La struttura dei cristalli. L'ordine nella natura [PDF]

Zitiervorschau

Un eterno conflitto tra l'ordine e il disordine è in atto ad ogni istante nella Natura. Nei cristalli l'ordine ha il sopravvento. A parte la loro bellezza come oggetti, i cristalli offrono un campo di studio fonda­ mentale per comprendere la struttura della materia e sono impor­ tanti anche nella tecnica moderna, per esempio nella metallurgia, nell'elettronica, dovunque si usano i transistor e i semiconduttori. Si descrivono qui le forme dei cristalli, la loro simmetria e le distor­ sioni, la costituzione intima al livello atomico e le proprietà visibili al livello macroscopico, come la sfaldatura, la fusione e la cristalliz­ zazione, l'effetto piezoelettrico.

Alan Holden, nato a New York, cominciò a interessarsi alla chimica a undici anni. Studiò a Harvard, laureandosi nel 1925 in Fisica e Matematica. Entrò ai Bell Telephone Laboratories, dove ebbe vari incarichi tra cui quello di scrittore di istruzioni tecniche, dal quale derivò il suo interesse per la stampa tecnica e per la divulgazione. Per un certo tempo organizzò con sua moglie anche una Casa Editrice, con il nome di Press

».

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The Cassowary

Dal 1935 è tra i ricercatori fissi dei Bell Telephone

Laboratories: durante la seconda guerra mondiale ha sviluppato metodi per produrre grandi cristalli impiegati negli apparecchi SONAR. Dopo la guerra si è occupato di spettroscopia nel campo delle microonde.

Phylis Singer, insegna tanto Matematica quanto Arte in una scuola del New Jersey. Ha lavorato a questo libro sia come coautrice, sia come illustratrice: sono suoi i molti disegni che aiuteranno il lettore ad apprezzare l'arte della cristallografia. Appena cominciato il lavoro su questo libro si è appassionata alla mineralogia ed è diventata una ardente raccoglitrice di «

sassi

».

Biblioteca di Monografia Scientifiche

La struttura dei cristalli

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La Biblioteca di Monografie Scientifiche

I volumetti di questa Biblioteca di Monografie Scientifiche fanno parte di una analoga collezione pubblicata negli Stati Uniti d'America con il titolo generale di Science Study Series. Scopo di questi libri è presentare le idee fondamentali e i pro­ blemi piu appassionanti della fisica e delle scienze affini, in modo comprensibile ai giovani studenti delle scuole secondarie superiori e a tutti coloro che, profani di scienze, hanno tuttavia la curiosità di conoscere il lavoro e i risultati degli scienziati moderni. Gli autori, il cui nome è spesso ben conosciuto nel mondo dei ricercatori, sono stati scelti sia per la loro qualità di esperti degli argomenti che trattano, sia per la loro capacità di comu­ nicare le proprie conoscenze di specialisti in modo chiaro e interessante. Molti di questi libri, speriamo, incoraggeranno il

lettore a intraprendere qualche sua ricerca personale sui feno­ meni della natura. Questa collezione di volumetti è nata come parte di un piu vasto programma di attività, con l'obiettivo di impostare su basi nuove l'insegnamento e lo studio della fisica. Nel 1956,

presso il Massachusetts Institute of Technology, un gruppo di fisici, di insegnanti di scuole secondarie superiori, di gior­ nalisti, di progettisti, di produttori cinematografici e di altri specialisti, organizzò il PSSC, ossia il Physical Science Study Committee (Comitato per lo Studio della Scienza Fisica). esperienza, al fine di progettare e realizzare una s�rie di stru­ menti per l'apprendimento della fisica. Il PSSC ha preparato per le scuole secondarie superiori un

Questi uomini misero in comune le loro conoscenze e la loro

sistema integrato per un moderno insegnamento della fisica che, insieme con la presente Biblioteca di Monografie Scien-

tifiche, comprende : un libro di testo 1, una collezione di film didattici 2, una guida agli esperimenti in laboratorio 3,-una serie di apparecchi appositamente progettati per gli esperi­ menti, un libro complementare per gli insegnanti 4• Questo programma è stato lungamente sperimentato nelle scuole ame­ ricane, e si sono sistematicamente raccolti giudizi e critiche, di cui si è tenuto conto nell'elaborazione definitiva di libri e strumenti. Il lavoro del PSSC è un processo in continuo sviluppo, che si esplica nella produzione di nuovi libri e di tecniche d'insegnamento. L'impresa del PSSC ha suscitato vivo interesse in tutto il mondo : questa collezione di monografìe si sta pubblicando in piu di venti lingue, e molti paesi diversissimi, dalla Colombia al Giappone, dalla Svezia a Israele hanno tradotto e adottato per le loro scuole i libri del PSSC. Anche la scuola italiana si è interessata al programma e ai metodi proposti dal PSSC, li ha accolti e li sta mettendo alla prova.

l Traduzione italiana: chelli, 1963. 2

3

Fisica, a cura del PSSC, 2 voll., Bologna, Zani­

Traduzione italiana a cura della Esso Standard Italiana, Genova. Traduzione italiana:

Guida del laboratorio di Fisica, a cura del PSSC,

2 voli., Bologna, Zanichelli, 1963.

4 Traduzione italiana: Fisica, a cura del PSSC, Libro di consultazione e guida per gli insegnanti, 4 voli., Bologna, Zanichelli, 1963.

Alan Holden Phylis Singer

La struttura

dei cristalli L'ordine nella natura

Zanichelli

Bologna

Titolo originale Crystals and Crystals Growing (capitoli VI, VII, VIII, IX, X, XI e XIII) Copyright © 1960 Educational Services Inc. L'edizione originale di quest'opera fa parte della « Science Study Series » pubblicata dalla Anchor Books Doubleday & Company, Inc., Garden City, New York Traduzione di Lucia Maldacea Prima edizione italiana: Einaudi, Torino, 1962 Nuova edizione interamente riveduta a cura di Laura Felici Copyright © 1969 Nicola Zanichelli, S.p.A. , Bologna

Illustrazioni di Phylis Singer Copertina di Paolo Sala Redazione: Laura Felici

Indice

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1 L'edificio cristallino Le forme dei cristalli. Distorsioni delle forme cristalline. Gli angoli tra le facce naturali.

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2 Simmetria del cristalli Operazioni di simmetria. L'idea di simmetria. in tre dimensioni. I sei sistemi cristallini.

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Simmetria

3 Disposizione degli atomi nei cristalli Blocchetti bidimensionali e atomi. Le strutture dei cristalli naturali. Strutture compatte. Celle elementari compatte. Altre strutture.

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4 Sfaldatura e scorrimento nei cristalli

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5 Fusione e trasfomazione dei cristalli

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6 L'effetto piezoelettrico

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7 Classificazione del cristalli Abiti rivelatori. Le striature e le trentadue classi di simme­ tria. Figure · di corrosione. Comportamento a vite entro un cristallo. Molecole asimmetriche.

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Appendice

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Soluzioni dei problemi

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Indice analitico

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L'edificio cristallino

Parecchi secoli fa la gente, osservando che i cristalli si in­ grossavano, concluse che essi si accrescevano come gli ani­ mali ingerendo il nutrimento e trasformandolo nelle so­ stanze di cui erano costituiti. Qualcuno, osservando il com­ portamento di certi cristalli, deve aver suggerito talvolta che essi si accrescono dall'esterno, ma prima che entrasse in uso sistematicamente l'abitudine di scrivere e segnalare tutte queste osservazioni, molto deve essere stato piu volte ap­ preso e piu volte dimenticato. Col tempo queste osservazioni, opportunamente riportate, hanno messo in evidenza le somiglianze e le disparità fra i cristalli e gli organismi viventi. Circa trecento anni fa, si cominciò a notare che qualsiasi cristallo poteva essere con­ cepito come fatto di piccoli blocchetti identici, ma troppo piccoli per essere distinti individualmente. Si poteva dun­ que immaginare l'accrescimento dei cristalli come un depo­ sitarsi di blocchetti identici uno accanto all'altro, e uno so­ pra l'altro: le conferme sono venute, in parte dall'osserva­ zione della sfaldatura della calcite che vedremo piu avanti, e in parte dallo studio della forma dei cristalli. Le forme dei cristalli.

Quando si studiano i cristalli, in base al loro aspetto ester­ no, il primo passo da compiere è cercare di individuare che cosa hanno in comune tutte le forme dei cristalli: ad esem­ pio tutti i cristalli sono delimitati da superfici piane. Que­ ste superfici vengono chiamate «facce», dove due facce si incontrano si ha uno « spigolo » e dove si incontrano due o piu spigoli un «vertice». Gli spigoli che delimitano una faccia sono frequentemente disposti in modo da costituire una semplice figura piana: un triangolo, un quadrato o altre. Spesso anche le facce che

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L'edificio cristallino

delimitano tutto il cristallo possono costituire una figura so­ lida semplice: un cubo, un tetraedro e un ottaedro (fig. l). Talvolta la forma dei cristalli può essere piu complicata, ma sono tutti « poliedri », cioè figure racchiuse da un nu­ mero finito di facce piane.

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