L'exploration du monde minéral à l'aide des rayons X

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L’exploration du monde minéral à l’aide des rayons X

W.L. Bragg

To cite this version:

LE

JOURNAL

DE

_PHYSIQUE

ET

LE RADUIM

L’EXPLORATION DU MONDE

MINÉRAL

A L’AIDE DES RAYONS X

Par W. L. BRAGG.

Professeur à l’Université de Manchester

_(1).

SÉRIE

VII.

TOME VII.

N° 8. AoûT

1936.

1. Monde minéral et structure cristalline.

-Le monde minéral nous a fourni en

_grand

nombre les

plus

beaux

_exemples

de structure cristalline Les cris-taux se

_développent

au mieux

_quand

ils le font dans des conditions stables et

_constantes,

conditions

_qui,

dans la

nature,

se trouent réunies d’une manière et

dans une mesure contre

_lesquelles

on ne

_peut

_pas lutter au laboratoire. Les cristaux ont de tout

_temps

attiré notre attention par leur

grande

beauté ;

certains d’entre eux, les

plus

rares et les

_plus

durables,

les

pierres

précieuses,

sont considérés

_parmi

tous les

ob-jets

naturels,

comme ceux

_qui

ont le

_plus

de valeur. Le réseau cristallin

toutefois,

ne se _{confine pas à}

quelques

spécimens

particulièrement

bien

_développés

tels que nous les admirons dans les collections de mi-néraux.

_Ruskin,

dans son «

_Ethique

de la

_poussière

» tire une

_leçon

_{morale des dessins ravissants que} nous

pourrions

admirer dans le moindre

_grain

de

_poussière

si nous

_pouvions

le

_grossir

suffisamment. L’oeuvre de Ruskin forme une série de conférences dont le thème repose sur les différentes

_espèces

de minéraux et sur

l’arrangement systématique

des atomes

_qui

_les

compo-sent. Ruskin

_imagine

_que ses auditeurs

_possèdent

un don de double vue

_qui

leur

permet

d’étudier ce

réseau,

sur la nature

_duquel

il fait ensuite toute une série

d’hy-pothèses.

Maintenant que nous

_possédons

réellement ce don de vision autrefois

_imaginaire,

_{maintenant que}

nous _{pouvons étudier les cristaux} au _{moyen des} rayons

X,

nous sommes

_frappés

de voir

combien,

dans

son

_imagination

non _{entravée par la}

_prudence

scienti-fique,

Ruskin s’est souvent

_approché

de la vérité. La nature nous _{procure, pour} exercer notre

tech-nique,

des matériaux de tout

_premier

ordre. On fit tout

d’abord

_l’analyse

de

minéraux

_{tels que le sel}

_gemme,

le

_diamant,

la

_fluorine,

la

blende,

les

_pyrites,

la

_calcite.

(1) Conférence faite devant la Société française de Physique, le 21 avril493û.

On

_peut

dire

_qu’à

l’heure actuelle tous les

_principaux

types

de minéraux ont été

_analysés

aux _{rayons X.} On a

_poursuivi

ces

_{analyses pendant quelque}

_vingt

ans et

_depuis

celle du

_feldspath

faite tout

_récemment,

on

_peut

les considérer comme achevées dans leur en-semble. Sans doute il nous reste encore à

_explorer

un

grand

nombre de

_points

de détail extrêmement

inté-ressants mais nous _{pouvons maintenant résumer les} lois

_{générales qui}

_gouvernent

les différentes structures

qui composent

l’écorce solide de la terre.

On se demandera comment il se fait que nous

puis-sions

_parler

des minéraux comme _{groupe restreint de}

composés chimiques.

Les éléments

_chimiques

_peuvent

donner naissance à un nombre infini de

_composés.

Toutefois le nombre des

_espèces

minérales est

_restreint;

si l’on en

_excepte

les variétés rares _{que l’on} ne trouve

que dans certaines

régions

où elles se sont

_{développées}

dans des conditions

_spéciales,

ce nombre est même très

_restreint,

si bien que cette branche de la

minéra-logie

se rattache à l’art du collectionneur. Le

_plaisir

du collectionneur serait

_{complètement}

_gâté

si la nature

sans cesse

_produisait

des variétés nouvelles de

miné-raux, de même que celui que nous

_prenions,

dans notre

enfance,

à collectionner les

_timbre-poste

a

_été,

_pour nos

_enfants,

_{complètement gàté}

_{par le nombre énorme} de timbres émis par les différents pays.

Les minéraux sont _{peu nombreux} car ils sont les derniers à avoir survécu à l’usure des

_temps.

Ils

repré-sentent la matière dans son état

_{d’équilibre suprême.}

Leur

_énergie

_potentielle

a sombré dans un abime si

profond,

elle est tombée à un _{niveau si bas que rien} ne

peut

l’induire à en sortir.

Ce

_degré

si bas

_{d’énergie potentielle}

est un état d’ordre et non _{pas de désordre. Un cristal} est

_plus

stable

_qu’un

fouillis d’atomes.

_{L’arrangement}

géomé-rique parfait

du cristal

_représente

la matière sous son

aspect

le

_{plus inerte,}

le

_plus

_mort;

on ne

_peut

_plus

en

322

attendre aucun

_changement,

_{de même que les différents}

plans

de société nouvelle et

_parfaite

_qui

nous sont

suggérés

de

_temps

à autre

_{représentent}

les conditions

d’existence les

_plus

mornes

_qui

se

_puissent

_imaginer

Le cristal est t en

_quelque

sorte «

l’Utopie

o de la

ma-tière.

Ainsi,

le monde _que nous allons étudier sera gou-verné par les lois de la

géométrie.

Nous

_parlerons

de

tétraèdres,

d’octaèdres,

d’angles,

de surfaces et d’arêtes. Afin de

_{l’apprécier,}

ce monde, il nous faudra ressem-bler aux

_géomètres

_{grecs lavis par la bf auté des formes} solides

_{géométriques}

Ces formes

_{géométriques}

ne

_jouent

un rôle aussi

_important

dans aucune autre

_{science ;}

elles sont _{le propre de la}

_{cristallographie.}

Bien que tous les cristaux soient construits sur un dessin

géomé-trique,

les formes

_{géométriques}

les

_{plus simples}

et les

plus régulières

sont d’une

_importance

extrême en

miné-ralogie

par le fait même que les minéraux sont d’une inertie totale.

_{L’obligntion}

dans

_laquelle

ils sont de ne

posséder

d’énergie potcn tit’Ile

qu’à

un

_degré

extrême-ment bas

_impose

à leur

_{configuration}

certaines

exigences géométriques auxquelles échappent

les

com-posés

éphémères préparés

en laboratoire.

2. Rôle des différents éléments et atomes dans

les structures des _{cristaux. --Huit éléments}

compo-sent les 98 pour 100 de l’écorce solide de la terre. Dans cette étude

_générale,

nous laisserons de côté les autres éléments dont la

_plupart

n3 se trouvent

_{que çà et}

là dans cel’taines

_fissures

oÙ 11 est très

_difficile

de les ¡>elrouver. Les éléments communs sont

_{l’oxygène,}

le

silicium,

le

fer,

le

calcium,

le

_potassium,

le sodium. et

le

_magnésium.

La

_figure

1 illustre leurs

_proportions.

~ig. 9 .

La masse de l’écorce terrestre est

_composée

d’oxy-gène. L’oxygène

n’est pas seulement l’élément le

plus

commun mais aussi celui

_qui

tient le

_plus

de

_place.

Les rochers sont

_composés

d’atomes

_d’oxygène

cimentés par le

silicium,

l’aluminium et

quelques

autres élé

-ments. Ces éléments se divisent en trois

_catégories

selon la manière

dont,

avec l’aide de

_{l’oxygène,}

ils forment les structures. Nous aurons l’occasion de revenir

sou-vent sur ces

_catégories.

a)

Eléments

formant le centre _{d’un groupe}

tétraé-dral. -

Quatre

atomes

_d’oxygène

sont

_groupés

aux coins d’un tétraèdre dont le centre est

_occupé

_par

l’élé-ment. Tout le silicium se trouve

_placé

de cette

_manière,

de même que la

plus grande partie

de l’aluminium.

b) Éléments

formant le centre _{d’un groupe}

octaé-dral. - Six atomes

d’oxygène

sont

_groupés

aux coins

d’un octaèdre dont le centre est

_occupé

_{par l’élément.}

C’est là la

_{position caractéristique}

du

_magnésium,

du

fer et de ce

_qui

reste de l’aluminium.

L’aluminium,

et ceci lui est

_particulier,

_peut

_jouer

un double ôle. Il se

place généralement

avec le silicium mais il se conduit aussi comme un métal : fer ou

_magnésium.

c) É

éments volumineux :

_sodium,

calcium et

po-tassium. - Ces éléments sont

_trop

volumineux pour

se

_placer

_{dans les groupes tétraédraux. Ils} sont

_logés

dans de

_larges

trou~,

souvent

_irréguliers

de la struc-ture

Fig. 2.

Les

_types

_{de groupes} sont

_{représentés}

dans la fi-gure 2. Les groupes tétraédraux et octaédraux forment les unités fondamentales du

dessin,

les

_{points qui}

sou-tiennent tout le tissu minéral. Tous les

_minéraux,

_quelle

que soi t la

complexité

de leur

_dessin,

sont

_composés

de ces _{groupes tétraédraux et octaédraux. Il faut bien} se

_rappeler

_que ces _groupes ne _{sont pas} en

_général

des unités distinctes car il

_n’y

a _{pas suffisamment}

d’oxy-gène

pour que

chaque

atome central

_possède

un _groupe

complet

à lui seul. Les atomes

_d’oxygène

_{d’un groupe}

appartiennent

aussi au _{groupe voisin. Dans la}

descrip-tion des structures il est extrêmement commode de se servir de tétraèdres et d’octaèdres mais il faut se

rap-peler

que ces unités ont en commun des

_coins,

des arêtes et _{même des surfaces parce}

_qu’un

atome d’0 de l’un

_appartient

aussi à l’autre de sorte _{que la structure}

entière se trouve ainsi étroitement liée.

3.

_Principaux

_types

de minéraux. - Les miné-raux communs se divisent en certains groupes

impor-tants.

_Jusqu’à

_présent

_{pour faire cette classification les}

minéralogistes

se

_guidaient

sur les

_{propriétés physiques}

plus

que sur les

_propriétés

_chimiques

et l’étude de la

structure minérale a

_{amplement justifié}

cette

_règle.

On sait maintenant que cette _{classification repose} sur la

structure minérale dans son

_{état squelettique, squelette}

composé

des groupes tétraédraux enchaînés les uns aux

autres. Ces liens sont

_plus

_{solides que les liens}

323

lui

_qui

a l’influence décisive sur la forme de la

struc-ture.

L’abondance relative des minéraux les

_plus

communs

est _{illustrée par la}

_figure

3. Les minéraux sont le

_quartz

Fig. 3.

le

_feldspath,

le

mica,

les

_pyroxènes

et les

_amphiboles.

On

_peut

aussi _{y ranger les silicates}

_basiques

de fer et

de

_magnésium

tels que l’olivine. Ces

grandes

divisions naturelles des minéraux

_présentent

des traits

_physiques

étonnamment différents les uns des

autres ;

elles sont bâties de la

façon

suivante :

a)

divine

_{(1B1g, Fe)}

SiOl. - Les tétraèdres

_5i0’~

ne

sont _{pas liés directement les} uns aux

_{autres ;}

ils le sont seulement par des groupes octaédraux intermédiaires

autour de

_Mg

ou de Fe

_{(figure 4}

_a).

Fig. 4.

b)

Pyroxènes

et

_{amphiboles. MgCa (§10~)2, :BlgûCa2}

(~1~0~1)2

(OH)2.

-

Les groupes tétraédraux sont liés en chaînes _{infinies par les coins.} Ces chaînes sont cimen-tées par les octaèdres de

magnésium

et de fer

_{(figure 4 b).}

c)

Micas. K

_{(AI,, Mg3) (AISia01o)(0IIt~. - Les groupes}

tétraédraux

_qui

contiennent Si et Al sont liés les uns aux autres en feuilles infinies. Ces feuilles sont

super-posées

comme _{les pages d’un livre} et reliées de diffé-rentes

_façons

_(figure

4

_c).

d) Feldspaths. 10,

aiBlSi30x,

CaAI,Si,O,.

-Les tétraèdres forment un cadre à trois dimensions et

sont liés les uiis aux autres _par

_chaque

coin. Le radre a la

_composition

_{(Al, Si)O,.}

Les irons volumineux

Ii, Na,

Ca se trouvent _{à l’intérieur dans les espaces vides.}

(figure 4 d).

e)

Quartz

Si02. -

Cetle structure est entièrement

composée

de tétraèdres

_qui

contiennent Si et

_qui

sont

partout

liés coin par coin.

Le

_type

de structure

_correspond

il la

_composition

tlu

ininéral,

il

_correspond

tout

_{particulièrement}

à lu

pro-portion

du

_premier

_groupe

d’éléments,

ceux

_qui

se

trouvent à l’intérieur des

tétraèdres,

par

rapport

à

l’oxygène disponible.

Par

_exemple

s’il existe

_quatre

oxygènes,

ou même

_davantage,

pour

chaque

silicium

nous

avons _{des groupes}

_S10

,~

séparés.

S’il

n’y

a que

deux

_oxygènes

_pour

_{chaque silicium,}

il faut que les tétraè1 1 cs

_partagent

_chaque

coin de sorte _que

_chaque.

Si

_puisse

avoir

_quatre

_oxygènes

autour de soi ce

_qui

donne comme résultat lmtructnre du

_quartz.

Les

_types

intermédiaires de liaison

_{représentent}

les

_proportions

intermédiaires.

4. -

Nous pouvons maintenant considérer

quelques-unes des

propriétés

_que ces formes

_{caractéristiques}

de

groupement

confèrent aux minéraux.

u)

Olivine. - Dans l’olivine les tétraèdres

séparés

sio~

sont liés les uns aux autres _{par les octaèdres Fc} et

Mg. Géométriquement

parlante

cela

_peut

se faire d’une manière extrêmement

_compacte

sans

_{gâcher d’espace.}

Le ininéi’al est d’une texture uniforme

_puisqu’il

n’existe aucun lien

_{exceptionneMemont}

_solide,

_pas

_plus

dans une direction _{que dans}

l’autre,

d’où un minéral

_lourd,

compact,

et d’une texture

_{transparente.}

b)

_Pyroxènes

et

_{amphiboles. -}

Les

_pyroxènes

et les

amphiboles

sont

_composés

de cordons tétraédranx liés de _{côté par les octaèdres Fe} et

_Mg.

Comme il fal(ait

_s’y

attendre,

les

_pyroxènes

et

_amphiboles

sont de nature fibreuse et se fendillent tirés tacitement

te long des

chaînes mais non _pas au travers des chaînes. L’amiante est un

exemple

très connu de cette sorte déminerai. Les fibres sont vraiment

_remarquable.

Avec une fibre d’amiante on

_peut

faire un noeud très serré sans la casser,

exacte-ment comme avec un brin de coloii. L’habitude amortit

notre

étonnement,

mais en vérité il est

_surprenant

_que l’on

_puisse

nouer une

_pierre

_{aussi aisément. Cette}

pro-priété

est due aux liens extrêmement solides

_qui

se

trouvcnt dans les groupes tétraédraux et aux liens rela-tivement

_fragile

_qui

relient les chaînes.

’

Ces minéraux se divisent en deux

_{grandes classes,}

les

_pyroxènes

et les

_amphibole.

Leur

_clivage

les

dis-.

am-324

phiboles.

Warren découvrit laraison de cette différence

et la

_figure

5 illustre son

_explication.

Fig, 5.

Tous les

_pyroxènes

sont basés sur des chaînes

simples

de

_{tétraèdres,}

toutes les

_amphiboles

sur des chaînes

_doubles,

deux chaînes étant

_jointes

de côté pour former comme une sorte de ruban. Sur la

_figure

nous _{voyons la chaîne par} son

_extrémité;

les chaînes

amphiboles présentent

une forme

_plus

ovale. En

con-séquence,

les fentes de

_clivage,

_qui

ne

_peuvent

_couper les

chaînes,

s’entrecroisent

_{plus obliquement}

dans les

amphiboles.

c)

Mica. - Les couches de mica _se clivent très

aisé-ment. On

_{peut, semble-t-il,}

diviser à l’infini une couche de mica en lamelles de

_plus

en

_plus

minces.

Le _{modèle de mica que} nous avons sous _{les yeux}

_(’)

montre sa structure

_qui

fut tout d’abord

_analysée

_par

Pauling.

Ce

_qui

la caractérise c’est une série de couches

_{tétraédriques,}

_chaque

_{tétraèdre étant lié par} trois coins au tétraèdre

_voisin,

formant ainsi un réseau

hexagonal.

Deux de ces feuilles sont donc cimentées par les octaèdres

Al,

Mg,

ou Fe

_{pour former}

une feuille

composée.

Ce sont ces feuilles doubles

_qui

sont

extraor-dinairement résistantes et

_{qui permettent}

au mica de se cliver si facilement parce que

_chaque

feuille n’est liée à la feuille voisine de

_chaque

_{côté que par les} attractions faibles des atomes de

_{potassium qui}

se trouvent entre elles. La

_perfection

du

_clivage

du mica

est un

_phénomène

vraiment

_remarquable.

Il suit le

plan

où se trouvent les atomes de

_potassium.

Il

_peut

(1)

L’auteur _présentait ce modèle.

suivre ce

_plan

sur une distance d’un centimètre et même

_davantage

sans

_qu’aucun

atome

_puisse

le faire

dévier de car

_plan.

Nous pouvons le démontrer comme Friedel fut le

premier

à _{le faire remarquer,} ea

_greffant

des cristaux de

_(NH,)I

sur le mica. Les atomes d’ammonium dans

NHJ

se trouvent

_{précisément}

avoir le même réseau que les atomes K dans le mica tant en forme

_qu’en

dimen-sion. Par

conséquent,

tous les cristaux de

11H~I

se

développent

dans une direction

_parallèle

à celle du mica. Le

_grain

du dessin dans les couches moléculaires successives du mica se

_dirige

alternativement à

_gauche

puis

à droite du

_plan

de

_{symétrie ;}

d’où il suit que les

petits

cristaux de

NH~I

eux aussi se

_dirigent

à

_gauche

ou à droite selon le

_type

de feuille

_qui

forme la surface

supérieure

du mica. S’ils sont

_dirigés

tous du même

côté,

c’est que la couche

superficielle

du mica doit être la même sur toute la surface. On

_peut

trouver des

surfaces où effectivement tous les cristaux de

NH*1

sont orientés de

_façon

_{identique ;}

on trouve aussi des surfaces où ils sont orientés en certaine direction à un endroit

et dans la direction inverse à un autre

endroit;

au

milieu (lu mica existe alors une marche

_épaisse

d’une feuille élémentaire.

Dans les micas

_{(brotite, phlogopite)}

de formule

K(Mg,Fe)3 (AISi,Oio)

(OH)2

le

_grain

est moins

_marqué

que dans les muscovites de formule

KA12

(AISi,010)

(OH)2.

Par

_conséquent

dans le

_premier

cas les cristaux de

NH~I

sont orientés indifféremment dans l’une ou l’autre direction. Des feuilles semblables à celles du mica forment aussi la base des minéraux

_argileux.

Ce sont

des feuilles

_simples

de trétraèdres avec un côté actif de sommets et un côté inactif de bases. Les minéraux

argileux

sont de

_{petites paillettes}

_hexagonales,

une

sorte de minéral moulé en

_feuilles,

_{formé par la} des-truction des autres roches. Leurs

_{propriétés chimiques}

et

_physiques

très curieuses et

_{qui importent}

tant à la fertilité du

sol,

sont dues à leur caractère.

Feldspath. -

Le

_feldspath

est le

_{plus important}

des minéraux

_qui

forment l’écorce terrestre. Il nous est

familier comme l’un des

_{composés principaux}

_du gra-nit. Il est formé de tétraèdres Si et Al. Ces tétraèdres

sont liés les uns aux _{autres par}

_chaque

coin dans toutes les directions et forment un réseau de tétraèdres à trois dimensions. Les atomes volumineux

_Na,

K,

en

occu-pent

les interstices.

Nous ne _pouvons

_parler

_{ici que de deux de} ses inté-ressantes

_{propriétés.}

Tout t d’abord si nous édifions une structure de tétraèdres

_qui

_{soient liés par}

_chaque

coin de cette

_manière,

il est

_impossible

de fixer un octaèdre sur ces tétraèdres. Par

_conséquent

le

magné-sium et le fer dont la

_présence

est

_{caractéristique}

dans les groupes

octaédriques

d’atomes

_d’oxygène

sont

exclus des structures de

_feldspaths

Nous ne trouvons

jamais

ces métaux dans les

_feldspaths.

Deuxièmement, les

feldspaths

se divisent en deux

symé-trique

est

_{caractéristique}

d’une

_catégorie;

l’albite et

l’anorthite, NaAlSi30~

et

_CaAI2Si2n~,

moins

symé-triques,

le sont de l’autre

_catégorie.

Cette différence

provient simplement

du volume du

_grand

catioit. Le

potassium

est si _{volumineux que}

_lorsqu’il

est inséré dans le

cadre,

il le dilate en une forme

_symétrique

tandis que les cations

plus petits

Na ou Ca

_permettent

à celui-ci de fléchir et de

_{prendre une}

forme

_qui

_penche

plus

d’un _{côté que d’un autre} et

_qui

n’est pas

symné-trique.

Nous devons cette

_explication

à

_Taylor

_qui

fut le

_premier

à

_analyser

les

_feldspaths.

5. _{Densité des minéraux. - Je voudrais pour} terminer

_parler

d’une autre

_{particularité}

_générale

des minéraux : leur densité.

Ici encore la densité

_dépend

_largement

de considéra-tions

_{géométriques.}

Si nous

_mélangeons

des tétraèdres isolés à des

octaèdres,

comme dans l’olivine

_l’espace

peut

être utilisé de la

façon

la

_plus

_économique.

Géo-métriquement parlant,

on

_peut

_arranger une structure de sorte

_qu’un

maximum d’atomes avec leurs cations

voisins,

soient inclus dans un volume donné. D’autre

part,

si l’on arrange une structure en attachant des tétraèdres coin par

coin,

on

_gaspille

de la

_place,

en

produisant une

structure dilatée et contenant de

_grands

espaces vide.

Par

_conséquent

nous _{devons constater que, de tous} les minéraux communs, l’olivine est le

plus

lourd,

le

feldspaths

et le

_quartz

les

_{plus légers,}

les autres miné-raux

_occupant

une

_position

intermédiaire. Plus l’en-chaînement

_{tétraédrique}

est

_étendu,

_plus

la structure est

_légère

comme le prouve la liste suivante.

Il s’ensuit naturellement que l’écorce terrestre est

surtout

_composée

de ces

_minéraux,

le

_feldspath

et le

quartz

y

prédominant, justement

parce

qu’ils

sont les

_plus

_légers

et ainsi flottent à la surface. Suivant les

principes

de’l’isostasie,

les

_{feldspaths légers}

flottent sur les silicates

_{ferro-magnésiens plus}

lourds

_qu’eux

et ces

silicates,

à leur

_tour,

flottent

_probablement

sur les sulfures

_métalliques

et sur les métaux

_qui

sont beau-coup

plus

denses. De nouveau la Géométrie

_triomphe.

L’existence

_opportune

d’un radeau de roches sur