Komórka jednostkowa sieci krystalicznej: definicja i rodzaje

Komórka jednostkowa sieci krystalicznej jest używana do opisu mikrostruktury materiałów. Od parametrów substancji zależy wiele właściwości fizycznych i chemicznych: twardość, temperatura topnienia, przewodnictwo elektryczne i cieplne, plastyczność itp. Rodzaje tych elementarnych struktur opisywane są od XIX wieku. Jedną z odmian jest prymitywna komórka jednostkowa. Aby zidentyfikować komórkę jednostkową w strukturze materiału, musi być spełniony szereg warunków.

Sieć krystaliczna

Wszystkie ciała stałe można podzielić na dwie formy w zależności od ich wewnętrznej struktury: amorficzną i krystaliczną. Charakterystyczna cecha kraty Komórka jednostkowa to specyficzna zorganizowana struktura cząsteczek.

Sieć krystaliczna to uproszczony trójwymiarowy model kryształów ciała stałego, używany do analizy ich właściwości w fizyce, chemii, biologii, mineralogii i innych naukach. Z wyglądu zewnętrznego wygląda jak kratownica. Jego węzły zawierają atomy materii. Ten układ punktów ma określony, regularnie powtarzający się porządek, właściwy dla każdego rodzaju substancji.

Co to jest kratownica elementarna?

Komórka jednostkowa sieci krystalicznej jest najmniejszą jednostką ciała stałego, która pozwala na scharakteryzowanie jego właściwości. Służy jako podstawa kraty i jest w niej powielana niezliczoną ilość razy.

Model ten służy do uproszczenia wizualnego opisu wewnętrznego struktura kryształów. Wykorzystuje on układ 3 osi współrzędnych krystalograficznych, które od zwykłych ortogonalnych różnią się tym, że są skończonymi odcinkami o określonej wielkości. Kąty między osiami mogą być 90° lub pośrednie.

Jeśli szczelnie wypełnimy pewną objętość komórkami jednostkowymi, to otrzymamy monokryształ doskonały. W praktyce częściej spotyka się polikryształy złożone z kilku ograniczonych przestrzennie struktur regularnych.

Rodzaje

W nauce istnieje 14 rodzajów elementarnych komórek kratowych o unikalnej geometrii. Po raz pierwszy zostały opisane przez francuskiego fizyka Auguste Bravais w 1848 roku. Uczony ten uważany jest za twórcę krystalografii.

Te rodzaje elementarnych struktur sieci krystalicznej grupuje się w 7 kategoriach, zwanych syngonami, w zależności od stosunku długości boków i równości kątów:

• sześcienny;
• tetragonalny;
• ortorhombiczny;
• romboedryczny;
• sześciokątny;
• triclinic .

Najprostszą i najczęściej występującą w przyrodzie jest pierwsza kategoria, która z kolei dzieli się na 3 rodzaje kratownic:

• Prosta siatka sześcienna. Wszystkie cząstki (i mogą to być atomy, elektrycznie naładowane cząstki lub cząsteczki) znajdują się w wierzchołkach sześcianu. Te cząstki są identyczne. Każda komórka ma 1 atom (8 wierzchołków × 1/8 atomu = 1).
• Sześcian oddzielony przecinkami. Różni się od poprzedniego modelu tym, że w środku sześcianu znajduje się jeszcze jedna cząstka. W każdej komórce znajdują się 2 atomy substancji.
• Sześcian czołowo-centryczny. Cząstki są zawarte w wierzchołkach komórki jednostkowej oraz w środku wszystkich ścian. Każda kratownica ma 4 atomy.

Prymitywna siatka

Komórkę elementarną nazywamy prymitywną, jeśli jej cząstki występują tylko w wierzchołkach siatki i nie ma ich w innych miejscach. Jego objętość jest minimalna w porównaniu z innymi typami. W praktyce często okazuje się, że jest to niska symetria (przykładem jest komórka Wignera-Seitza).

W komórkach nieprymitywnych atom w środku objętości dzieli komórkę na 2 lub 4 równe części. W strukturze skoncentrowanej na twarzy istnieje podział na 8 części. W metalografii używa się pojęcia komórki elementarnej, a nie pierwotnej, gdyż symetria tej pierwszej pozwala na pełniejszy opis struktury krystalicznej materiału.

Znaki

Wszystkie 14 rodzajów komórek jednostkowych ma wspólne właściwości:

• są one najprostszymi powtarzającymi się strukturami w krysztale;
• każdy środek kraty składa się z pojedynczej cząstki, zwanej węzłem kraty;
• węzły komórki połączone są ze sobą liniami prostymi, które tworzą geometrię kryształu;
• przeciwległe twarze są równoległe;
• Symetria struktury komórki jednostkowej odpowiada symetrii sieci krystalicznej.

Przy wyborze struktury komórki jednostkowej obowiązują pewne zasady. Musi mieć:

• najmniejszą objętość i powierzchnię;
• największą liczbę identycznych krawędzi i kątów między nimi;
• kąty proste (jeśli to możliwe);
• symetria przestrzenna, odzwierciedlająca symetrię całej sieci krystalicznej.

Tom

Objętość komórki jednostkowej jest określona na podstawie jej kształtu geometrycznego. Dla syngonii sześciennej oblicza się ją jako długość lica (odległość międzycentralną atomów), podniesioną do trzeciej potęgi. Dla syngonii sześciokątnej objętość można wyznaczyć z poniższego wzoru:

gdzie a i c są parametrami sieci mierzonymi w angstremach.

W praktyce parametry sieci obliczane są w celu dalszego określenia struktury związku, masy atomu (na podstawie masy objętości i liczby Avogadro) lub jego promienia.