Но как же найти кристалл, если он даже не виден? И как же отличить кристалл от некристалла? Может быть, по многогранной форме? Но у мелких сросшихся вместе кристаллических зерен в металле или в булыжнике внешняя форма совсем неправильная. И в то же время стекло может быть многогранным — ну, например, граненые стеклянные бусы. Однако стекло — вещество некристаллическое. В чем же дело?
В том, что кристаллы сами, без помощи человека, принимают свою форму, они вырастают многогранниками, а стекло должно быть огранено рукой человека.
Это основное различие между кристаллами и некристаллами объясняется их внутренним строением, тем, как расположены в них мельчайшие частички вещества — атомы, ионы, молекулы. Все в мире сложено из этих мельчайших частиц. Везде и во всем, в камнях и металлах, в дереве и в теле человека, в капле дождя и в облаке дыма — везде движутся мельчайшие частички. Во всей Вселенной не найдется ни одного атома, ни одной молекулы, которые бы не двигались непрерывно.
Движения эти, однако, не все одинаковы. В газе и в жидкости движение частиц беспорядочно. Отдельные частицы сближаются, сталкиваются, расходятся, опять налетают друг на друга и снова отскакивают в стороны, иногда и очень далеко друг от друга. Быстро двигающиеся частицы газа или жидкости разлетались бы совсем в разные стороны, если бы не было сил, которыми они притягиваются друг к другу. В газе эти силы совсем малы. Именно поэтому газ так легко расширяется, частицы его расходятся. В жидкости силы притяжения, действующие между частицами, тоже еще невелики, но все же побольше, чем в газе.
Что происходит, когда жидкость или газ, застывая, превращаются в твердое тело, например, когда вода, замерзая, становится твердым льдом, когда водяные пары кристаллизуются в узоры инея или в чудесные звездочки снежинок или же когда застывает расплавленная сталь? Меняется ли при этом движение частиц? Да, меняется, и очень заметно. В твердых телах частицы тоже движутся, но уже не беспорядочно, а строгим, правильным, симметричным строем. Каждая частица движется только в пределах отведенного ей участка и не может никуда уйти за его пределы. Строй частиц в кристаллическом твердом теле похож на пчелиные соты или на строительные леса: вправо и влево, вперед и назад, вверх и вниз тянутся ровные, правильные, бесконечные ряды частиц. Они выстроены, как физкультурники в строю, но не стоят строго неподвижно, а ко-леблются около своих мест, как физкультурники, переминающиеся с ноги на ногу, нетерпеливо ожидая команды: «Разойтись!»
Но разойтись, выйти из строя частицы кристаллического твердого тела могут лишь при определенных условиях: если, например, нагреть кристалл так, чтобы он начал плавиться. Под теплыми лучами весеннего солнца начнет таять лед, разрушится строй частиц в кристалле льда и ослабеют силы, удерживающие частицы на их местах. Скрылось солнце, снова подморозило, закружились в воздухе снежинки: это опять частицы собрались правильным строем, ровными, симметричными, правильными рядами.

Так расположены атомы углерода в кристалле графита (слева и алмаза (справа).

Порядок и симметрия — вот что характерно для твердого кристаллического тела. Во всех кристаллах частицы расположены правильным, четким строем, выстроены симметричным правильным узором. Пока есть этот порядок — существует кристалл. Нарушен порядок, рассыпался строй частиц — это значит, что кристалл расплавился, превратившись в жидкость, или испарился, перешел в пар.
Внутреннее строение кристаллов определяет их внешнюю форму. Кристалл растет так, что каждая новая частичка как бы пристраивается к строю, находит свой участок, свое положение в строгой системе.
Но кристалл не перестает быть кристаллом и тогда, когда его внешняя форма не многогранна. Если обломать у кристалла все углы, обточить, обкатать все его грани, а потом поместить этот обломок снова в раствор или расплав так, чтобы он мог расти, то кристалл восстанавливает свою многогранную форму, вырастает снова многогранником. Почему? Потому, что, обломав кристалл снаружи, мы почти не нарушили его :внутреннее строение, кристалл не перестал быть кристаллом, он не потерял способности самоограняться. С помощью лучей Рентгена мы можем убедиться в том, что строение невзрачного обломка или обкатанной песчинки столь же удивительно симметрично и закономерно, как строение гигантского кристалла, найденного в глубинах Земли или выращенного искусственно ученым в лаборатории.
Почему же не все кристаллы вырастают многогранными?
В глубинах Земли находится магма, т. е. сложный раствор-расплав множества различных веществ, из которого при остывании образуются разные минералы с разным кристаллическим строением. Почему из однородной магмы получаются разные минералы? Потому, что каждое кристаллическое вещество застывает или плавится только при строго определенной температуре. Вы знаете, конечно, что вода (при нормальном давлении) замерзает при 0°. Если понижается температура, то точно при 0° вода начнет замерзать, превращаться в кристаллы льда. Пока вся вода не замерзнет, температура ее не будет понижаться дальше. Если, наоборот, нагревать кристалл льда до 0°, он останется неизменным. Как только температура достигнет 0°, кристалл сразу начнет таять. Сколько бы мы ни грели дальше, температура льда не будет повышаться, пока весь лед не растает. Лишь когда весь кристалл, растаяв, превратится в воду (иначе говоря, пока не распадется строй всех частиц), температура воды может начать повышаться.
Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо — при 1530°, олово — при 232°, кварц — при 1713°, ртуть— при минус 38°.
У некристаллических твердых тел нет постоянной температуры плавления (а значит, и температуры кристаллизации), при нагревании они постепенно размягчаются.
Когда в глубинах Земли магма застывает медленно, химические вещества, из которых она состоит, затвердевают не все сразу, а поочередно, потому что температура их кристаллизации различна. Сначала кристаллизуются те, у которых температура кристаллизации повыше, потом следующие, и так постепенно магма, застывая, распадается на разнородные, почти всегда кристаллические минералы.
Если этим минералам ничто не мешает при росте, то они вырастают в виде правильных многогранников. Но если много кристаллов растет вместе, то, увеличиваясь, они начинают теснить друг друга. Если кристалл столкнулся с соседним кристаллом, то дальше в эту сторону он уже расти не может. В результате кристалл вырастает в одни стороны больше, чем в другие; так получаются не многогранники, а бесформенные зерна. Отдельные кристаллики бывают хорошо видны в микроскоп или даже простым глазом, но правильных многогранников среди них мало, а чаще и совсем нет.
Интересно, что одно и то же вещество может встречаться и в кристаллическом и в некристаллическом виде.
Расплавим какое-нибудь вещество, ну, скажем, сахар. Что произойдет, когда этот расплавленный сахар будет остывать и затвердевать? Оказывается, что если расплав застывает медленно, спокойно, то он затвердевает в виде кристаллов. Так образуются те мелкие кристаллики сахара, из которых состоит сахарный песок или кусковой сахар. Если же остывание происходит очень быстро, например, если вылить расплавленный сахар в холодную воду или на очень холодное блюдце, то образуется сахарный леденец, некристаллический сахар.
Легко понять, почему это так происходит. Представьте себе, что нужно построить правильными рядами беспорядочную толпу быстро двигающихся людей. Это легко сделать, если дать людям время и возможность разойтись на определенные расстояния, выровнять ряды. Если же сразу крикнуть «Стой!», то, конечно, никакого порядка не получится. То же происходит и при застывании расплава. В жидком расплаве частицы движутся совершенно беспорядочно. Если расплав застывает медленно, они постепенно собираются в ряды, в ровный строй: образуются кристаллы. Если же застывание происходит очень быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами и расплав затвердевает некристаллическим. Так, например, образуется обычное стекло.
Любопытно, что с течением времени некристаллическое вещество может «переродиться», или, точнее говоря, закристаллизоваться. Пусть леденец полежит спокойно месяца два-три. Он покроется рыхлой корочкой. Посмотрите на нее в лупу: это мелкие кристаллики сахара. В некристаллическом сахаре начался рост кристаллов. Подождите еще несколько месяцев — и уже не только корочка, но и весь леденец закристаллизуется.
С течением времени все некристаллические вещества перерождаются в кристаллические, частицы в них собираются в правильные ряды. Только срок для разных веществ различен: для сахара это несколько месяцев, а для камня — миллионы лет. Даже наше обыкновенное оконное стекло может закристаллизоваться. Очень старое стекло становится иногда совершенно мутным, потому что в нем образуется масса мелких непрозрачных кристаллов. На стекольных заводах иногда в печи образуется «козел», т. е. глыба кристаллического стекла. Это кристаллическое стекло очень прочное. Легче разрушить печь, чем выбить из нее упрямого «козла». Исследовав кристаллическое стекло и расположение атомов в нем, ученые стали создавать новый очень прочный материал из стекла: кристаллическое стекло, или «ситалл».