Алмаз. Легенды и действительность - Геология - Скачать бесплатно
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Государственная Академия Управления
имени С. Орджоникидзе
Институт национальной и мировой экономики
Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Концепция
современного естествознания»
на тему:
«Алмаз. Легенды и действительность»
Выполнила студентка I курса
института национальной и мировой экономики
группы (2
Колобекова Алла Владимировна
Руководитель: Ацюковский В.А..
Москва
1998 год
Ум человеческий открыл много
диковинного в природе и откроет
еще больше, увеличивая тем свою
власть над ней.
В. И. Ленин «Материализм и эмпириокритицизм»
Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из
кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем их в
лабораториях, широко применяем в технике и науке, едим кристаллы, лечимся
ими...
Что же такое кристаллы?
В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то
тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Это многогранники с плоскими
гранями и прямыми ребрами. Правильные и совершенные формы этих камней,
безукоризненная гладкость их граней поражают нас. Трудно поверить, что
такие идеальные многогранники образовались сами, без помощи человека. Вот
эти-то камни с природной симметричной многогранной формой и называются
кристаллами.
Кристаллы, залегающие в земле, бесконечно разнообразны. Размеры их
достигают подчас человеческого роста. Встречаются кристаллы-лепестки тоньше
бумаги и кристаллы-пласты в несколько метров толщиной. В музее Горного
Института в Санкт-Петербурге хранится кристалл горного хрусталя высотой
около метра и весом больше тонны, который много лет служил тумбой у ворот
одного из домов в Свердловске.
Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром
говорят: « кристально чистый».
Чешский писатель Карел Чапек в своих «Записках из Англии» пишет:
«...Есть кристаллы огромные, как колоннада храма, нежные, как плесень,
острые, как шипы; чистые, лазурные, зеленые, огненные, черные;
математически точные, совершенные, похожие на конструкции сумасбродных,
капризных ученых... Есть кристаллические пещеры, чудовищные пузыри
минеральной массы... И в человеке таится сила кристаллизации...»
Рассмотрим кристаллы разных веществ. Как отличить их друг от друга? По
цвету? По блеску? Нет, это признаки ненадежные. К примеру, кристаллы кварца
могут быть бесцветными, золотистыми, коричневыми, черными, сиреневыми,
лиловыми. В музее в Санкт-Петербурге хранится коллекция кристаллов
природного корунда сорока различных цветов и оттенков: Кроваво-красный
рубин, лазорево-синий или голубой сапфир, бесцветный лейкосапфир, черный
наждак- все это один и тот же минерал корунд или окись алюминия.
Приглядевшись к кристаллам внимательнее, нетрудно увидеть их гораздо
более характерную особенность: кристаллы разных веществ отличаются друг от
друга своими формами (рис.1).
Рисунок 1.
Давно прошли те времена, когда считали, что кристаллы - это только
естественные многогранники, и поэтому думали, что кристаллы встречаются
редко, считали их игрой природы. Кристаллы не надо специально искать.
Наоборот, не найдешь таких металлов и почти не встретишь таких камней,
которые не были бы кристаллическими. Но в большинстве своем камни и металлы
- это поликристаллы, т.е. сростки многих мелких кристаллических «зерен», и
в этих сростках уже неразличимы многогранные формы отдельных
монокристаллов. Да и не только неразличимы: этих форм просто нет, и не
вырастает монокристальное зерно многогранником потому, что со всех сторон
теснят его такие же монокристаллы. Поэтому в очертаниях зерна уже не
остается следов многогранника.
Нередко образуется поликристалл столь мелкозернистый, что ни в
лупу, ни в микроскоп нельзя различить в нем отдельные кристаллики. Как же
убедиться в его кристаллическом строении? Каков же самый характерный, самый
основной признак кристалла?
Ответ гласит: самая характерная особенность кристалла - это его
атомная структура, правильное, симметричное, закономерное расположение
атомов.
Кристаллы построены правильно, строго закономерно. И в них тоже
атомы, ионы, молекулы не находятся в покое, но частицы не сталкиваются друг
с другом, потому что все они расположены правильным строем и каждая может
колебаться около определенного положения. Эти правильные ряды частиц в
пространстве, трехмерные решетки из атомов, образуют кристаллическую
структуру.
Структура всех кристаллических веществ периодична и
закономерна. Во всех кристаллах частицы выстраиваются симметричными
правильными рядами, плоскими сетками, трехмерными решетками.
Во всех кристаллах, во всех твердых веществах частицы
расположены правильным четким строем, выстроены симметричным, повторяющимся
узором. Пока есть этот порядок - существует твердое тело, кристалл. Нарушен
порядок, рассыпался строй частиц - значит, кристалл расплавился,
превратился в жидкость или испарился, перейдя в пар.
Одинаков ли порядок, строй атомов в разных твердых телах? Конечно,
нет. Природа бесконечно разнообразна и не любит повторений. Строй атомов
железа совсем не похож на постройку атомов в кристалле льда. В каждом
веществе есть именно свой, характерный узор и порядок расположения атомов.
И от того, каков этот порядок, зависят свойства вещества. Одни и те же
атомы одного «сорта», располагаясь по-разному, образуют вещества совсем
разных свойств.
Посмотрим, например, на атомы углерода.
Сажа или копоть, - мягкий черный порошок, собирающийся на дне
кастрюли или в печной трубе, - это углерод.
Уголь, древесный или каменный, - это тоже углерод.
Графит, мягкий стержень карандаша, выдерживает очень высокие
температуры, это кристалл, сложенный из атомов углерода.
Есть и другая форма кристаллов углерода - алмаз, самый дорогой и
самый красивый из драгоценных камней. Алмаз очень твердый, тверже всех
камней на Земле. Им можно резать, шлифовать и сверлить любые твердые камни
и металлы.
Трудно поверить, что алмаз и графит сложены из одних и тех же
атомов углерода. Графит мягкий, непрозрачный, черный. Алмаз - твердый,
прозрачный, искрящийся всеми цветами радуги. Графит огнеупорный, алмаз
легко горит.
Структура кристалла определяет свойства вещества и его форму. А
правильная многогранная форма - это следствие атомной структуры. Плоские
грани кристалла отвечают плоским сеткам кристаллической решетки, острые
прямые ребра - рядам атомов в решетке.
Каждое кристаллическое вещество можно отличить от другого по его
атомной структуре. В одних кристаллах решетки очень простые, в других -
сложные. В разных веществах различны расстояния между частицами в решетке.
Но все эти расстояния очень малы, это стомиллионные доли сантиметра
(ангстремы).
Во всех кристаллических веществах атомы, ионы, молекулы образуют
симметричные ряды, сетки и решетки. Правильное повторяющееся расположение
частиц обязательно для кристаллов, оно является их основной особенностью,
отличающей их от некристаллов. На вопрос, что же такое кристаллы, ответ
таков: кристаллы - это вещества, в которых составляющие их частицы
расположены строго периодически, образуя геометрически закономерную
кристаллическую структуру.
Кристаллическая структура обнаружена не только в природных
многогранниках камней, в кристаллических горных породах и в металлах, но и
в очень многих других телах. Уж на что, казалось бы, глина не похожа на
кристаллы, но и она состоит из мельчайших кристаллических частичек. Даже в
таких веществах, как человеческие кости, волосы, волокна шерсти, шелк,
обнаружено кристаллическое строение.
Громадное большинство твердых веществ на Земле являются
кристаллическими. Только кристаллы - большей частью не те прекрасные
многогранники, которыми мы любуемся в музеях, а крохотные, подчас невидимые
глазом зернышки. Однако внутреннее строение этих невзрачных зерен столь же
красиво и удивительно закономерно, как и строение чудесных больших
многогранников.
С самых ранних времен человеческой культуры люди ценили красоту
драгоценных камней.
Алмаз! Это название известно каждому. С ним ассоциируются
представления о несравненном блеске и непревзойденной твердости. Со вторым
свойством связано и название минерала, которое происходит или от арабского
слова «ал-мас» («твердейший») или от греческого
« адамас» («непреодолимый, несокрушимый»).
Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных
украшений и большое валютное значение. Прозрачные бесцветные или красиво
окрашенные кристаллы алмаза, пригодные для огранки, являются драгоценными
камнями 1-го класса, так же как сапфир, рубин, изумруд, александрит,
эвклаз. Ювелиры разделяют алмазы почти на 1000 сортов в зависимости от
прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин,
минеральных включений и некоторых других признаков.
С конца XIX века алмазы начинают применяться на производстве. В
настоящее время экономический потенциал наиболее развитых государств в
значительной мере связывается с использованием ими алмазов. Достаточно
напомнить, что по оценкам западных экономистов промышленный потенциал США в
случае отказа от импорта алмазов упадет в 2-3 раза. Применение алмазного
инструмента существенно повышает чистоту обработки деталей, а
производительность труда возрастает при этом в среднем на 50 %.
Массу алмазов принято измерять в каратах. Каратом в Древней Греции
называли семена рожкового дерева, по форме напоминающие крупную горошину.
После высушивания семена имели сравнительно постоянную массу - от 150 до
220 мг.
В промышленности используются преимущественно алмазы, непригодные
для огранки: непрозрачные, с многочисленными включениями, трещинами,
мелкозернистые сростки, алмазная крошка и т.п. Единой классификации
технических алмазов не существует, поскольку каждая отрасль промышленности
предъявляет свои требования к их сортировке.
Какие же свойства алмаза определяют его широкое использование в
различных областях народного хозяйства? В первую очередь, конечно,
исключительная твердость, которая, если судить по скорости истирания, в 50
раз выше, чем у корунда, и в десятки раз выше, чем у лучших сплавов,
применяемых для изготовления резцов. Алмаз применяется для бурения горных
пород и механической обработке самых разнообразных материалов.
Бурение скважин в толщах горных пород, слагающих земную кору, в
широких масштабах применяется при поиске и разведке месторождений полезных
ископаемых, а также при эксплуатации нефтяных и газовых залежей. Не
обойтись без бурения и при выполнении всевозможных взрывных и инженерно-
геологических работ, предшествующих возведению крупных зданий, плотин и
многих других объектов.
В техническом отношении наиболее совершенным является вращательное
алмазное бурение, которое осуществляется высверливанием скважин в толще
горных пород с помощью буровых коронок, армированных алмазами. Коронки,
армированные алмазами, повышают скорость бурения в 8-15 раз по сравнению с
бурением, основанным на применении твердосплавных или дробовых коронок.
Наилучшими алмазами для бурения считаются тонкозернистые плотные
карбонадо, поскольку они обладают повышенной твердостью и наименее
подвержены раскалыванию. На втором месте стоят шаровидные балласы и
небольшие монокристаллы алмаза округлой формы. На изготовление буровых
коронок ежегодно расходуется около 0.6 тонны камней, что составляет
примерно 10 % общего количества добываемых в мире технических алмазов.
Применение алмазных резцов и сверл на обработке цветных и черных
металлов, твердых и сверхтвердых сплавов, стекла, каучука, пластмасс и
других синтетических веществ дает огромный экономический эффект по
сравнению с использованием твердосплавного инструмента. Чрезвычайно важно,
что при этом не только в десятки раз повышается производительность труда,
но одновременно значительно улучшается качество продукции. Обработанные
алмазным резцом поверхности не требуют шлифовки, на них практически
отсутствуют микротрещины, в результате чего многократно увеличивается срок
службы получаемых деталей.
Совершенно незаменимы алмазы при вытачивании опорных рубиновых
камней, используемых в часовых и многих других точных механизмах, а также
при правке шлифовальных кругов.
Практически все современные отрасли промышленности, в первую
очередь электротехническая, радиоэлектронная и приборостроительная, в
огромных количествах используют тонкую проволоку, изготавливаемую из
различных металлов. При этом предъявляются строгие требования к круговой
форме и неизменности диаметра поперечного сечения проволоки при высокой
чистоте поверхности. Такая проволока из твердых металлов и сплавов может
быть изготовлена лишь с помощью алмазных фильер. Фильеры представляют собой
пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими (от 0.5 до 0.001 мм)
отверстиями.
Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Их
получают путем дробления низкосортных природных алмазов, а также
изготавливают на специальных предприятиях по производству синтетических
алмазов. Алмазные порошки используются в дисковых алмазных пилах,
мелкоалмазных буровых коронках, специальных напильниках и в качестве
абразива. Только с применением алмазных порошков удалось создать уникальные
сверла, которые обеспечивают получение глубоких тонких отверстий в твердых
и хрупких материалах. Такие сверла («алмазные жала») позволяют
высверливать, например, в стекле отверстия диаметром 2 мм и длиной до 850
мм!
Алмазные порошки находят применение на гранильных фабриках, где
все самоцветы, и в том числе алмазы, подвергаются огранке и шлифовке,
благодаря чему невзрачные до этого камни становятся таинственно светящимися
или ослепительно сверкающими драгоценностями, к неповторимой красоте
которых никто не остается равнодушным.
С 50-х годов внимание ученых и конструкторов начинают привлекать
другие физические свойства алмаза. Известно, что, попадая в кристалл,
быстрые заряженные частицы выбивают электроны из его атомов, т.е.
ионизируют вещество. В алмазе под действием заряженной частицы происходит
световая вспышка и возникает импульс тока. Эти свойства позволяют
использовать алмазы в качестве детекторов ядерного излучения. Свечение
алмазов и возникновение импульсов электрического тока при облучении
позволяет применять их в счетчиках быстрых частиц. Алмаз в качестве такого
счетчика обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с газовыми и
другими кристаллическими приборами.
Кристаллы алмаза, применимые в качестве счетчиков, крайне редки,
поэтому цена их значительно выше, чем у равных по величине ювелирных
камней. Некоторые кристаллы алмаза являются полупроводниками p- типа в
широком диапазоне температур и давлений.
Использование алмазов в полупроводниковых и некоторых оптических
приборах, а также в счетчиках ядерного излучения весьма перспективно,
поскольку такие приборы способны работать в самых различных условиях,
включая области низких и высоких температур, сильные электромагнитные и
гравитационные поля, агрессивные среды и т.п. Следовательно, основанные на
алмазах приборы могут оказаться незаменимыми при космических исследованиях,
а также при изучении глубинного строения нашей планеты.
Алмазу с незапамятных времен отводилось особое место среди
представителей минерального царства. Исключительность свойств алмаза
порождала множество легенд, в которых наряду с чистейшим вымыслом
встречались и описания некоторых реальных свойств камня.
В Индии, где много веков назад были найдены первые алмазы,
накапливались и обобщались сведения о свойствах кристаллов алмаза и его
месторождениях. Однако жрецы из религиозных и политических, а купцы из
коммерческих соображений препятствовали распространению этих сведений и
подменяли их всякого рода мистическими толками и суеверными выдумками.
По мнению древних индусов, алмазы образуются из «пяти начал
природы»: земли, воды, неба, воздуха и энергии. При этом алмазы, как и
люди, разделялись на четыре класса (Варны): «брахманов», «кшатриев»,
«вайшьев» и «шудр». «Брахманами» назывались бесцветные и белые, как
градины, цвета «серебристых облаков и луны» шестивершинные или
октаэдрические кристаллы алмаза, считавшиеся высшей степенью совершенства.
Алмазы с красноватым оттенком относились к «кшатриям» , зеленоватые- к
«вайшьям», а серые- к «шудрам». «Кшатрии» оценивались в 3/4, «вайшьи»- в
1/2, а «шудры»- в 1/4 стоимости «брахманов».
Многие индийские и, по-видимому, арабские легенды об алмазе были
повторены в начале нашей эры в работе древнеримского естествоиспытателя
Плиния Старшего «Естественная история ископаемых тел». Наряду с легендами и
суевериями Плиний приводит довольно точные характеристики некоторых свойств
алмаза. Так, в частности, он описывает использование алмазов при обработке
других твердых материалов и отмечает, что сам алмаз может быть обработан
только другим алмазом. На протяжении последующих веков воззрения Плиния
считались незыблемыми и переходили из одного трактата в другой, обрастая
все большим числом фантастических вымыслов.
В средние века были составлены даже специальные книги о
происхождении, магических и целебных свойствах различных камней -
лапидарии.
Такого же рода «лечебные» книги печатались и в России. Одна из них,
опубликованная в 1672 году, называлась «Книга, глаголемая «Прохладный
вертоград», избранная от многих мудрецов о различных врачевских вещах, к
здравию человеческому пристоящих».
В известной сказке о путешествиях Синбада - морехода рассказывается
о хитроумном способе добычи алмазов. Где-то в далекой стране есть
необычайно глубокое ущелье, дно которого усеяно алмазами. Доступ к
сокровищам преграждают несметные полчища огромных змей. Однако люди нашли
способ извлекать драгоценные камни и отсюда. Для этого с окружающих гор они
сбрасывали в ущелье большие куски мяса. Алмазы прилипали к мясу, и огромные
орлы уносили его в свои гнезда. Смелые искатели добирались до орлиных гнезд
и собирали сверкающие кристаллы.
Случайно или нет, но в этой сказке есть два момента, которые
увязываются с практическими данными. Одним из них является способность
алмаза прилипать к жирам, а второй - «посредническая» роль птиц при добыче
алмазов. Какие-либо достоверные сведения об этом в древнеиндийских
источниках отсутствуют, но мы располагаем многочисленными и вполне
достоверными данными, относящимися к XIX веку. На раннем периоде истории
алмазных разработок в Южной Африке считалось выгодным разводить домашнюю
птицу. Птицы рылись в отвалах горных выработок и, завидев блестящие зерна,
проглатывали их.
Зоб каждой зарезанной птицы тщательно осматривали, надеясь найти
драгоценный кристалл. Надежды эти иногда оправдывались. Так, к примеру,
документально засвидетельствовано, что в зобу одного голубя, убитого на
территории алмазного рудника, было обнаружено 23 алмаза массой 5.5 карата.
Нашла отражение в легендах и исключительная твердость алмаза.
Плиний отмечает «несказанную» твердость камня, который «так сопротивляется
ударам на наковальне, что железо с обеих сторон разлетается и сама
наковальня растрескивается».
Очевидно, что римский ученый не различал твердости и прочности
веществ. Если бы он проверил справедливость своего утверждения и, положив
алмаз на наковальню, ударил по нему молотком, то лишился бы своей
драгоценности, поскольку камень разлетелся бы на куски.
В китайских легендах, относящихся к IV веку н. э.,
рассказывается, что в королевстве Фу- Нан добывают алмазы, которые могут
резать яшму. По своему виду они напоминают плавиковый шпат и растут подобно
сталактитам, на дне моря, на глубине сотен метров. Пловцы ныряют за ними
утром и выплывают только к концу дня. При ударе по алмазу молотком алмаз
остается неповрежденным, а молоток раскалывается. Однако если удар нанести
бараньим рогом, то алмаз разломается, как лед. Очевидно, что авторы этой
легенды беспорядочно смешали свойства нескольких минералов: алмаза, жемчуга
и кальцита.
Легенды об алмазе и других драгоценных камнях включались в
некоторые художественные произведения. Очень поэтичны описания самоцветов в
произведениях
А. И. Куприна. Об алмазе говорится, что он «царь всех камней- камень шамир.
Греки называют его адамас, что значит- неодолимый. Он остается невредимым в
самом сильном огне. Это свет солнца, сгустившийся в земле и охлажденный
временем. Он играет всеми цветами, но сам остается прозрачным, точно капля
воды. Он сияет в темноте ночи, но даже днем теряет свой свет на руке
убийцы».
Вымыслы и легенды о путях образования алмаза рождались не только
в начале эры и в средние века.
В 1877 году в журнале «Кругозор» была опубликована заметка
следующего содержания: «О происхождении алмаза имеются лишь смутные
догадки. Он образовался, вероятно, среди первобытных пород,
|
