Электронное пособие

Содержание

Описательная кристаллография Плиния Старшего

Кристаллография с древнейших времен развивалась в рамках геометрии. Слово «кристалл» первоначально обозначало «лед». Впоследствии кристаллом стали называть горный хрусталь – прозрачную разновидность кварца за ее сходство со льдом. Древнегреческие философы много занимались формой абстрактных геометрических фигур, в том числе правильных выпуклых многогранников, но в трактатах ученых Древней Греции практически не удалось найти сведений о формах, свойствах или месторождениях кристаллов минералов. Выдающиеся умы Эллады с презрением игнорировали эти продукты низкого физического труда ремесленников и рабов. Правильная форма природного минерала могла вызвать интерес только в том случае, когда он, побывав в руках ювелира, превращался в изящную драгоценность. Во времена Римской империи людьми уже ясно осознавалась практическое значение изучения кристаллов. Элементы минералогических знаний встречаются у античных натурфилософов с середины IV века до н.э.. Аристотель различал в минеральном мире 2 класса тел - камни и руды. Его ученик Теофраст в специальном трактате "О камнях" (около 315 до н.э.) выделял 3 класса - металлы, камни (обыкновенные и драгоценные) и земли. Всего им упоминается 73 названия минеральных тел, в т.ч. 32 минерала [6].

Рис. 6 Плиний старший. Воображаемые портреты XIX века (прижизненные изображения Плиния Старшего не сохранились) [6.img]
Рис. 7 Плиний старший. Воображаемый портрет XIX века [7.img]

Плиний Старший, Гай Плиний Секунд (Gaius Plinius Secundus лат.), Plinius Secundus Maior (лат.) - родился в 23 н.э. в Новом Коме (северная Италия). О его родителях и воспитании ничего не известно [6].

Плиний Старший, подобно многим своим современникам, был профессиональным военным. Начинал Плиний префектом алы (т.е. начальником конницы) при императоре Клавдии в 47 н.э. - 50 н.э., а в 50 н.э. - 51 н.э. служил в верхней Германии военным трибуном. В начале правления Нерона был прокуратором в Проконсульской Африке (совр. Тунис); в 66 н.э. - 69 н.э. был назначен прокуратором в Испанию; а после прихода к власти Веспасиана Плиний снискал личную дружбу императора и с 70 н.э. и до дня своей смерти командовал эскадрой, стоявшей в Мизене [6].

По свидетельству его племянника (Плиний Младший), Плиний Старший был неутомимым читателем. Любую свободную минутку он использовал для того, чтобы читать и делать записи. Не было такого места, которое бы он считал неудобным для учёных занятий; не было такого времени, которым бы он не воспользовался для того, чтобы читать и делать заметки. Он читал, или ему читали в дороге, в бане, за обедом, после обеда, причём отнималось время и у сна, насколько это было возможно, так как он считал потерянным всякий час, не посвящённый умственным занятиям. Он полагал, что нет такой книги, из которой нельзя было бы извлечь какой-нибудь пользы [6].

Кроме того, Плиний Старший очень любил наблюдать природные явления, о чем говорит его трагический и славный конец. Он погиб при извержении Везувия от удушения вулканическими газами, когда сошел на берег, чтобы успокоить местных жителей и понаблюдать за извержением с близкого расстояния [6].

Список сочинений Плиния также приводится его племянником [7]. Среди них: "О метании дротиков с лошади", послужившая одним из источников для "Германии" Тацита; "Жизнь Помпония Секунда", друга Плиния, консула 44 н.э. и правителя верхней Германии; "Германские войны" - о войне с германцами при Цезаре, Августе и Тиберии; несколько руководств по риторике - "Учащиеся" и "Сомнительные речения", о которых с похвалой отзывался Квинтилиан, а позже ими постоянно пользовались грамматики как справочником; "От конца истории..." - история Рима, излагающая события с того момента, на котором закончил свой труд Авфидий Басс, старший современник Плиния.

В истории культуры Плиний Старший прежде всего знаменит своей 37-томной "Естественной Историей" (Historia Naturalis лат.) - огромным трудом энциклопедического характера, написанием которого он мог заниматься только в часы досуга. Титульный лист Естественной Истории показан на рис.3.

      Энциклопедия Плиния состоит из следующих разделов :

  • Предисловие, содержание, перечень источников. - I. том
  • Математика и физика. - II. том
  • География и этнография. - III-VI. тома
  • Антропология и физиология. - VII. том
  • Зоология. - VIII-XI. тома
  • Ботаника и садоводство. - XII-XXVII. тома
  • Фармакология. - XXVIII-XXXII. тома
  • Горное дело, минералогия, искусство. - XXXIII-XXXVII. тома

Написанию этого колоссального труда предшествовала не менее колоссальная подготовительная работа. По словам самого автора, он прочитал не менее 2 тыс. книг и сделал около 20 тыс. выписок. К этому Плиний добавил множество сведений, неизвестных его предшественникам. В результате "Естественная история" получилась у Плиния кол-лекцией данных, кое-как разделенных по отраслям знаний, но очень слабо связанных между собой, критически не обработанных, и не приведенных в какую-нибудь логическую систему. Труд Плиния отличает абсолютно некритическое отношение к источникам и отчетливо выраженный антропоцентризм [8].

Тем не менее, "Естественная история" Плиния - это настоящая энциклопедия древности, включающая в себя астрономию, физику, географию, ботанику, зоологию, антропологию, медицину, минералогию, металлургию, историю искусства.

В своих работах Плиний сообщает сведения о значительном числе металлов, минералов и минеральных продуктов, добывавшихся и применявшихся в его время. Число минералов у Плиния во много раз больше, чем у Феофраста (древнегреческий философ, автор более 200 трудов по естествознанию [8].), что несомненно в значительной мере обусловлено расширением торговли с Востоком в эллинистическое и римское время. Классификация камней у Плиния, как и у греческих авторов, выполнена в основном по их практическому применению. Драгоценные цветные камни одинакового цвета несомненно объединялись под одним названием. Так, под карбункулом (соотв. греч. νφραξ) понимались, вероятно, не только гранаты, но и другие ярко-красные прозрачные камни: рубин, шпинель, рубеллит. Энциклопедия Плиния, написанная по-латыни, сохранилась в двух редакциях и оказала огромное влияние на развитие средневекового естествознания в Европе [9].

Из всех 37 томов "Естественной Истории" целых 5 томов: с 33 по 37, посвящены минералогии и применению минералов в искусстве.

В «Естественной истории» Плиний Старший впервые описал корунды (карбункулы). Он привел ряд научных сведений о свойствах корундов: неравномерности их окраски, блеске, изменении цвета при вращении камня (плеохроизм). По химическому составу корунд представляет собой оксид алюминия. Кристаллы его могут быть столбчатые, бочонковидные, пирамидальные, пластинчатые, с гранями гексагональной призмы (рис. 10). Корунд среди минералов занимает второе место по твердости и абразивной способности после алмаза. Чистый корунд бесцветен. Цвет его зависит от примесей.

Только в 1800 г. было установлено, что разновидностями корунда являются рубин и сапфир.

Рубин (в старину у нас яхонт) окрашен в красный цвет, большей частью встречается в виде окатанных зерен. (рис. 11). Природа красящего вещества рубина в настоящее время с точностью неизвестна. Прежде его принимали за окись железа, но такая окраска может быть вызвана присутствием хрома. Это подтверждается характерным изменением цвета некоторых рубинов, особенно голубовато-красных, которые при сильном прокаливании делаются зелеными, а после охлаждения снова становятся красными. Подделки под рубин нередки; они состоят или из стекла, или из менее ценных камней, напр. турмалина, топаза, альмандина и др. Лучшим признаком для отличия рубина от стекла может служить твердость (у настоящего рубина она равна 9, у всех же подделок она меньше), а также дихроизм, которого у стекол нет. Можно также пользоваться удельным весом и микроскопическими включениями. [9].

Сапфиром (рис. 12) геологи называют корунды всех цветов, кроме красного (рубина). Сапфир несколько тверже рубина. Окраска колеблется: лазоревая, васильковая, индиговая, зеленовато-голубая, фиолетово-голубая, иногда весьма светлого тона. Красящее вещество сапфира до сих пор с точностью неизвестно: это может быть хром и железо, как и у рубина, или же вещества органические. Очень дорогие - желтые сапфиры (рис. 12).

Оранжевый сапфир (рис. 14) именуется падпараджей, бесцветный - лейкосапфиром.

Рис. 11. Рубин [11.img]
Рис.12.Сапфир[12.img]
Рис. 13. Желтый сапфир [13. img]
Рис. 14. Оранжевый сапфир [14. img]

К числу редких разностей относится звездчатый сапфир, который на выпуклой поверхности дает красивый отлив шестилучевой звезды (рис. 15) [10].

Корунд образуется в разнообразных условиях и встречается в различных по составу и происхождению горных породах: в кристаллических сланцах, вторичных кварцитах, плагиоклазах, хотя основная масса добывается из россыпей.

В "Естественной история", (37 том "Естественной Истории", глава 15.1) Плиний старший писал: "Наибольшую цену в человеческих вещах, и не только среди драго-ценных камней, имеет алмаз, известный долгое время лишь царям, да и среди них весьма немногим", Он описывал в своей знаменитой «Естественной истории» кристаллы алмаза и кварца как природные «четырехугольные» и «шестиугольные» образования.

"...когда удается благополучно разбить алмаз (конечно, по Плинию, это возможно только с помощью свежей и теплой козлиной крови), он разлетается на такие мелкие осколки, что различить их можно с трудом. Резчики достают их и закрепляют в железо, и тогда легко обрабатывают твердый камень" (37 том "Естественной Истории", глава 15.6) [11].

Алмаз возрастом более 4 миллиардов лет "попавший в ловушку" кристаллов циркона (рис. 10), недавно найден в Западной Австралии в районе Jack Hills. [12]. После изучения различных точек зрения, ученые пришли к выводу, что этот алмаз был сформирован тогда, когда на Земле уже были скалы, т.к. для формирования алмазов необходимо высокое давление и относительно плотная кора, которая сформировалась 4,25 миллиарда лет назад. Таким образом, теория о том, что Земля остыла и сформировалась быстрее, чем считалось ранее, получает подтверждение в лице самого старого алмаза на Земле.

Рис. 15. Звездчатый сапфир [15. img]
Рис. 16. Алмаз [16. img]

Американские и немецкие физики разработали "алмазный" квантовый компьютер, который работает при комнатной температуре.

Современный квантовый компьютер, обычно, очень мал и в настоящее время не может в полной мере конкурировать в быстродействии с классическими - обычными компьютерами [10].

У ученых получилось создать алмазный квантовый компьютер с 2-мя квантовыми битами, именуемые кубитами. Кубит - квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. В отличии от классических битов, которые функционируют с положениями «0» или «1», квантовый компьютер способен выполнять свои функции, как с «0» и «1», так и одновременно с обоими положениями. Это наименуется состоянием суперпозиции и дает возможность квантовым компьютерам осуществлять несколько миллионов вычислений одновременно.

Рис 17. Квантовый компьютер [17.img].

Как и все алмазы, алмаз, который применялся в экспериментах, имел примеси. В ювелирном деле чем большее количество примесей, тем меньше имеет цену алмаз, так как это снижает его прозрачность и блеск [10].

Рис 18. Элементарная ячейка алмаза [18.img].

"Сердцем" вычислительного модуля служит дефект - атом азота, "затесавшийся" в кристаллическую решетку алмаза. Ученые научились использовать спин - направление вращения - электронов атома азота и его ядра для обработки данных в кубите и для хранения информации в течение очень продолжительного времени [10].

Важно, что кристалл может работать в условиях комнатной температуры, т.е. никаких специальных температурных воздействий на него не требуется. Конечно, это немало-важно в том плане, если ученые смогут, наконец, создать квантовый компьютер, кото-рый станет в дальнейшем массовым.В доказательство тому, что система работает, ученые выполнили на алмазном компьютере алгоритм Гровера. В упрощенной форме его можно представить в виде поиска имени в телефонной книжке по одному номеру телефона.

Описывая кристаллы сандареза (авантюрин (рис. 19)) Плиний писал: «Мужские сандарезы (другое его название сандастрос - термин греческий, ныне устаревший, в настоящее время сандарез называют авантюрином или орегонским солнечным камнем [11]) отличаются от женских яркостью, которая как бы некоею силою озаряет близ находящиеся предметы. Пламя женского сандареза любезнее и более прельщает, нежели возжигает» (37 том "Естественной Истории"). «Мужскими называются те, которые ярче блестят, а женскими, блеск которых слабее» (37 том "Естественной Истории") [11].

Большое внимание в своих работах Плиний уделял Кристаллусам (другое название - хрусталь) «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» [12].

Греческие философы рассматривали горный хрусталь как особенно крепко замерзший на вершинах снежных гор лед. Само греческое название горного хрусталя - χρυσταλλος - означает в то же время и «лед» и происходит от слова κρος «холод». Очевидно, исключительная прозрачность и бесцветность горного хрусталя послужила поводом для возникновения таких представлений. Плиний, во времена которого горный хрусталь поступал преимущественно с Альп, безоговорочно присоединяется к этому предположению греков: «Кристалл образуется действием сильного холода. По крайней мере, он там только находится, где наиболее смерзаются зимние снега. А что он есть лед - это достоверно, оттого греки так его и назвали» (37 том "Естественной Истории"). Идея о водном происхождении кристаллов распространялась и на другие минералы, что явствует из следующего замечания Плиния: «Некоторые считают это вещество (горный хрусталь) земляной влагой леденеющей подобно кристаллу» (36 том "Естественной Истории"), то есть горному хрусталю [12].

Горный хрусталь представляет собой кристаллы бесцветного прозрачного кварца (рис. 19).

Плиний, обратив внимание на правильность формы кристаллов кварца, писал: «Почему он родится шестигранный, этому трудно найти причину, тем более что и концы неодинаковый вид имеют, и гладкость боков столь совершенна, что этого невозможно произвести никаким искусством» (33 том "Естественной Истории") [13].

Горный хрусталь встречается главным образом в пустотах гидротермальных жил, большинство промышленных месторождений и находок крупных кристаллов - в хруста-леносных жилах «Альпийского типа». Встречается также в пустотах пегматитовых жил и контактово-метаморфических месторождений различного типа. В осадочных породах весьма распространён, но крупных кристаллов не образует, а находится в виде кристаллических щёток на стенках трещин и в форме жеод, преимущественно среди известняков и в известковых толщах. [15].

Плиний восторгался зеленым камнем-смарагдом и по ценности отводил ему второе место после алмаза и жемчуга. Плиний упоминает «знатнейшие смарагды (изумруды) скифов, названные по тому народу, у коего они находятся».

Изумруд - ярко-зеленый (рис. а), темно-зеленый, меньше травяно-зеленый прозрачная разновидность берилла (рис. б), цвет которой создается примесью хрома (реже - ванадия) [16].

Рис. 19. Авантюрин [19.img]
Рис. 20. Горный хрусталь[20.img].
Рис.21 а) [21.img] Изумруды б) [22.img] Кристаллы берилла Al2Be3Si6O18. Образцы: Мин. музей им.А.Е. Ферсмана РАН. Фото: © А.А. Евсеев.

К окраске изумруда предъявляются довольно строгие требования: она должна иметь определенную интенсивность и очень ограниченный набор оттенков. Специалисты утверждают, что изумрудом можно считать только берилл, окрашенный хромом. В то же время изумрудом называют без всяких скидок и уральские травяно-зеленые бериллы (хотя это не совсем корректно), и южно-африканские зеленые с желтоватым оттенком бериллы, окраска которых обусловлена не только хромом, но и железом. Точно так же колумбийские бериллы темно-зеленого цвета, иногда имеющие легкий синеватый оттенок, обусловленный примесью ванадия, традиционно считаются высокосортными изумрудами.

Берилл - это отнюдь не один камень, но целое семейство минералов: голубой аквамарин, темно-зеленый изумруд, золотистый гелиодор, желтовато-зеленый хризоберилл, изменчивый (от красно-фиолетового при искусственном освещении до зеленого при дневном свете) александрит, розовый воробьевит (его называют еще морганитом), голубовато-зеленый эвклаз. О бериллах писали и Плиний Старший, и Теофраст. Но, говоря о том, что бериллы были известны с древности, следует учитывать, что словом «berillos» в Древней Греции называли любые прозрачные зеленые минералы, и в то же время часто называли зеленые бериллы хризолитами, а прозрачные считали кварцем [20].

О том, что под одним и тем же словом в древности подразумевалось иное, нежели сейчас, говорят такие слова Плиния: «Берилл, как полагают, имеет ту же природу, что и изумруд, или, по крайней мере, весьма с ним сходен», - то есть, с точки зрения Плиния изумруд и берилл - два разных камня.

Дорогими изумрудами, смарагдовой плазмой и хризолитом были осыпаны одежды Нерона, Домициана и знатных патрицианок; зеленые камни украшали золотые ожерелья. В эпоху подчинения Египта римскому владычеству с трудом успевали добывать прекрасный изумруд в песках Аравийской пустыни.

Наиболее известная путаница с бериллами связана со знаменитым моноклем императора Нерона. Этот монокль упоминается многими авторами. Долгое время считалось, что монокль Нерона был изготовлен из крупного изумруда. Художественные описания пожара в Риме не обходятся без Нерона, стоящего на холме и рассматривающего пылающий город через гигантский кристалл изумруда или, в крайнем случае, через «изумрудное стекло». Арены и казни, пиры и прекрасные женщины - все подлежало императорской оценке с помощью роскошного изумрудного монокля. Этот монокль по сей день хранится в музее Ватикана, но современные минерологи, исследовавшие камень, определили, что это отнюдь не изумруд, а великолепный хризолит [20].

Говорил Плиний и о другом камне - о синеватом кианосе, вероятно, кианите. Все имевшиеся сведения ограничивались указанием на то, что источником этих камней были какие-то горы, с которых стекали могучие реки на востоке нашей равнины [21]. Кианит – минерал, силикат алюминия. (Рис. 21). Прекрасный небесно-голубой цвет кианита дал ему одно название (от греч. kyanos – синий), а физические свойства – другое: дистен (от греч. dis – двойной и sthenos – крепость) – «двоякосопротивляющийся». Дело в том, что кианит обладает разной твердостью: он царапается ножом в направлении удлинения кристаллов (5-6 по Моосу) и не царапается - в перпендикулярном направлении к росту кристаллов (6-7 по Моосу); таким образом, у кианита действительно «двойная» твердость. Этот минерал очень распространен и образует вытянутые пластинчатые длинностолбчатые кристаллы, похожие по структуре на древесину, за что немцы называли раньше кианит «дощатым камнем» (Riemenstein). Уплощенные кристаллы кианита похожи на лезвия; их зачастую так и называют [22].

Рис. 22. Кианит [23.img]
Рис. 23. Янтарь [24.img].

Древние писатели - Геродот, Теофраст, Тацит (IV - III вв. до н. э.) и затем первый естествоиспытатель Плиний - говорили о том, что в Скифии встречаются «золотистые горящие камни», также называемые янтарь - ювелирно-поделочный камень, ископаемая смола. [22].

Авторитет "Естественной истории" Плиния Старшего был непререкаемым в течение последующих 12 - 14 веков и, пожалуй, ни одно из сочинений древности, за исключением Библии, не оказало такого влияния на представления людей поздней античности, средневековья и Возрождения

Хотя представление об атомах как о невидимых глазом мельчайших частицах, из которых состоят все материальные тела, зародилось задолго до нашей эры в трудах древнегреческих мыслителей (Левкипп, Демокрит, пикур), люди долго не могли с ясностью поставить перед собой вопроса о причинах удивительо правильной огранки найденных или добытых ими кристаллов.

Лишь во времена эпохи Возрождения появляются первые догадки о возможных способах внутреннего устройства кристаллов. По-видимому, впервые итальянский математик, философ и врач Джироламо Кардано (1501-1576) попытался объяснить часто встречающиеся в природе шестигранные призматические формы кристаллов горного хрусталя тем, что они построены плотнейшими упаковками шарообразных частиц. Более смело и ярко высказал подобную мысль великий немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер(1571-1630) [23].