитиками, оси которых устанавливаются параллельно друг другу, а одноименные полюсы направлены в противоположные стороны. Такая связь, она носит название ковалентной, обеспечивает очень прочное соединение атомов. Вот чем объясняется уникальная твердость алмаза и ряд других его свойств, в том числе устойчивость по отношению к кислотам, щелочам и неизменность при изменениях температуры и давления.

Рентгеновские лучи помогли также обрисовать «портрет» графита. Оказалось, что в нем нельзя усмотреть даже отдаленного сходства с его именитым братом.

В алмазе атомы «упакованы» достаточно плотно и расположены в идеальном порядке: каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседними атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра.  Атомы графита группируются по плоскостям, расположенным друг от друга на расстоянии 0,339 нанометра. Атомы в слое образуют правильные шестиугольники со стороной 0,142 нанометра. Слои ориентированы так, что три вершины шестиугольников одного слоя находятся под центрами шестиугольников другого слоя. Поэтому полная повторяемость структуры графита равна удвоенному расстоянию между слоями. Из-за своей слоистой структуры графит легко расщепляется на чешуйки. Поэтому его твердость значительно меньше твердости алмаза. Он легко поддается воздействию химических реактивов.

 

 

 

 

 

Твердость, твердый... Этими понятиями мы часто пользуемся в обыденной жизни, не задумываясь над их сущностью. Но и в науке не существует строгого определения твердости. Практически же под твердостью понимают сопротивление данного тела проникновению в него другого, более твердого тела.

В 1811 году немецкий минералог Ф. Моос выбрал десять минералов, приняв их за эталонные (образцовые), и устроил им «экзамен», царапая их друг о друга. Более твердые минералы, рассуждал Моос, должны царапать своих противников, а более мягкие царапаться ими.

Абсолютным чемпионом этого своеобразного состязания стал алмаз. Его не смог повредить ни один из других минералов. Наоборот, на всех своих «соперниках» алмаз оставлял резкие царапины. В результате алмазу был присвоен высший балл по шкале Мооса — десять, а остальным минералам — соответственно от девяти до единицы. Вот как выглядит шкала Мооса:

 

Алмаз......10

Корунд.......  9

Топаз .......8

Кварц........7

Ортоклаз (полевой шпат)...  6

Апатит.......5

Флюорит    (плавиковый   шпат)……… 4

Кальцит   (известковый  шпат)……. 3

Гипс........ 2

 

Определение твердости по шкале Мооса заключается в том, что материал с неизвестной твердостью сравнивается с минералами-эталонами. Например, кварц оставляет царапины на стальной пластинке, а она, в свою очередь, царапает ортоклаз. Поэтому твердость стали по шкале Мооса оценивается примерно в 6,5 балла. В случае образования царапин и на исследуемом минерале и на эталоне твердость обоих равна.

Шкала Мооса дает только качественную оценку твердости. Например, разность твердости минералов, занимающих соответственно первое и второе места в шкале Мооса, значительно больше разности твердости минералов, находящихся на втором и десятом местах.

Позже были разработаны и количественные методы определения твердости. Оказалось, что твердость алмаза превышает твердость его ближайшего соседа по шкале Мооса — корунда — в 5—7 раз и в 10—15 раз алмаз тверже кварца.

Алмаз обладает прекрасной теплопроводностью. У него самый низкий коэффициент теплового расширения и низкий коэффициент трения. Эти качества наряду с уникальной твердостью и высокой химической устойчивостью сделали его незаменимым материалом для рабочего инструмента.

Вместе с тем алмаз хрупок. Он сравнительно легко раскалывается по определенным кристаллографическим направлениям, так называемым плоскостям спайности, где межатомные связи относительно слабы по сравнению с другими ориентациями.

Мы уже упоминали о том, что это свойство алмаза не было известно древним. Согласно преданию, некий индийский раджа предложил своему рабу свободу, если ему удастся разбить алмаз ударом тяжелого молота о наковальню, в противном случае ему должны были отрубить голову. Раб с ужасом отказался от этого предложения.

А ведь раб мог бы получить свободу.

Особенностями атомной структуры объясняется и то, что твердость алмаза неодинакова по различным граням и по разным направлениям даже в пределах одной и той же грани (разумеется, во всех случаях она чрезвычайно высока и намного превосходит твердость всех известных материалов). Правильная установка кристалла обеспечивает значительное повышение износоустойчивости алмазного инструмента.

 

 

 

Алмазы в природе встречаются в виде отдельных кристаллов (монокристаллов), обломков кристаллов и в виде поликристаллов — скоплений кристаллических зерен и многочисленных сросшихся кристалликов.

Монокристаллы алмаза имеют самую разнообразную форму.

Наиболее часто встречается восьмигранник с гранями в виде правильных треугольников — октаэдр. Реже встречается двенадцатигранник—ромбододекаэдр, еще реже— куб. Кроме кристаллов алмаза с плоскими гранями, встречаются кристаллы е выпуклыми искривленными гранями. Бывает, что кристаллы алмаза срастаются между собой, подобно сиамским близнецам. Сросшиеся кристаллы называются двойниками.

Только незначительный процент алмазных камней, отличающихся красотой, прозрачностью и чистотой, относится к ювелирным. Большинство кристаллов и кристаллических обломков из-за мутности, наличия трещин, неравномерности окраски может использоваться только для технических целей. К техническим алмазам относятся также поликристаллы, основными разновидностями которых являются карбонадо, баллас и борт.

...Старатель, работавший на алмазных месторождениях в Бразилии, промывал очередную пробу песков. Вместо блестящих кристалликов он обнаружил темные, отсвечивающие металлическим блеском камушки.

— Карбонадо! — с досадой воскликнул он.

«Карбонадо» в переводе с испанского языка значит «черный камень».

Оказалось, что карбонадо (это название так за ним и осталось) состоит из множества крепко сросшихся микроскопических зерен алмаза. Графит и другие включения придают ему черную или серую окраску. Позже было установлено, что сопротивление истиранию у карбонадо выше, чем у обычных кристаллов алмаза. Поэтому он получил широкое применение в технике, в частности, для бурения в твердых породах.

Карбонадо встречается преимущественно в Бразилии, реже — в Венесуэле.

Другая разновидность поликристаллов — балласы — представляет собой величиной с горошину прочные шарообразные образования с лучевидным внутренним стро-ением из кристалликов алмаза. Цвет балласов от мутно-белого до серо-стального.

Бортом называют неправильные сростки алмазных кристалликов. К борту относят также все низкосортные алмазы, отличающиеся большим количеством дефектов. Во времена, когда преимущественный интерес представляла ювелирные алмазы, такие камни при сортировке обычно отодвигали к краю стола, к борту, чтобы не мешали. Отсюда и произошло их название.

Трудно найти другой минерал, встречающийся в природе в столь разнообразных видах и формах, как алмаз.

Отдельные разновидности алмаза отличаются друг от друга по своим механическим, оптическим и некоторым другим структурно-зависимым свойствам.

Неудивительно, что изучению физических свойств, морфологических и минералогических признаков алмазов посвящены многочисленные научные работы, общее количество которых на сегодня исчисляется сотнями и тысячами.

Предстояло творчески осмыслить результаты этих исследований, иными словами, создать научно обоснованную минералогическую классификацию алмазов.

Эту задачу разрешил советский ученый доктор геоло-го-минералогических наук Юрий Леонидович Орлов. С 1956 года он работал в Минералогическом музее имени А. Е. Ферсмана Академии наук СССР — старейшем научном учреждении нашей страны, история которого начинается с 1716 года, когда по указу Петра I был организован геологический кабинет при Кунсткамере. В то время в числе экспонатов этого геологического кабинета был лишь один сырой (необработанный) алмаз. По-видимому, этот алмаз служил Михаилу Васильевичу Ломоносову объектом исследования. Можно сказать, что великий русский ученый предугадал атомную структуру алмаза. Ему принадлежит замечательная мысль о тем, что причиной необычной твердости алмаза является «сложение его из частиц тесно связанных».

В становлении Минералогического музея как выдающегося научного центра большую роль сыграли академики Владимир Иванович Вернадский, Александр Евгеньевич Ферсман и другие ученые, которые в разные периоды времени возглавляли музей.

Много замечательных страниц в науку об алмазе вписал неутомимый исследователь минералов академик Ферсман, имя которого ныне носит музей.

«Блестящее будущее рисуется нам для алмаза,— писал Ферсман в 1920 году,— если человек сумеет овладеть тайной его получения... В руках человека окажутся новые, еще им почти неизведанные  орудия работы.  Вся буровая техника, уничтожающая расстояния и проникающая сквозь хребты и слои земные, получит алмазы в новом, ныне недостижимом виде; вся техника резьбы, гравировки, обработки металла, камня и дерева перейдет на алмаз, и вместо стального резца будет алмазный резец. Из больших кристаллов алмаза будут готовить тигли и чашки для плавления циркона и кварца... Рисуется красивая картина будущего освещения городов, когда начнут светиться и фосфоресцировать в пустоте большие кристаллы алмаза, а микроскопическая техника и астрономия получат новый сказочный материал для своих оптических линз. Как нестираемый изолятор, он найдет себе огромное применение в электротехнике, а его переходы в проводящий ток графит позволят достигнуть чудесных превращений».

Поразительна прозорливость замечательного советского ученого. Почти все, о чем он писал более чем полвека назад, что тогда казалось фантастическим, ныне воплощено в действительность.

Работая в Минералогическом музее, Ю. Л. Орлов (в 1976 году он стал его директором) из всего обилия собранных здесь минералов (ныне в этой коллекции насчитывается 130 000 образцов) особое внимание уделял исследованию алмаза. Он выделил десять разновидностей многоликого алмаза, отличающихся друг от друга в первую очередь минералогическими и морфологическими признаками: пять разновидностей монокристаллов и пять разновидностей поликристаллов (ранее исследователи выделяли лишь три разновидности поликристаллов). Ученый детально исследовал каждую разновидность, используя современные методы оптической и радиочастотной спектроскопии, изотопного анализа, электронных и других измерений.

В 1973 году была опубликована монография Ю. Л. Орлова «Минералогия алмаза», в которой наряду с минералогической классификацией алмаза содержатся систематизированные данные об оптических, электрических, термических, механических, химических свойствах и другие сведения о разных типах и разновидностях этого удивительного минерала.

Мы очень кратко рассказали о том, как человек проникал в тайны строения алмаза.

Следующая глава посвящена проблеме его происхождения в природе.