Кто, когда и давно ли налил Во флюорит лиловых чернил?
Как раз этим вопросом занимается, в частности, физик и минералог А. Н. Платонов, изучающий природу окраски минералов. Оказывается, что "чернила" эти - дело совсем не простое. Сравнительно прост состав минерала флюорита - ион кальция и два иона фтора (CaF2). Проста структура его кристаллической решетки: ионы кальция "сидят" по вершинам куба и по центрам кубических граней, образуя гранецентри-рованные кубы, а ионы фтора - в центрах каждого из восьми маленьких кубиков, на которые можно мысленно разделить эти большие гранецентрирован-ные кубы. Но ни кальций, ни фтор, ни хромофоры одним своим присутствием не могут вызвать цвет. Откуда же берется эта густо-лиловая, да еще пятнами, как чернила, расползающаяся по кристаллу окраска? Ведь как раз эти чернильно-черные флюориты обычно почти не содержат примесей. Правда, иногда фтора в них несколько больше, чем положено по формуле. Вот на этот-то избыточный фтор и обратили внимание ученые. И еще на запах озона: стоит разбить такой вот чернильно-фиолетовый кусок флюорита, и в воздухе появится ощутимая примесь озона. Недаром одно из названий флюорита "вонючий шпат". В свое время была выдвинута такая гипотеза: избыточный фтор, соединяясь с влагой воздуха (Н2О), быстро образует атомы фтористого водорода HF и ОН. Ионы ОН также быстро разлагаются на водород и озон. А озон, очень сильный окислитель, способен моментально окислить самую ничтожную примесь марганца, которая и обуславливает фиолетовую окраску. Значит, все-таки примесь? Но случается, что и малой примеси не удается обнаружить, а окраска появляется пятнами, неровная. Скажем, в бесцветном, беспримесном флюорите можно вызвать чернильную окраску, пропуская через кристалл разряды электрического тока. Значит, причину окраски надо искать и не в примеси? Легко представить, что под действием внешних причин (разряда тока или радиации) решетка кристалла может исказиться, в ней образуются дефекты. Особенно много дефектов может появиться в кристаллической решетке, если в минерале имеется хотя бы незначительная примесь урана или тория. Такая примесь словно расшатывает решетку изнутри. Известно, что именно чернильно-черные флюориты сопровождают урановую минерализацию. Решетка у минерала, как вы помните, ионная, т. е. сколько в ней отрицательных зарядов, столько должно быть и положительных. Если же в каком-то узле решетки возникает избыток или недостаток электронов, то часть ионов перемещается из узлов решетки в промежутки между ними, а в узле образуется пустота - вакантное место, "дырка". Раз дырка - значит дефект. Физики называют ее красиво - "электронно-дырочный центр окраски". Как же "дырка" может влиять на цвет? Природа вечно стремится к совершенству, устранению любых дефектов. Так и кристаллы стараются "залатать дырки" в своей решетке. Поглотив часть световой энергии, ионы решетки приходят в возбуждение: их электроны "соскакивают" со своих законных орбит (электронных уровней) и захватываются дырками, как "ловушками". Поглощаются при этом, как правило, лучи, близкие тепловым, т. е. красные и оранжевые, а сами минералы окрашиваются соответственно в голубые, синие, лиловые и фиолетовые тона. Как раз эти краски характерны для флюоритов. Подобные минералы имеют еще одну особенность - электроны, попавшие в "дырки" решетки, обычно закрепляются там непрочно, они легко возвращаются на привычные места - на положенные электронные уровни. При этом они возвращают и захваченную энергию, испуская световые лучи, - минерал светится, люминесцирует, флюоресцирует.
НЕТАЮЩИИ "КРИСТАЛЛУС" ПЛИНИЯ (МИНЕРАЛЫ ГРУППЫ КВАРЦА)
Ценность его заключается в прозрач ности и сходстве с двумя основами жизни - водой и воздухом
Ал Бируни XI в
Рассвет, спускаясь с небес, не достиг еще Нового Кома. Спят домочадцы, рабы, животные. В смутной мгле неведомая птица уверенно возвещает приход нового дня. Часы между ночью и рассветом, первые часы после короткого сна, Плиний любит больше всего. Некогда бесстрашный военачальник, признанный тактик кавалерийской атаки, прокуратор Иберии и Сирии, прославленный историк, Кай Плиний Секунд занят сегодня естественной историей. 37-й том. Минералогия. Глава о "кристаллус", этих удивительных созданиях, что встречаются высоко в горах, там, где льды не тают никогда. О них писал великий Аристотель: "Из воды рождается кристаллус, когда она полностью утрачивает теплоту". В этом убежден и Плиний. "Кристаллус возникает, пишет он, - в результате замерзания жидкости в условиях сильного мороза, подобно тому как образуется лед. Это подтверждается присутствием кристаллуса лишь в тех местах, где выпадает снег и бывают жестокие морозы. Таким образом, можно определенно утверждать, что он представляет собой в действительности лед и ничего более. В связи с этим греки дали ему название "кристаллос", что означает "лед"... В Европе добывают замечательный кристаллус, причем исключительно на вершинах Альп". Удивительное дело! Везде, где бы ни встретился горный хрусталь, а встречается он повсюду, догадка о его близости льду возникала всегда: "Хрусталь зарождается в самой середине ледяных гор", - считали эскимосы Аляски; "ледяным камнем" назвало его одно из племен североамериканских индейцев; сходного мнения придерживались и по другую сторону Тихого океана - в Китае и Японии. Хрусталь - "это снег, ставший твердым за многие годы", - писали в манускриптах ученые-европейцы в XIV в. Догадка, возникшая из чисто внешнего сходства, силой векового авторитета превратилась в почти азбучную истину. Однако рано или поздно в науке всегда находятся живые умы, склонные к проверке азбучных истин. Эта держалась особенно долго, только в XVII в. физик Р. Бойль усомнился в тождестве льда ч хрусталя. Измерив их удельные веса, он выяснил, что вещества эти абсолютно разные. По и после того как вековое заблуждение было опровергнуто, традиционное название "хрусталь" - "лед" осталось за прозрачной разновидностью минерала, а за непрозрачной, молочно-белой, серой или буроватой укрепилось название "кварц". Впервые появилось оно в Рудных горах от подобного немецкого термина "кверклюфтерц" (руда секущих жил), короче - "кверерц", а еще короче "кварц"- Есть и другое, немного смешное объяснение: если растирать крупинки кварца, раздается скрежет: "кварр-кварр-кварр" ("кварр" по-немецки - скрежет, кваканье). Почти готовое слово "кварц". Иногда корень ищут в славянском сливе "твердый" (у древних славян оно звучало "твруду", а у их западных родичей, часто работавших в Саксонии рудокопами, и вовсе похоже на кварц - "кварду"). Истинно одно - появилось это слово у горщиков в рудных горах, и не случайно. Не только здесь, в Рудных горах, - повсюду в рудных жилах минералы различных металлов тесно связаны с кварцем. Словно бесчисленные грузовые лифты, поднимают горячие кремнекислые растворы соединения металлов из земных недр. Растворы движутся в горных породах по трещинкам, раздробленным и пористым зонам. Постепенно температура их падает, и металлы оседают в виде различных рудных минералов: молибденита, вольфрамита, галенита и многих, многих других. Тем временем превращается в твердое минеральное вещество и кремнезем растворов; в виде сплошного сливного кварца он слагает тело рудных жил, а в пустотках и открытых трешниках, там, где пространство позволяет кристаллам расти свободно, возникают "хрустальные погреба" - полости, сплошь заросшие щетками островерхих призмочек кварца и красивыми сростками-друзами. Такие погребочки изредка встречаются и в пегматитах, а гораздо чаще в специальных хрусталеносных жилах.
Miner36.jpg Кристаллы горного хрусталя
Название "хрустальный погреб" пришло из Швейцарских Альп, где еще в 1719 г. был описан один такой погребок в оловорудных кварцевых жилах. Оттуда среди других извлекли кристалл кварца в 800 кг. Огромные кристаллы-обелиски длиной до 7 м известны на Мадагаскаре. В Музее имени А. Е. Ферсмана хранится кристалл темного кварца с Урала; многие помнят его фотографию в книге А. Е. Ферсмана "Занимательная минералогия": девочка лет шести обнимает кристалл одного с ней роста. Выходит, именно кварц подготовил для нас многие месторождения ценнейших металлов: золота и олова, вольфрама и висмута, бериллия, свинца, цинка, ртути. Его серые с жирноватым блеском зернышки можно разглядеть в граните и в застывшей лаве - кварцевом порфире, в песчанике и кварците, в полосчатом гнейсе и слюдистом сланце и в самом простом речном песке. В вулканическом стекле - обсидиане, в пестрой яшме, роговике и разноцветных кремнях зернышек кварца не увидеть, но и эти породы больше чем на 90% сложены кремнеземом и состоят в ближайшем родстве с кварцем, несмотря на их совсем несхожее обличье. Минералы группы кварца повсюду. И не удивительно - ведь построены они из распростра-неннейших на Земле элементов - кремния и кислорода (Si02). И вместе с тем кварц - один из самых необычных минералов. Это становится понятным при первом же внимательном взгляде на его кристаллы, те самые, наверняка, знакомые шестигранные призмы, отточенные по концам, как карандаши. Шестигранные? Значит, подобно бериллу, кварц компонует свои грани вокруг шестерной оси? Не будем торопиться. Внимательно рассмотрим заостренную, как пирамидка, головку кристалла. Обычно грани ее не равны: чередуются большие и маленькие. Большие чаще семиугольные и блестящие, маленькие - треугольнички с тусклым блеском. Кристаллографы, тщательно изучив огранку, установили, что головка кварца формируется двумя ромбоэдрами. Один разросся свободнее, вольнее, а второй оказался несколько "зажатым". (Изредка, правда, одинаковыми бывают все шесть граней головки; тогда они внешне совсем похожи на шестигранную пирамидку.)