ساختمان داخلی و سیستم بلورها

به موازات پیشرفت علوم پایه به ویژه فیزیک و شیمی و متعاقب آن پیشرفت علم کانی شناسی پی بردن به ماهیت ماده و ساختمان درونی کریستال‌ها امکان‌پذیر شده است. اگرچه تصور و تجسم ساختمان داخلی از مدت‌ها قبل وجود داشته ولی از لحاظ تجربی، فون لایه فیزیکدان آلمانی در سال ۱۹۱۰ موفق شد که همزمان پی به دو مسأله ساختمان ظریف کریستال‌ها و طول موج پرتو ایکس ببرد.

وی اعتقاد داشت که پرتوهای اشعه x خواص همانندی با پرتوهای نوری دارند و لذا با تابش پرتو ایکس بر روی کانی‌ها، آزمایش‌هایی را آغاز نمود که سرانجام به ارائه قوانین و فرضیاتی منجر شد که امروزه، ما آنها را به عنوان یک واقعیت می‌پذیریم. هم‌اکنون بسیاری از مسائل ساختمان داخلی کریستال‌ها با پیشرفت و توسعه روش‌های آنالیز ساختمانی، حل شده است و تمامی این نتایج، مشترکاً این واقعیت را نشان می‌دهد که انواع مختلف اتم‌هایی که ترکیب شیمیایی یک کریستال را تشکیل می‌دهند، در یک ردیف در فاصله‌های مساوی و معینی به نظم و ترتیب در آمده‌اند.

کریستال‌ها شكل خطی و صفحه‌ای (یک بعدی و دوبعدی) ندارند بلکه شکل فضایی (سه بعدی) داشته و روی همین اصل، ردیف‌های اتمی تنها در یک یا دو جهت قرار ندارند بلکه در تمام جهات یک کریستال می‌باشند. این نقاط اتمی، نظم و ترتیبی را به صورت گروهی در سه جهت و به موازات همدیگر ایجاد می‌کنند که به این ساختمان فضایی ایجاد شده، شبکه فضایی می‌گویند.

در شکل ۱، یک شبکه ساده مکعبی نشان داده شده است. دایره‌های کوچک و بزرگ، مكان اتم‌هایند و در حقیقت به صورت تنها وجود دارند و خطوط ارتباطی برای آن است که بیانگر نظم و ترتیبی که بیان شد، باشد. در این شبکه نقاط ردیفی را در امتداد لبه یا یال‌های مکعب می‌بینیم که نقاط با فواصل مساوی روی آنها قرار دارند. در شبکه زیرکن (ZrO3 . SiO2) به وضوح اتم‌های زیرکن، سیلیسیم و اکسیژن مشاهده می‌شوند.

اگر بخواهیم تمام شبکه را در ذهن خود مجسم کنیم، آن وقت بایستی همین مقطع را چنان تکرار کنیم که در همه جهت محورهای مختصاتی به تعداد بی‌نهایت تکرار شود. منظور از این گفته این است که یک شبکه این کانی حاصل تکرار سلول واحد زیرکن در سه جهت است که تعداد دفعات تکرار آن در ذهن ما رقمی ایجاد می‌کند که خارج از حساب و محاسبه است.

فاصله اتم‌ها از یکدیگر در یک کریستال به حدی کوچک است که از تصور ما خارج است. واحد این فاصله به افتخار مخترع آن انگستروم نامیده می‌شود. که یک انگستروم برابر با دو میلیونیم میلیمتر است. (1A = mm) فاصله اتم‌ها از یکدیگر معمولا به چند واحد از این انگستروم می‌رسد.

ساختمان شناسی گوهرها فقط جنبه علمی دارد. این علم (ساختمان شناسی گوهرها) از دو نظر برای ما حائز اهمیت است: اولا، پایه و اساس بلور را تشکیل می‌دهد که تمام خصوصیات فیزیکی بلورها تابع این امر می‌باشد. به علت تغییر در نحوه قرارگیری اتم‌ها در شبکه بلوری، خواص متفاوتی در جهات متفاوت قابل پیش‌بینی است، در صنایع برش کانی‌های زینتی، دانستن این امر بسیار ضروری و اساسی است. به عنوان مثال در تراش دادن و برش الماس از این خاصیت استفاده می‌شود زیرا که کانی مورد نظر در جهات مختلف دارای سختی و نیروی پیوند متفاوت است.

ثانيا، حالاتی پیش می‌آید که با روش‌های اپتیکی (نوری) و فیزیکی و غیره نمی‌توان گوهرهای حقیقی و طبیعی را از انواع کاذب آن متمایز کرد، در اینجا از ساختمان این کانی‌ها توسط پرتو ایکس (x) فیلمی تهیه می‌شود که نحوه آرایش اتم‌ها را مشخص می‌کند.

اشکال بلورها

شکل و فرم یک بلور توسط سطوح محاط کننده آن مشخص می‌شود. سطح بیرونی یک بلور چیزی جز شبکه فضایی بلور نیست که با رشد و نمو بلور پایان می‌پذیرد. پیش از هر چیز در شکل یک بلور تقارن(Symmetry)  است که جلب نظر می‌کند و عبارت از تکرار منظم و با قاعده سطوح یا نقاط هندسی یک فرم است.

در بلورها همیشه حالتی وجود دارد که یک موتیف در حول یک محور دو، سه، چهار و یا شش مرتبه تکرار می‌گردد. این محور یک عامل تصوری است و باید طوری تصور شود که در وسط یک بلور قرار گیرد به طوری که سطوح و نقاط هندسی دور تا دور آن جای می‌گیرند. توسط دوران این محور، در تحت یک زاویه معین نقاط هندسی و موتیف‌ها تکرار می‌شوند. چنین محور دورانی را محور تقارن گویند.

اگر یک موتیف به ازای یک دوران کامل (°۳۶۰) دو مرتبه تکرار شود محور درجه دو و اگر سه بار تکرار شود محور درجه سه و به همین ترتیب درجه چهار و درجه شش می‌باشد. محورهای درجه پنج و یا زیادتر از شش از نقطه نظر تئوری و عملی، به هیچ وجه در بلورها نمی‌تواند وجود داشته باشد (قانون رفورم یا اصلاح پذیری چنین اجازه‌ای را به ما نمی‌دهد).

در یک جهت همیشه فقط یک محور دورانی می‌تواند عبور نماید. در اینجا نیز محورها به دو گروه اصلی و فرعی تقسیم می‌شوند. در منشورها امتداد محور طولی منشور محل عبور محور اصلی است و مابقی محورهای تقارن موجود در آن فرعی می‌باشند. محورهای اصلی همیشه حالت منحصر به فردی دارند یعنی این که هیچ یک از محورها دارای خصوصیات آن نیستند. در ضمن باید یادآور شد که درجه تقارن محور اصلی همیشه از درجه تقارن محورهای فرعی موجود در بلور است.

علاوه بر محور تقارن، عضو تقارنی دیگری به نام تقارن بلورها وجود دارد که آن سطحی است که بلور را به دو قسمت برابر و قرینه تقسیم می‌نماید. می‌توان چنین گفت که مثال سطح تقارن در کانی‌ها و بلورها همانند آینه‌ای است بین جسم و تصویر ما. به همین دلیل نام دیگر سطح تقارن، سطح آینه‌ای است. سطح تقارن این واقعیت را بیان می‌دارد که هر نقطه و موتیفی که در یک طرف آن است باید با همان فاصله نسبت به سطح تقارن در طرف دیگر آن نیز موجود باشد.

مرکز تقارن: هر گه در مرکز بلور نقطه‌ای فرض شود، و آن نقطه را به طرفین امتداد دهیم و به نقاط هم ارزش برسیم، آن وقت می‌گوییم که این بلور دارای مرکز تقارن است. به عبارت دیگر بلوری دارای مرکز تقارن است که در آن هر سطحی دارای سطح موازی مقابل خود باشد.

در بلورها همیشه تمایل به رسیدن به درجه تقارن بالاتر وجود دارد. این پدیده همان دوقلویی (Twinning) می‌باشد. در ایجاد چنین پدیده‌ای بلور در دو قسمت ظاهر می‌شود که به طور قرینه‌ای با سطح آئینه‌ای نسبت به همدیگر قرار می‌گیرند.

در شکل سه، دوقلوهای متعددی از کانی روتیل نشان داده شده است توجه شود که دو قسمت که به طور قرینه در طرفین سطوح آینه‌ای وجود دارند، در هر شکل، دارای سطح آینه‌ای منحصر به فردی است.

دوقلویی که در کانی‌های متعددی از قبیل الماس نیز دیده می‌شود برای تراشی دادن این کانی، ایجاد مزاحمت می‌کند و گاهی در الماس دوقلوهایی داریم که به صورت تکراری و به اصطلاح چندقلویی دیده می‌شود.

اگر دوقلوها به طور موازی و مکرر شوند، آنگاه به آنها دوقلوی تکراری (Polysynthetic twinning) گویند که هر کدام به صورت نواری در خواهند آمد. نمونه این نوع ماكل را می‌توان در زیر میکروسکوپ در مقاطع پلاژیوکلاز و کلسیت ملاحظه نمود. با اتکاء به عناصر تقارنی (محورهای تقارن، سطوح تقارن، مرکز تقارن، محور دوران)، فقط تعداد محدودی رده یا کلاسه تقارنی در دنیای بلورها ایجاد شده است که تعداد آنها ۳۲ رده است که در هفت سیستم بلوری تقسیم می‌گردند. با تشخیص تقارن، کلاسه منتج شده و با تشخیص کلاسه (رده)، سیستم یک بلور قابل تمیز است.

سیستم‌های بلوری

(Crystal systems)

همانطور که قبلا گفته شد، در توصیف کانی از هفت سیستم بلوری استفاده می‌شود که به ترتیب تقارن عبارتند از:

١. سیستم تریکلینیک (Triclinic system): این سیستم از لحاظ وجود تقارن، فقیر‌ترین ‌سیستم به شمار می‌آید که تعداد زیادی از بلورها نظیر، ردونیت، پکتولیت، لاستونیت و غیره در این سیستم متبلور می‌شوند.

۲. سیستم منوکلینیک (Monoclinic system): این سیستم تنها دارای یک سطح تقارن و یا یک محور درجه دو و یا هر دو می‌باشد. از کانی‌هایی که در این سیستم متبلور می‌شوند می‌توان به بیوتیت، فلوگوییت، اسپودومن، دیوپسید، اپیدوت و ... اشاره کرد.

٣. سیستم اورتورومبیک(Orthorhombic system) : این سیستم از سه محور درجه دو عمود بر هم تشکیل شده است که از کانی‌های این سیستم می‌توان به زبرجد، توپاز، الکساندریت اشاره کرد.

۴. سیستم تریگونال (Trigonal system): این سیستم دارای یک محور درجه سه اصلی و عمود بر آن محور درجه دو و به موازات و یا عمود بر آن محور، سطح تقارن می‌باشد. از کانی‌هایی که در این سیستم متبلور می‌شوند می‌توان به کانی‌های گروه کوارتز، یاقوت و تورمالین اشاره کرد.

۵. سیستم هگزاگونال (Hexagonal system): این سیستم دارای یک محور درجه شش اصلی (محور منشور) است که عمود بر آن چندین محور و به موازات و عمود بر آن سطوح تقارن قرار دارد. کانی‌های گروه بریل (زمرد واکومارین) و آپاتیت در این سیستم متبلور می‌شوند.

۶. سیستم تتراگونال: (Tetragonal system) این سیستم دارای یک محور درجه چهار اصلی (محور منشور) است که عمود بر آن محورهای درجه دو، و به موازات و یا عمود بر آن سطوح تقارن قرار دارند. کانی‌های زیرکن و روتیل نمونه‌های خوبی از کانی‌های این سیستم‌اند.

۷. سیستم کوبیک (Cubic system): این سیستم دارای شش محور درجه دو، چهار محور درجه سه، سه محور درجه چهار و عمود بر آنها سطوح تقارن است. در این سیستم بلورها فاقد کشیدگی‌اند ‌و همگی به صورت مکعبی و یا کروی‌اند. مهمترین گوهری که در این سیستم متبلور می‌شود کانی الماس است.