Сборник Из опыта проектной деятельности учащихся гимназии №524 в 2012-2013 учебном году Санкт-Петербург 2013

Гладких Ирина, 10 В класс

Исследовательский проект: «Бриллиант в науке. Наука в бриллианте»

Я ставила перед собой задачу рассмотреть алмаз с различных точек зрения, для того, чтобы полнее определить для себя саму суть этого вещества. В этом мне помогла возможность обратиться к трем различным наукам, а именно математике, физике и химии.

Алмаз — вещество, которое известно всем. Но что известно о нем? Задай этот вопрос любому, и он ответит: «Алмазы — это бриллианты, а бриллианты — ювелирные украшения». Обычно именно этим и ограничиваются познания среднестатистического человека об алмазах. Но что еще можно добавить про него?

В своей работе я рассматривала его с трех сторон, задавая себе вопросы, а что скажут о нем представители той или иной науки, а именно геометрии, химии и физики. Начнем, пожалуй, с геометрии.

Конечно, возникают сомнения: как алмаз и математика могут быть связаны, и что про него вообще можно сказать будучи математиком. Однако, оказалось, что есть что. Только следует прояснить некоторые вопросы.

Многогранник - ограниченное тело, поверхность которого состоит из конечного числа многоугольников. Таким образом, практически любой объемный предмет, будь то стол, книга, комната, здание, является многогранником, а следовательно, об алмазе можно сказать то же самое, но это еще не все.

Многогранники бывают правильными и неправильными. Неправильных многогранников бесконечно много, а правильных существует только пять, и это доказано еще до нас с помощью мало кому известной теоремы Эйлера.

Формулировка у нее проста: «Сумма разности числа вершин многогранника и числа его ребер с числом его граней равна двум». Один из многогранников имеет прямое отношение к алмазу - тетраэдр.

С точки зрения химии, алмаз — это простой кристаллический углерод. Его атомная решетка ковалентная неполярная, атомы углерода расположены в вершинах куба, в центрах его граней, а также в центрах 4 не смежных октантов. Все это сложно звучит, но выглядит проще. На самом деле основой решетки алмаза является тетраэдр, образованный 5 атомами углерода, находящимися в состоянии sp-2 гибридизации, расстояние между двумя соседними атомами составляет 0,154 нм, связи направлены под углом 109°28' относительно друг друга. Алмаз абсолютно не проводит электрический ток, а благодаря строению молекулы является самым прочным веществом в мире.

С точки зрения физики про алмаз можно сказать, что он обладает самой высокой дисперсией, а также сильнее всего преломляет свет. Стоит пояснить, что такое дисперсия. Это разность показателей светопреломления красных и фиолетовых лучей. Т. е. разложение белого цвета на составляющие. У алмаза она в два раза выше, чем у лучших сортов стекла, и в пять, чем у кварца. А теперь поговорим о преломлении света. При прохождении луча света из оптически менее плотной среды в более плотную, он меняет свое направление. Это называется преломлением, но при этом часть света отражается от границы раздела сред. Существует такой угол, направив луч света под которым, этот луч полностью отразится от границы раздела сред. У алмаза этот угол равен 24''' 40'. Благодаря высокой дисперсии, а также собственному блеску камня его используют в качестве ювелирного камня, а благодаря своей прочности, обусловленной строением, он может использоваться и в различных областях промышленности и техники.

Все знают: алмаз — ювелирный камень. Гораздо меньшему количеству известно, что он используется в сверлении, бурении и других механических процессах. Но что стало откровением лично для меня и, я думаю, станет для вас тоже, так это то, что алмаз используется в качестве детектора ядерного излучения.

Начнем с промышленности. Способов применения алмаза в производстве, как оказалось, великое множество. Алмаз применяется при бурении горных пород, резке стекла, механической обработке самых различных материалов, для получения поверхностей высокой степени чистоты. Буквально революцию произвели алмазы в обработке полупроводниковых материалов - германия и кремния. Сколько, как вы думаете, требовалось времени, чтобы разрезать брусок германия толщиной 1 см? 4 ч. Алмазный круг делает это за 40 с. И еще одна особенность алмаза: его показатели тем выше, чем тверже обрабатываемый материал. В настоящее время без применения алмазов немыслимо производство автомобилей и тракторов, измерительного инструмента и часов, обуви и кинескопов. Применение алмазного инструмента существенно повышает чистоту обработки деталей, а производительность труда возрастает при этом в среднем на 50 %. с помощью алмаза изготавливают также и тонкую, совсем тонкую, диаметром 0,5 — 0,001 мм, проволоку.

Как такое возможно, чтобы алмазы служили детектор ядерного излучения? Известно, что, попадая в кристалл, быстрые заряженные частицы выбивают электроны из его атомов, то есть ионизируют вещество. В алмазе под действием заряженной частицы происходит световая вспышка и возникает импульс тока. 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, так как может работать в самых различных условиях.

Теперь стоит поговорить о бриллиантах. Как всем известно бриллианты — это граненые алмазы. Способов огранки существует великое множество, но, как бы ни был огранен камень, условно его можно разделить на несколько частей: рундист, корона, павильон, площадка и кадета.

Сам процесс огранки можно разделить на несколько частей: раскалывании или распиливании, последующей обточке и огранке кристаллов со всех сторон для придания им особой формы. Изначально, на первом этапе, алмазы распиливались в ручную, для этого использовалась железная проволока, шаржированная алмазным порошком. Это могло занимать несколько месяцев, а то и лет. В XX веке появились установки для резки алмазов ультразвуком, для электроэрозионной, лазерной и электронной резки кристаллов.

Следующим этапом идет обточка. До начала ХХ века она производилась вручную, и вот как описывает этот процесс Епифанов В. И. в своей книге «Технология обработки алмазов в бриллианты»: «...Два алмаза закреплялись в специальных оправках, и обточка проводилась трением их друг о друга. На протяжении многих недель и месяцев человек с большим усилием обтачивал заготовку для будущего бриллианта. Однако таким способом даже при высоком мастерстве и трудолюбии работника обеспечить правильную геометрическую форму заготовки было чрезвычайно сложно». После появления механических станков для обточки алмазов, приводившихся в действие сначала педалью, потом электродвигателем, качество и скорость работы заметно возросла. Затем идет заключительный этап — шлифовка. В чем он заключается, я думаю, и так всем известно — в придании поверхности гладкости и зеркального блеска.

Получаемые в итоге бриллианты составляют около 1/2, а иногда лишь 1/3 первоначальной массы сырого алмаза. Конечная стоимость камня при этом удваивается или утраивается. Перед огранкой крупных алмазов проводятся специальные расчеты, имеющие целью установить такую форму будущего бриллианта, которая обеспечит наилучшую «игру» и позволит максимально сохранить массу исходного кристалла.

Бриллианты имеют огромное разнообразие форм, но во второй половине XVII века, венецианским ювелиром Виченцо Перуцци была разработана система огранки алмазов. Она давала 24 грани на нижней стороне и 33 на верхней - всего 57 граней. Форма бриллианта, обработанного "по Перуцци" была округлой. Позднее такая огранка получила название - бриллиантовая (brilliant cut). При такой обработке входящий в камень пучок света целиком дважды отражался от внутренних граней с противоположных сторон алмаза и выходил наверх.

В XVIII веке специалистами не раз предпринимались попытки математически рассчитать и обосновать пропорции огранки, дающие максимальное увеличение "игры" и бриллианции камня. В 1919 году эти рассчеты завершил и опубликовал в своей книге "Diamond Dezign" двадцатилетний математик Марсель Толковский.

Он родился в семье профессиональных ювелиров. Основательно изучив оптику и получив техническое инженерное образование, Марсель подошел к проблемам огранки с позиции науки. Проанализировав путь лучей внутри бриллианта, он сделал, в частности, следующий вывод: "Для полного отражения луча от второй грани, угол её наклона должен быть не более 43 градусов и 43 минут к горизонтальной плоскости".

Обработать все алмазы по параметрам Перуцци и Толковского невозможно из-за их неповторимости, разного размера, формы, наличия трещин и вкраплений. Но все равно бриллианты были и есть теми камнями, которые могли вершить судьбы людей. Заполучив огромный бриллиант, многие люди разбогатели, еще больше были убиты. Примерами могут служить весьма кровавые истории некоторых бриллиантов, знаменитых на весь мир, имеющих собственные имена. К примеру бриллиант «Шах», печально известный на территории нашей страны. Он был найден в Индии около 400-500 лет назад, потом его продали правителю одного из султанатов на Индостане. В России он оказался после смерти Грибоедова в Персии, где он был послом нашей страны. «Шах» отдали нам в качестве извинения за его убийство.

Еще более насыщенная судьба у бриллианта «Санси». Его нашли в Индии и огранили еще XV веке. Он считается первым граненым бриллиантом. Первый его владелец, герцог Бургунский, вставил его в свой шлем, чтобы он во время боя слепил врагов. Но в конце концов это ему не помогло и он был убит в кровавой битве при Нанси (1477г.). Камень подобрал швейцарский воин, но, не зная его ценности, высекал с помощью него искры, правда вскоре бриллиант был отобран его командиром, а тот, в свою очередь также не имея представления сколько камень реально стоит, уступил его священнику за один гульден. Священник продал его торговцу, а торговец португальскому королю Альфонсо. Нуждаясь в деньгах, он перепродал его семейству Санси, в честь которого камень и был назван.В 1588 году алмаз едва не похитили. Дело в том, что владелец камня, маркиз Николас де Санси, был сторонником Генриха III, последнего короля Франции из династии Валуа. Дела у Генриха шли туго: в стране бушевала война между католиками и протестантами, надежных союзников не было. Последняя надежда была на швейцарских наемников, и набрать там войско Генрих послал маркиза де Санси. Чтобы покрыть расходы на наемников, тому пришлось заложить свой алмаз. Но верный слуга, везший камень заимодавцам, попал по дороге в засаду. Увидев грабителей, он, как и было условлено, успел проглотить алмаз. После долгих поисков маркиз нашел его могилу и выкопал тело. В итоге заем был получен.

Как потом маркиз выкупил свой камень, можно только гадать. Но в конце концов он продал его английской королеве Елизавете, после чего следы алмаза временно теряются. Всплыл камень только на коронации Людовика XVI в 1774 году, но как он снова попал во Францию, покрыто мраком. Логично предположить, что его продали для пополнения казны во время гражданской войны в Англии в XVII веке.

Второй раз «Санси» пропал из виду во время Великой Французской революции и всплыл лишь в 1830 году у герцогини Беррийской Марион Бургиньон. Она тешила себя мечтами возвести на французский трон своего сына Генриха, но полмиллиона франков, заплаченных русским миллионером П. Демидовым, не помогли ей провернуть это дело. Демидов же преподнес подарок своей невесте Авроре Шернваль и нажил проблем с французским правосудием, обвинившим его в приобретении краденой государственной собственности. Вскоре миллионер умер, а его вдова еще долго щеголяла с роскошным камнем. Но после ее смерти след «Санси» опять затерялся и до сих пор не обнаружен.