Ферсман

Писаржевский Олег Николаевич

Алмаз — прекрасный пример зависимости свойства вещества не только от природы молекул, но и от их расположения в кристалле.

По составу алмаз ничем не отличается от графита: и тот и другой представляют собой чистый углерод, хорошо знакомый нам как одна из главных составных частей дерева, соломы, каменного угля. Прозрачный, сверкающий алмаз отличается от черного, мягкого, пачкающего графита только тем, что атомы углерода расположены в кристалле алмаза иначе, чем в кристалле графита.

Изучая кристалл, прежде всего измеряют углы между его гранями. В старину эти измерения производились прикладным угломером, а потом в помощь исследователю был использован луч света, отраженный от блестящих и гладких кристаллических граней. Отраженный луч направлялся в зрительную трубку. Поворачивая кристаллы на определенный угол, в ту же трубку улавливали и второй отраженный луч от второй кристаллической грани. Величина этого

поворота показывала угол между двумя гранями кристалла. Для того чтобы в таком приборе перейти от одного угла к другому (а некоторые кристаллы представляют собой сложные многоугольники), нужно было весь кристалл на приборе переставлять медленна и нудно, подражая простаку-повару из ломоносовской притчи, который «вращал очаг вокруг жаркого». Этому-то занятию и посвящал целые дни трудолюбивый академик Кокшаров на протяжении всех сорока лет создания своей описательной минералогии. В старину работа на таком приборе — гониометре — в смысле точности и ловкости сравнивалась с искусством фехтовальщика. «Кристаллоизмерению, — писал один знаменитый минералог прошлого столетия, — научаются лишь с большим трудом, а чаще всего и вовсе не научаются».

Е. С. Федоров придумал поразительно простое и изящное усовершенствование этих измерений. Он заставил вращаться кристалл на гониометре в то время, как его исследователь спокойно сидел на одном месте, улавливая отблески и записывая отсчеты. Для этого он изобрел особый, универсальный, так называемый двукружный гониометр, который позволяет исследовать один и тот же кристалл с самых разнообразных сторон. Этот гониометр — незаменимое орудие всех минералогических исследований во всем мире.

< image l:href="#" />

Федоровский теодолитный столик: а— ранняя конструкция, б— современный пятиосный федоровский столик советской конструкции. Столик привинчивается к обычному микроскопу. Исследуемый препарат помещается посередине столика Федорова и может наклоняться вокруг осей последнего. Наклоняя столик в разные стороны, мы можем исследовать один и тот же кристалл в разных ориентировках.

Теодолитный метод заимствовал некоторые приемы астрономических измерений, отсчетов и вычислений. Каждая грань кристалла, вернее каждый отраженный от нее луч света, получает свое место на воображаемой сфере, описанной вокруг кристалла. Такая сфера условно покрывается отдельными точками (как звездами на небе). Относительное положение этих точек, отвечающее положению соответствующих им граней кристалла, измеряется примерно так же, как это делают географы, — по широте и долготе. Если эти точки нанести на бумагу, получается проекция кристалла, напоминающая обычные географические или астрономические карты.

Отметим попутно огромную роль, которую сыграли важнейшие работы Е. С. Федорова в изучении горных пород.

В гранитах, состоящих из розовых или желтых участков полевого шпата, бесцветного кварца и черных или белых листочков слюды, каждый обломок их — сложное собрание кристаллов. Отдельные их зерна возникали при застывании в земле огненно-жидкой магмы. Они совсем не похожи на те кристаллы, которые мы привыкли видеть в музейных витринах в качестве поучительных образцов. У них нет правильных граней, контуры их искажены. Ведь множеству кристалликов приходилось одновременно расти в магме, они теснили друг друга и застывали, не успев в этой борьбе расправиться, вырасти до нормальных размеров.

Для исследования такой породы под микроскопом по методу Е. С. Федорова изготовляют один-единственный срез. Плоскость такого среза совпадает со случайными сочетаниями разнообразных кристаллических зерен, из которых он состоит. Но на изобретенном Е. С. Федоровым так называемом теодолитном столике можно всесторонне исследовать каждое такое зерно, не вылущивая его из общего скопления. Быстро и точно можно в один прием определить на основании оптических данных различные минералы, слагающие ту или иную породу, выяснив тем самым ее состав.

Теоретические обобщения Е. С. Федорова и его приборы открыли для минералогов возможность пользоваться формой кристаллов, как одним из важных, а при камеральной обработке образцов иногда и единственным, решающим признаком для определения их химического состава. Для того чтобы оценить значение этого переворота в методах исследования горных пород, нужно сравнить способ суждения по внешним формам о внутреннем строении кристалла с обычным химическим анализом. При химическом анализе вещество переводится в раствор, то-есть не сохраняется; после оптического измерения кристалл остается неизменным. Для определения химического состава кристалла по методу Е. С. Федорова, как бы ни был сложен этот состав, достаточно одного лишь кристаллика

величиной хотя бы с булавочную головку. В особенно благоприятных случаях исследование длится всего лишь пятнадцать-тридцать минут; при самых сложных обстоятельствах оно занимает около трех-четырех часов.

Эти тонкие и совершенные новые методы исследования встретили полное понимание и сочувствие Гольдшмидта, который и сам вел поиски в том же направлении.

Сверкающий и более твердый, чем прочие тела природы, несокрушимый алмаз [19] интересовал Гольдшмидта и Ферсмана своими практически важными свойствами. Алмазным острием производятся такие грубые работы, как разрезывание стекла. Им же наносят самые тонкие деления на столь деликатные приборы, что отдельные линии измерительных шкал на них можно разглядеть лишь в увеличительное стекло. Алмаз, вправленный в наружный край буровой коронки, позволяет буру разведчика-геолога или промысловика вгрызаться в самые твердые породы земных глубин. Алмазный порошок, наносимый на край тонкой пилы, позволяет пилить сталь и камень. Что касается самого алмаза, то до недавнего времени (когда искусственным путем в плавильных печах был получен карбид [20] бора, иногда превосходящий своей твердостью алмаз) его можно было царапать, резать или полировать только другим алмазом. Он не горит в обычном огне и лишь при температуре свыше 800 градусов его можно сжечь в расплаве селитры. Алмаз особенным образом рассеивает лучи солнца, как это делают капельки дождя, образующие на небе яркую пеструю радугу. Радужный блеск и создает чарующее впечатление от этого камня.

19

Повидимому, само слово «алмаз»происходит от греческого слова «неукротимый», «непреоборимый», «недоступный».

20

Соединение с углеродом.

Особенное внимание Гольдшмидта и Ферсмана привлекали к себе деформированные кристаллы алмаза из южноафриканских месторождений. Эти странные кристаллы, ограниченные округлыми поверхностями и искривленными ребрами, не поддавались измерению обыкновенным отражательным гониометром. Их точное кристаллографическое изучение оказалось возможным только при помощи двукружного гониометра Е. С. Федорова.

При этом исследовании Ферсман обратил внимание на ребра деформированных кристаллов, которые имели такой характер, словно кристаллы были разъедены, оплавлены, «размыты». Это заключение оказалось неожиданным. До сих пор считалось, что алмаз абсолютно нерастворим ни в одной жидкости, которую знает человечество, — «неукротимый» не поддавался никаким реактивам химиков. Однако иногда в естественных условиях алмаз каким-то образом терял эти свойства. Повидимому, — и это было смелое заключение — под действием жара он превращался в графит, и графит растворялся в расплавленной горной породе. Александр Евгеньевич попытался проверить свои предположения на опыте. Правильные кристаллы алмаза погружались в расплавленную калийную селитру. Через некоторое время, как этого и ожидал Ферсман, происходило растворение алмаза с поверхности. Правильный кристалл превращался в бесформенный многогранник с разъеденными углами и ребрами.

Эти опыты убедительно доказали, что стоит дать атомам углерода в кристалле алмаза возможность передвигаться, — а именно это происходило при нагревании кристалла, — как они переходят в более удобное для них расположение, которое характерно для графита. Алмаз превращается в графит.

Но атомы углерода, занявшие в кристалле графита устойчивое положение, при обычных условиях не склонны перейти на положение атомов алмаза. Однако если алмаз так неустойчив и при кристаллизации углерода из огнежидких растворов всегда получается только графит, то как же вообще могли появиться на земле алмазы? Как «производила» их природа?

Исследования А. Е. Ферсмана позволили подойти к ответу на эти вопросы.

Месторождения алмазов в Южной Африке залегают в огромных воронкообразных углублениях, как бы трубках, заполненных магнезиально-силикатной породой — кимберлитом. Эти воронки — следы грандиозных взрывов, сопровождавшихся подъемом из недр земли расплавленных пород. Взрывы прорвали не только глубоколежащие граниты, но и покрывающие их слои позднейших образований. Через эти вулканические жерла — диатреммы, как их называют геологи, — открывали себе доступ скопившиеся в недрах земли газы и водяные пары, а вслед за ними находящаяся под огромным давлением расплавленная магма подымалась наверх отдельными порывами, то застывая по дороге, то вновь разламывая образующуюся кору и захватывая обломки окружающих пород.