Profilo di storia della mineralogia

 


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 Cristallografia: dallo studio della forma geometrica dei cristalli alla cristallografia con i raggi X

 

 

La fine del XVIII° secolo e l’inizio del XIX° vedono i veri inizi della mineralogia moderna, con lo sviluppo della cristallografia geometrica che partita dallo studio morfologico dei cristalli naturali, darà luogo rapidamente all’analisi delle leggi di simmetria e all’identificazione dei sistemi cristallini. J.B. Romé de l’Isle enuncia la legge della costanza degli angoli, mentre R.J.Hauy identifica le principali leggi della simmetria delle forme esterne dei cristalli e introduce la nozione di molecola integrante.G.Delafosse introduce la nozione di discontinuità nel cristallo. Gli elementi di simmetria identificati da Hauy (centro, piano, assi di ordine 2,3,4, o 6) non permettevano che di definire le 32 classi di simmetria alle quali si rapportavano tutti i cristalli naturali, questo fu stabilito verso la metà del XIX° secolo da A.Bravais. Quest’ultimo riconobbe anche un certo numero di forme di reticolo, che riguardavano la struttura interna dei cristalli e ricorrendo a nuovi a operatori di simmetria, piani di traslazione e assi elicoidali. Le analisi puramente matematiche di insiemi autorizzati da questi operatori di simmetria, che è uno dei fondamenti della teoria dei gruppi, corrisponde ad uno dei migliori esempi di una applicazione di matematiche tra le più astratte, ad una scienza naturalista. Nel 1879, Leonhard Sohncke identificava 66 gruppi di simmetria ed apriva la strada a Schoenflies e Fedorov, che stabilirono i 230 gruppi di simmetria che, ancora oggi, sono alla base delle moderne idee sulla struttura atomica dei cristalli.

E’ sorprendente constatare che questa struttura atomica, che era stata intuita, ma non dimostrata, a partire dall’analisi geometrica delle forme esteriori dei cristalli naturali, sarà verificata in maniera lampante con lo sviluppo della cristallografia con i raggi X all’inizio del XX secolo. Dopo che G. Friedel aveva definito, nel 1904, il concetto di motivo cristallino, Max von Laue (1879-1960) realizzò nel 1912 il primo esperimento di diffrazione di raggi X con un cristallo di blenda, dimostrazione storica della struttura periodica dei cristalli. La cristallografia con i raggi X intraprese così un rapido sviluppo, soprattutto grazie ai Bragg, il padre (William Henry, 1862-1942) e suo figlio William Laurence (1890-1971). Ottennero insieme il premio Nobel nel 1915 per aver dimostrato che lo studio dei diagrammi di diffrazione X permetteva di determinare la struttura dei minerali alla scala dell’atomo.

Nel 1917 P.Debye (1884-1966) mette a punto le tecniche di diffrazione su un minerale finemente polverizzato (diagrammi di polveri), che sotto il nome di metodo Debye-Scherrer diverranno il metodo più utilizzato per l’identificazione delle diverse specie minerali. I primi diagrammi di polvere sono realizzati nel 1917 e valsero ai loro autori il premio Nobel nel 1936. Nello stesso tempo, moltiplicarono i dati sulle strutture dei differenti minerali .

Dall’avvento della cristallografia con i raggi X, i Bragg avevano lavorato sulla struttura della Halite, che essi determinarono nel 1924, rifacendosi anche ai risultati proposti venti anni prima da William Barlow. Non sempre è un bene essere troppo avanti rispetto al proprio tempo, e le idee di Barlow non avevano avuto alcuna eco presso gli scienziati del suo tempo. Dopo la storica scoperta dei Bragg, le strutture dei principali gruppi di minerali saranno rapidamente identificate: diopside, tremolite e vesuvianite da B.E. Warren nel 1929, berillo, muscovite e biotite da J.West, il gruppo così importante dei feldspati da W.H.Taylor, etc. Nel 1935 le strutture minerali delle rocce più comuni sono conosciute.

La cristallografia con i raggi X sarà così un potente mezzo di investigazione per i minerali a composizione variabile (soluzioni solide), risolvendo in modo definitivo la celebre controversia che aveva opposto Hauy a Mitscherlich a proposito del principio di isomorfismo. Essa partecipa così alla determinazione delle proprietà chimiche, completando i metodi diretti di analisi. Nel 1922, Mauguin pubblica un lavoro fondamentale sulla struttura dei cristalli semplici a composizione chimica variabile: cloruri e solfuri. Parallelamente suggerisce le strutture di miche e cloriti. La struttura di questi silicati è formata da un numero fisso di atomi di ossigeno: 12 per i primi e 18 per i secondi,mentre, il numero dei cationi è variabile.

Nel 1929, L. Pauling stabilì la struttura completa di questi minerali complessi, fornendo le dimensioni del reticolo cristallino e lo spessore degli strati ( 10 A per i mica, 14 A per le cloriti).

Questi lavori, che sono alla base di tutte le ricerche sulla struttura del minerali delle argille, aprono la strada a generazioni di ricercatori, per la Francia, i nomi di J.Wyart, S.Goldztaub, A.J. Rose, A. Rimsky ( e molti altri)- fanno si che oggi, le strutture di tutti i minerali sono dettagliatamente conosciute, fornendo una base fisica coerente all’interpretazione delle loro proprietà. Si attribuisce oggi una grande importanza allo studio delle imperfezioni (difetti) dei reticoli cristallini, e le conoscenze acquisite trovano applicazioni immediate in altre discipline, in particolare nella metallurgia e nella scienza dei materiali. Per fare un esempio recente, ci sono dei mineralisti del Geophysical Laboratory della Carnegie Institution (Washington DC, USA) che hanno determinato le strutture dei primi corpi superconduttori a (relativamente) alta temperatura, partecipando in maniera decisiva ad una delle più grande avventure della fisica moderna.

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Testi del Progetto Euromin, tratti dal sito http://euromin.w3sites.net/

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