Elementarna ćelija kristalne rešetke: definicija i vrste

Elementarna ćelija kristalne rešetke koristi se za opisivanje mikrostrukture materijala. Mnoga fizička i hemijska svojstva supstance zavise od njenih parametara: tvrdoće, tačke topljenja, električne i toplotne provodljivosti, plastičnosti i drugih. Tipovi ovih elementarnih struktura opisani su još u 19. veku. Jedna od varijanti je primitivna ćelija. Da bi se elementarna ćelija izolovala u strukturi materijala, moraju biti ispunjeni brojni uslovi.

Kristalna rešetka

Sve čvrste materije se mogu klasifikovati u dva oblika prema njihovoj unutrašnjoj strukturi: amorfni i kristalni. Karakteristična karakteristika od potonjih je specifična organizovana struktura čestica.

Kristalna rešetka je pojednostavljeni trodimenzionalni model čvrstih kristala, koji se koristi za analizu njihovih svojstava u fizici, hemiji, biologiji, mineralogiji i drugim naukama. Izvana izgleda kao mreža. U njegovim čvorovima su atomi materije. Ovaj niz tačaka ima određeni, redovno ponavljani redosled, specifičan za svaku vrstu supstance.

Šta je elementarna ćelija?

Elementarna ćelija kristalne rešetke je najmanji deo čvrste supstance koji nam omogućava da okarakterišemo njena svojstva. Služi kao osnova mreže i u njoj se duplicira bezbroj puta.

Ovaj model se koristi za pojednostavljenje vizuelnog opisa unutrašnjeg kristalne strukture. U ovom slučaju koristi se sistem od 3 kristalografske koordinatne ose, koje se razlikuju od uobičajenih ortogonalnih po tome što su konačni segmenti određene veličine. Uglovi između osi mogu biti 90° ili indirektni.

Ako čvrsto ispunite određeni volumen elementarnim ćelijama, tada možete dobiti idealni pojedinačni kristal. U praksi su polikristali koji se sastoje od nekoliko redovnih struktura ograničenih u prostoru češći.

Vrste

U nauci postoji 14 vrsta elementarnih rešetkastih ćelija jedinstvene geometrije. Prvi ih je opisao francuski fizičar Auguste Bravet 1848. godine. Ovaj naučnik se smatra osnivačem kristalografije.

Ove vrste elementarnih struktura kristalne rešetke grupirane su u 7 kategorija, nazvanih singonije, ovisno o omjeru dužina stranica i jednakosti uglova:

• kubni;
• tetragonal;
• ortorombični;
• rhombohedral;
• heksagonalna;
• triklinički.

Najjednostavnija i najrasprostranjenija u prirodi je prva kategorija, koja je zauzvrat podijeljena u 3 vrste rešetka:

• Jednostavan kubni. Sve čestice (i oni mogu biti atomi, električni nabijene čestice ili molekule) nalaze se na vrhovima kocke. Ove čestice su identične. Svaka ćelija ima 1 atom (8 vrhova × 1/8 atoma = 1).
• Kubični centrirani volumen. Razlikuje se od prethodnog modela po tome što postoji još jedna čestica u centru kocke. Svaka ćelija sadrži 2 atoma materije.
• Kubni centriran licem. Čestice su sadržane u vrhovima jedinične ćelije, kao i u središtu svih lica. Svaka od ćelija ima 4 atoma.

Primitivna ćelija

Elementarna ćelija naziva se primitivnom ako se njene čestice nalaze samo na vrhovima rešetke i nema ih na drugim mjestima. , njegova zapremina je minimalna u poređenju sa drugim tipovima. U praksi se često pokaže nisko simetričnom (primjer je Wigner-Seitz ćelija).

Za ne-primitivne ćelije, atom u središtu volumena dijeli ih na 2 ili 4 identična dijela. U strukturi usmjerenoj na lice postoji podjela na 8 dijelova. Metalografija koristi koncept elementarne, a ne primitivne ćelije, jer simetrija prve omogućava potpuniji opis kristalne strukture materijala.

Znakovi

Svih 14 vrsta elementarnih ćelija ima zajednička svojstva:

• to su najjednostavnije ponavljajuće strukture u kristalu;
• svaki Centar rešetke sastoji se od jedne čestice, nazvane rešetkasti čvor;
• čvorovi ćelije povezani su jedni s drugima ravnim linijama koje čine geometriju kristala;
• suprotna lica su paralelna;
• simetrija elementarne strukture odgovara simetriji cijele kristalne rešetke.

Prilikom odabira strukture elementarne ćelije slijede se neka pravila. Trebala je.:

• najmanji volumen i površina;
• najveći broj identičnih ivica i uglova između njih;
• pravi uglovi (ako je moguće);
• prostorna simetrija koja odražava simetriju cijele kristalne rešetke.

Volume

Volumen elementarne ćelije određuje se ovisno o njenom geometrijskom obliku. Za kubnu singoniju, izračunava se kao dužina lica (međusredna udaljenost atoma), podignuta na treći stepen. Za heksagonalnu singoniju, volumen se može odrediti formulom datom u nastavku:

gdje su a i c parametri kristalne rešetke mjereni u angstromima.

U praksi se parametri kristalne rešetke izračunavaju tako da je u budućnosti moguće odrediti strukturu spoja, masu atoma (na osnovu težine date zapremine i Avogadrovog broja) ili njegov radijus.