Какое значение имеет атомная структура элементов для физических свойств минералов и горных пород

Главными определяющими факторами физических свойств горных пород являются их химический состав и структура. Химический состав определяется:

1. структурой атомов – числом протонов и нейтронов в ядрах, распределением электронов по орбиталям, зонной электронной структурой;

2. молекулярной структурой – типами связей атомов, их координацией, силой, направленностью;

3. изоморфным замещением и примесными атомами в кристаллической решетке породообразующих минералов, акцессорными минералами в горной породе флюидов.

В сущности, термин структура, как видно из этого перечисления, включает в себя и химический состав. Структура горных пород отпределяется также:

1. кристаллической структурой минералов: симметрией, плотностью упаковки, типами и концентрацией дефектов и дислокаций;

2. минеральным составом, взаимоотношением минералов (зерен), их фазовым и агрегатным состоянием;

3. пористостью, трещиноватостью, составом и концентрацией жидкостей и газов в породе.

Наиболее простым по набору атомных факторов свойством горным пород является радиоактивность, обусловленная распадом тяжелых элементов (с большим числом протонов и нейтронов) или некоторых изотопов, неустойчивых в структуре ядра. Горные породы могут быть радиоактивными только в связи с концинтрацией в них этих элементов.

Химические элементы различаются прежде всего составом ядра- числом протонов (атомным номером) или суммарным числом протонов и нейтронов (массовым числом). Соеднения, минералы, а также горные породы характеризуются в этом смысле средней атомной массой, которая является фактором, определяющим плотность минералов и ГП, а также существенно вляющим на упругие свойства.

Другой фактор микроструктуры элементов - электронная конфигурация; она определяет магнитные свойства атомов. По структуре валентных оболочек, их заполнению, соотношению их энергетических уровней с энергиями взаимодействия в атоме и кристалле выделяются диамагнитные и парамагнитные вещества.

Если энергетически выгодна антипараллельная ориентация магнитных моментов электронов при условии четности числа электронов на валентных оболочках, то возникает взаимная компенсация магнитных полей электронов на расстояниях больших радиума атомов, поэтому они не намагничены в отстутствии внешнего магнитного поля (диамагнитные вещества). К таковым отностятся инертные газы, вода, углекислый газ, медь, ртуть, серебро, золото, цин и др.

Атомы с нечетным числом электронов имеют собственный магнитный момент в отсутсвии магнитного поля; то же верно для элементов или соединений, которым энергетически выгодно сохранять на валентных оболочках параллельную ориентацию магнитных моментов электронов (парамагнитные вещества). К таковым относятся щелочные металлы, металлы второй группы, многие сульфиды и соли.

Помимо вышеописанных, главным фактором, определяющим магнитные свойства пород, является содержние в породах соеднинений железа, их магнитная структура и температура.

Зонная электронная структура атомов твердых тел определяет их электропроводность. Если у вещества частично занята валентная зона или заполненная валентная зона перекрывается пустой разрешенной зоной проводимости, такое вещество является проводником. У полупроводников между заполненоой валентной зоной и пустой зоной проводимости есть неширокая запрещенная зона, которая преодолевается электронами при достаточн сильном тепловом или электричском возбуждении. Диэлектрики отличаются большой шириной запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости.