1.4. मुख्य प्रकार की क्रिस्टल संरचनाएं

स्थानिक जालकों में परमाणुओं की बिंदु व्यवस्था सरल हो जाती है और क्रिस्टल संरचनाओं के अध्ययन के लिए अनुपयुक्त हो जाती है जब निकटतम परमाणुओं या आयनों के बीच की दूरी निर्धारित की जाती है। हालांकि, क्रिस्टलीय संरचनाओं के भौतिक गुण पदार्थों की रासायनिक प्रकृति, परमाणुओं (आयनों) के आकार और उनके बीच बातचीत की ताकतों पर निर्भर करते हैं। इसलिए, भविष्य में, हम मान लेंगे कि परमाणुओं या आयनों में एक गेंद का आकार होता है और इसकी विशेषता होती है प्रभावी त्रिज्या, इसके द्वारा उनके प्रभाव के क्षेत्र की त्रिज्या को समझना, दो निकटतम पड़ोसी परमाणुओं या एक ही प्रकार के आयनों के बीच की आधी दूरी के बराबर। एक घन जालक में, प्रभावी परमाणु त्रिज्या 0/2 होती है।

प्रत्येक विशेष संरचना में प्रभावी त्रिज्या के अलग-अलग प्रतिमान होते हैं और यह प्रकृति और पड़ोसी परमाणुओं की संख्या पर निर्भर करता है। विभिन्न तत्वों की परमाणु त्रिज्या की तुलना तभी की जा सकती है जब वे समान समन्वय संख्या वाले क्रिस्टल बनाते हैं। समन्वय संख्या zकिसी दिए गए परमाणु (आयन) का क्रिस्टल संरचना में उसके आसपास के निकटतम समान परमाणुओं (आयनों) की संख्या है। मानसिक रूप से पड़ोसी कणों के केंद्रों को एक दूसरे से सीधी रेखाओं से जोड़ने पर, हम प्राप्त करते हैं

समन्वय बहुफलक; इस मामले में, परमाणु (आयन), जिसके लिए ऐसा पॉलीहेड्रॉन बनाया गया है, इसके केंद्र में स्थित है।

समन्वय संख्या और प्रभावी कण त्रिज्या का अनुपात एक दूसरे से एक निश्चित तरीके से संबंधित हैं: कण आकार में जितना छोटा अंतर होगा, उतना बड़ा z।

क्रिस्टल संरचना (जाली प्रकार) के आधार पर, z 3 से 12 तक भिन्न हो सकता है। जैसा कि नीचे दिखाया जाएगा, हीरे की संरचना में z = 4, सेंधा नमक में z = 6 (प्रत्येक सोडियम आयन छह क्लोराइड आयनों से घिरा होता है) . धातुओं के लिए, समन्वय संख्या z = 12 विशिष्ट है, क्रिस्टलीय अर्धचालकों के लिए z = 4 या z = 6। तरल पदार्थों के लिए, समन्वय संख्या सांख्यिकीय रूप से किसी भी परमाणु के निकटतम पड़ोसियों की औसत संख्या के रूप में निर्धारित की जाती है।

समन्वय संख्या क्रिस्टल संरचना में परमाणुओं के पैकिंग घनत्व से संबंधित है। सापेक्ष पैकिंग घनत्व–

यह परमाणुओं के कब्जे वाले आयतन का संरचना के कुल आयतन का अनुपात है। समन्वय संख्या जितनी अधिक होगी, सापेक्ष पैकिंग घनत्व उतना ही अधिक होगा।

धारा 1. भौतिक-रासायनिक क्रिस्टलोग्राफी के मूल सिद्धांत

क्रिस्टल जाली में न्यूनतम मुक्त ऊर्जा होती है। यह तभी संभव है जब प्रत्येक कण अन्य कणों की अधिकतम संभव संख्या के साथ अंतःक्रिया करे। दूसरे शब्दों में, समन्वय संख्या अधिकतम मी होनी चाहिए। पैकिंग बंद करने की प्रवृत्ति सभी प्रकार की क्रिस्टल संरचनाओं की विशेषता है।

एक ही प्रकृति के परमाणुओं से युक्त एक समतल संरचना पर विचार करें जो एक दूसरे को स्पर्श करती है और अधिकांश स्थान को भरती है। इस मामले में, एक दूसरे से सटे परमाणुओं के निकटतम पैकिंग का केवल एक ही तरीका संभव है: केंद्रीय के आसपास

गुरुत्वाकर्षण के केंद्र पहली परत की रिक्तियों पर पड़ते हैं। यह अंजीर में सही छवि में स्पष्ट रूप से देखा गया है। 1.10, ए (शीर्ष दृश्य), जहां दूसरी परत के परमाणुओं के अनुमान हल्के भूरे रंग में चित्रित होते हैं। दूसरी परत के परमाणु ऊपर की ओर इशारा करते हुए एक मूल त्रिभुज (एक ठोस रेखा द्वारा दिखाया गया) बनाते हैं।

चावल। 1.10. दो प्रकार की संरचनाओं में समान आकार की गेंदों को पैक करते समय परतों का क्रम: (ए) एबीएबी... हेक्सागोनल क्लोज पैकिंग (एचसीपी) के साथ; b - ABSABC... सबसे सघन क्यूबिक पैकेज (K PU) के साथ, एक फेस-केंद्रित क्यूबिक (fcc) जाली देता है। स्पष्टता के लिए, तीसरी और चौथी परतों को अपूर्ण रूप से भरा हुआ दिखाया गया है।

अध्याय 1. क्रिस्टल भौतिकी के तत्व

तीसरी परत के परमाणुओं को दो तरह से व्यवस्थित किया जा सकता है। यदि तीसरी परत के परमाणुओं के गुरुत्वाकर्षण के केंद्र पहली परत के परमाणुओं के गुरुत्वाकर्षण के केंद्रों से ऊपर हैं, तो पहली परत के बिछाने को दोहराया जाएगा (चित्र 1.10, ए)। परिणामी संरचना है हेक्सागोनल करीब पैकिंग(जीपीयू)। इसे Z अक्ष की दिशा में ABABABAB ... परतों के अनुक्रम के रूप में दर्शाया जा सकता है।

यदि तीसरी परत C के परमाणु (चित्र 1.10, b में दाईं ओर गहरे भूरे रंग में दिखाए गए हैं) पहली परत की अन्य रिक्तियों के ऊपर स्थित हैं और परत B के सापेक्ष 180º घुमाया गया एक मूल त्रिभुज बनाते हैं (एक बिंदीदार रेखा द्वारा दिखाया गया है) , और चौथी परत पहले के समान है, फिर परिणामी संरचना का प्रतिनिधित्व करती है घन घनीभूत पैकिंग(FCC), जो Z अक्ष की दिशा में ABSABABSABC परतों के अनुक्रम के साथ एक चेहरा-केंद्रित घन संरचना (FCC) से मेल खाती है।

सबसे घनी पैकिंग के लिए, z = 12. यह परत B में केंद्रीय गेंद के उदाहरण में स्पष्ट रूप से देखा जाता है: इसके निकटतम वातावरण में परत A की छह गेंदें होती हैं और परत B में इसके नीचे और ऊपर तीन गेंदें होती हैं।

(चित्र। 1.10, ए)।

समन्वय संख्या z के अलावा, विभिन्न संरचनाओं को पैकिंग घनत्व द्वारा भी चित्रित किया जाता है, जिसे परमाणुओं द्वारा कब्जा किए गए वॉल्यूम V के अनुपात के रूप में पूरे ब्रावाइस सेल V सेल के आयतन के रूप में पेश किया जाता है। परमाणुओं को त्रिज्या r की ठोस गेंदों द्वारा दर्शाया जाता है, इसलिए V = n (4π/3)r 3 पर, जहां n एक सेल में परमाणुओं की संख्या है।

क्यूबिक सेल V सेल का आयतन \u003d a 0 3, जहाँ 0 जाली अवधि है। हेक्सागोनल बेस एरिया वाले HCP सेल के लिए S = 3a 0 2 2 3

और ऊंचाई c = 2a 0 23 हमें V सेल = 3a 0 3 2 मिलता है।

क्रिस्टल संरचनाओं के संबंधित पैरामीटर - आदिम क्यूबिक (पीसी), बॉडी-सेंटेड क्यूबिक (बीसीसी), फेस-सेंटेड क्यूबिक (एफसीसी), हेक्सागोनल क्लोज-पैक (एचसीपी) - तालिका में दिए गए हैं। 1.2. परमाणु त्रिज्या को ध्यान में रखते हुए लिखा जाता है कि वे पीसी संरचना में घन के किनारों के साथ स्पर्श करते हैं (2r = a 0), स्थानिक विकर्णों के साथ (4r = a 0) बीसीसी संरचना में, और विकर्णों के साथ फलक (4r = a 0 2)

एफसीसी संरचना में।

इस प्रकार, z = 12 के साथ निकटतम-पैक संरचनाओं (fcc और hcp) में, सेल वॉल्यूम 74% परमाणुओं द्वारा कब्जा कर लिया जाता है। जैसे-जैसे समन्वय संख्या घटकर 8 और 6 हो जाती है, पैकिंग घनत्व घटकर क्रमशः 68 (बीसीसी) और 52% (पीसी) हो जाता है।

तालिका 1.2

घन और षट्कोणीय क्रिस्टल के पैरामीटर्स

क्रिस्टल पैरामीटर
समन्वय संख्या z
एक सेल में परमाणुओं की संख्या n
परमाणु त्रिज्या r	एक 0 / 2			ए 2 4	एक 0 / 2
एक परमाणु का आयतन, V at / n
	ए 0 3 6	ए3		ए 3 2 24	ए 0 3 6
पैकिंग घनत्व,
		3 8 \u003d 0.6		2 6 \u003d 0.74	2 6 \u003d 0.74
वी एट / वी सेल

यह पहले ही नोट किया जा चुका है कि किसी पदार्थ के क्रिस्टलीकरण के दौरान, सिस्टम न्यूनतम मुक्त ऊर्जा प्रदान करता है। कणों के बीच बातचीत की संभावित ऊर्जा को कम करने वाले कारकों में से एक उनका अधिकतम दृष्टिकोण और कणों की सबसे बड़ी संभव संख्या के साथ पारस्परिक संबंध की स्थापना है, यानी, सबसे बड़ी समन्वय संख्या के साथ सघन पैकिंग की इच्छा।

निकटतम पैकिंग की प्रवृत्ति सभी प्रकार की संरचनाओं की विशेषता है, लेकिन यह धातु, आयनिक और आणविक क्रिस्टल में सबसे अधिक स्पष्ट है। उनमें, बंधन अप्रत्यक्ष या कमजोर रूप से निर्देशित होते हैं (अध्याय 2 देखें), ताकि परमाणुओं, आयनों के लिए

तथा अणु, ठोस असंपीड्य गोले का मॉडल काफी स्वीकार्य है।

अंजीर में दिखाया गया ब्रावाइस अनुवाद झंझरी। 1.3

तथा तालिका में। 1.1, क्रिस्टल संरचनाओं के निर्माण के लिए सभी संभावित विकल्प समाप्त नहीं हुए हैं, मुख्यतः रासायनिक यौगिकों के लिए। मुद्दा यह है कि ब्रवाइस सेल की आवधिक पुनरावृत्ति एक ट्रांसलेशनल जाली देती है जिसमें केवल उसी तरह के कण (अणु, परमाणु, आयन) होते हैं। इसलिए, एक जटिल परिसर की संरचना का निर्माण एक निश्चित तरीके से एक दूसरे में डाले गए ब्रावाइस जाली के संयोजन से किया जा सकता है। तो, अर्धचालक क्रिस्टल एक निर्देशित सहसंयोजक (गैर-ध्रुवीय या ध्रुवीय) बंधन का उपयोग करते हैं, जिसे आमतौर पर कम से कम दो जाली के संयोजन से महसूस किया जाता है, जो व्यक्तिगत रूप से काफी घनी रूप से पैक होते हैं, लेकिन अंततः "कुल" जाली की छोटी समन्वय संख्या प्रदान करते हैं।जेड = 4)।

ऐसे पदार्थों के समूह होते हैं जो परमाणुओं की एक समान स्थानिक व्यवस्था की विशेषता रखते हैं और क्रिस्टल जाली के मापदंडों (लेकिन प्रकार में नहीं) में एक दूसरे से भिन्न होते हैं।

इसलिए, एकल स्थानिक मॉडल का उपयोग करके उनकी संरचना का वर्णन किया जा सकता है ( एक संरचना प्रकार) प्रत्येक पदार्थ के लिए जाली मापदंडों के विशिष्ट मूल्यों को दर्शाता है। इस प्रकार, विभिन्न पदार्थों के क्रिस्टल सीमित संख्या में संरचनात्मक प्रकार के होते हैं।

सबसे आम प्रकार की संरचनाएं हैं:

धातु क्रिस्टल में:

टंगस्टन की संरचना (OC-जाली); तांबे की संरचना (एफसीसी जाली), मैग्नीशियम संरचना (एचसीपी जाली);

ढांकता हुआ क्रिस्टल में:

सोडियम क्लोराइड की संरचना (डबल एचसीसी जाली); सीज़ियम क्लोराइड की संरचना (डबल पीसी-जाली);

अर्धचालक क्रिस्टल में:

हीरे की संरचना (डबल एफसीसी जाली); स्पैलेराइट संरचना (डबल जीसीसी जाली); वर्ट्ज़ाइट संरचना (डबल एचपी यू-जाली)।

आइए हम संक्षेप में ऊपर सूचीबद्ध संरचनाओं और उनके अनुरूप ब्रावाइस जाली की विशेषताओं और वास्तविकता पर विचार करें।

1.4.1. धात्विक क्रिस्टल

टंगस्टन की संरचना(चित्र। 1.1 1, और)। शरीर-केंद्रित क्यूबिक जाली सबसे घनी-पैक संरचना नहीं है; इसकी सापेक्ष पैकिंग घनत्व 0.6 8 और एक समन्वय संख्या z = 8 है। (11 1) विमान सबसे घनी पैक हैं।

चावल। 1.11 घन जाली के प्रकार: (ए) शरीर केंद्रित घन (बीसीसी); बी - साधारण घन

धारा 1. भौतिक-रासायनिक क्रिस्टलोग्राफी के मूल सिद्धांत

टंगस्टन डब्ल्यू के अलावा, सभी क्षार और क्षारीय पृथ्वी धातुओं के साथ-साथ अधिकांश दुर्दम्य धातुओं में एक बीसीसी जाली होती है: क्रोमियम सीआर, लौह Fe, मोलिब्डेनम मो, ज़िरकोनियम जेडआर, टैंटलम टा, नाइओबियम एनबी, आदि। उत्तरार्द्ध निम्नलिखित पाता है व्याख्या। केंद्रीय परमाणु के लिए बीसीसी सेल में, निकटतम पड़ोसी घन (z = 8) के शीर्ष पर स्थित परमाणु होते हैं। वे एक दूसरे से दूरी पर हैं

पड़ोसी कोशिकाओं में छह केंद्रीय परमाणु (दूसरा समन्वय क्षेत्र), जो व्यावहारिक रूप से समन्वय संख्या को z 14 तक बढ़ाता है। यह कुल ऊर्जा लाभ देता है जो कि fcc जाली की तुलना में परमाणुओं के बीच औसत दूरी में एक छोटी सी वृद्धि से नकारात्मक योगदान की भरपाई करता है, जहां परमाणु d = a 0 (2) 2 = 0.707a 0 की दूरी पर हैं। नतीजतन,

क्रिस्टलीकरण, जो अपने उच्च गलनांक में प्रकट होता है, टंगस्टन के लिए 3422 तक पहुंच जाता है। तुलना के लिए: z = 8 के साथ एक साधारण घन संरचना (चित्र 1.11, b) में ढीली पैकिंग होती है और यह केवल पो पोलोनियम में पाई जाती है।

तांबे की संरचना (fcc जाली) अंजीर में दिखाई गई है। 1.12, ए, क्लोज-पैक संरचनाओं को संदर्भित करता है, इसकी सापेक्ष पैकिंग घनत्व 0.74 और एक समन्वय संख्या z = 12 है। कॉपर Cu के अलावा, यह कई धातुओं जैसे गोल्ड Au, सिल्वर Ag, प्लेटिनम Pt, निकल की विशेषता है। नी, एल्युमिनियम अल, लेड पीबी, पैलेडियम पीडी, थोरियम थ, आदि।

चावल। 1.12. क्लोज-पैक क्रिस्टल जाली की संरचनाएं: ए - फेस-केंद्रित क्यूबिक (तांबे की संरचना); बी - हेक्सागोनल क्लोज-पैक (मैग्नीशियम संरचना)

अध्याय 1. क्रिस्टल भौतिकी के तत्व

ये धातुएँ अपेक्षाकृत नरम और नमनीय होती हैं। मुद्दा यह है कि तांबे के प्रकार की संरचनाओं में, fcc जाली में चतुष्फलकीय और अष्टफलकीय रिक्तियां अन्य कणों से नहीं भरी जाती हैं। यह अनुमति देता है, परमाणुओं के बीच बंधनों की गैर-दिशा के कारण, तथाकथित के साथ उनके विस्थापन फिसलने वाले विमान. एफसीसी जाली में, ये अधिकतम पैकिंग (111) के विमान हैं, जिनमें से एक अंजीर में छायांकित है। 1.12, ए.

मैग्नीशियम की संरचना(एचसीपी जाली) अंजीर में दिखाया गया है। 1.12, बी, न केवल मैग्नीशियम एमजी के लिए, बल्कि कैडमियम सीडी, जिंक जेडएन, टाइटेनियम टीआई, थैलियम टीएल, बेरिलियम बी, आदि के साथ-साथ सबसे दुर्लभ पृथ्वी तत्वों के लिए भी विशेषता है। पीसी जाली के विपरीत, अंजीर में hcp जाली। 1.12, b में एक परत B (छायांकित) है, जो मूल परतों A के बीच में एक निश्चित दूरी पर स्थित है

2 = एक 0 2 3 के साथ (कुछ के लिए 10% तक मनाया विचलन के साथ

अन्य धातु)। परतों बी में परमाणुओं को बेसल प्लेन (0001) में त्रिकोण के केंद्रों के ऊपर क्लोज पैकिंग के साथ रखा गया है।

1.4.2. ढांकता हुआ क्रिस्टल

सोडियम क्लोराइड की संरचना(चित्र 1.13, और) का वर्णन किया जा सकता है

दो चेहरे-केंद्रित घन जाली (तांबे का संरचनात्मक प्रकार) के रूप में किसी भी किनारों के साथ आधा जाली अवधि (ए 0/2) द्वारा स्थानांतरित किया गया<100>.

बड़े क्लोरीन आयन Cl- fcc सेल की साइटों पर कब्जा कर लेते हैं और एक क्यूबिक क्लोज पैकिंग बनाते हैं, जिसमें सोडियम केशन Na+ छोटे आकार के होते हैं, केवल अष्टफलकीय रिक्तियों को भरते हैं। दूसरे शब्दों में, NaCl संरचना में, प्रत्येक धनायन (100) तल में चार आयनों और लंबवत तल में दो आयनों से घिरा होता है, जो धनायन से समान दूरी पर होते हैं। नतीजतन, अष्टफलकीय समन्वय होता है। यह आयनों के लिए भी उतना ही सच है। इसलिए, उप-अक्षांशों की समन्वय संख्याओं का अनुपात 6:6 है।

सीज़ियम क्लोराइड की संरचनासीएससीएल (डबल पीसी जाली),

अंजीर में दिखाया गया है। 1.13, बी, दो आदिम क्यूबिक जाली होते हैं जो आधे आयतन विकर्ण द्वारा स्थानांतरित होते हैं। तथ्य यह है कि सीज़ियम आयन सोडियम आयनों से बड़े होते हैं और क्लोरीन जाली के ऑक्टाहेड्रल (और इससे भी अधिक टेट्राहेड्रल में) में फिट नहीं हो सकते हैं, अगर यह एफसीसी प्रकार के होते हैं, जैसा कि NaCl की संरचना में है। CsCl संरचना में, प्रत्येक सीज़ियम आयन आठ क्लोराइड आयनों से घिरा होता है और इसके विपरीत।

अन्य हैलाइड भी इस प्रकार की संरचनाओं में क्रिस्टलीकृत होते हैं, उदाहरण के लिए, Cs (Br, I), Rb (Br, I), Tl (Br, Cl), AIV BVI प्रकार के अर्धचालक यौगिक, और दुर्लभ पृथ्वी तत्वों के कई मिश्र धातु। इसी तरह की संरचनाएं हेटरोपोलर आयनिक यौगिकों में भी देखी जाती हैं।

1.4.3. अर्धचालक क्रिस्टल

हीरे की संरचनादो FCC जाली का एक संयोजन है जो एक को दूसरे में डाला गया है और स्थानिक विकर्ण के साथ लंबाई के एक चौथाई द्वारा स्थानांतरित किया गया है (चित्र। 1.14, ए)। प्रत्येक परमाणु चार से घिरा होता है, जो चतुष्फलक के शीर्षों पर स्थित होते हैं (चित्र 1.14, क में मोटी रेखाएँ)। हीरे की संरचना में सभी बंधन समान होते हैं, साथ में निर्देशित होते हैं<111>और एक दूसरे के साथ 109º 28 " के कोण बनाते हैं। हीरे की जाली एक समन्वय संख्या z = 4 के साथ शिथिल रूप से पैक की गई संरचनाओं से संबंधित है। हीरे की संरचना में जर्मेनियम, सिलिकॉन, ग्रे टिन क्रिस्टलीकृत होते हैं। हीरे के अलावा, प्राथमिक अर्धचालक भी इसमें क्रिस्टलीकृत होते हैं। संरचना का प्रकार - सिलिकॉन सी, जर्मेनियम जीई, टिन ग्रे एसएन।

स्पैलेराइट की संरचना(डबल एफसीसी जाली)। यदि दो सहायक फलक-केंद्रित घन जालक विभिन्न परमाणुओं द्वारा बनते हैं, तो एक नई संरचना उत्पन्न होती है, जिसे ZnS स्पैलेराइट संरचना या कहा जाता है। जिंक ब्लेंड(चित्र। 1.14, बी)।

अध्याय 1. क्रिस्टल भौतिकी के तत्व

चावल। 1.14. हीरे की संरचनाएं (ए), फलेराइट (बी), और वर्टजाइट (सी)। बोल्ड लाइनें टी टेट्राहेड्रल बॉन्ड दिखाती हैं

AIII BV (गैलियम आर्सेनाइड GaA s, गैलियम फॉस्फाइड GaP, इंडियम फॉस्फाइड InP, इंडियम एंटीमोनाइड I nSb, आदि) के कई अर्धचालक यौगिक और AII BVI (जिंक सेलेनाइड ZnSe, टेल्यूरियम जिंक ZnTe, कैडमियम सल्फाइड सीडीएस, सेलेनाइड कैडमियम) टाइप करें।

स्फैलेराइट की संरचना हीरे की संरचना के समान होती है जिसमें परमाणुओं के टेट्राहेड्रल वातावरण होते हैं (चित्र 1.14, ए), गैलियम गा परमाणुओं द्वारा केवल एक एफसीसी सबलेटिस पर कब्जा कर लिया जाता है, और दूसरा आर्सेनिक परमाणुओं के रूप में होता है। GaAs सेल में सममिति का कोई केंद्र नहीं होता है, अर्थात संरचना चार दिशाओं में ध्रुवीय होती है।< 111 >. बंद पैक 111 और (111) विमानों के बीच एक अंतर देखा जाता है: यदि उनमें से एक में Ga परमाणु होते हैं, तो दूसरे में As परमाणु होते हैं। यह सतह के गुणों (सूक्ष्म कठोरता, सोखना, रासायनिक नक़्क़ाशी, आदि) के अनिसोट्रॉपी का कारण बनता है।

स्फैलेराइट संरचना में, किसी भी परत के टेट्राहेड्रा के त्रिकोणीय आधार उसी तरह उन्मुख होते हैं जैसे पिछली परत के टेट्राहेड्रा के आधार।

वर्टज़ाइट की संरचना(डबल एचसीपी झंझरी) अंजीर में दिखाया गया है। 1.14, सी, जिंक सल्फाइड के हेक्सागोनल संशोधन की विशेषता है। ZnS के समान अर्धचालक, जैसे कैडमियम सल्फाइड CdS और कैडमियम सेलेनाइड CdSe, में ऐसी संरचना होती है। AII B VI के अधिकांश यौगिकों को "स्पैलेराइट-वार्टज़ाइट" चरण संक्रमण की विशेषता है। वर्टज़ाइट संरचना का एहसास होता है यदि अधातु परमाणु में छोटे आयाम और उच्च विद्युतीयता होती है।

अंजीर पर। चित्र 1.14c तीन ऐसे प्रिज्मों (जिनमें से दो चित्र में दिखाया गया है) द्वारा गठित एक षट्भुज के केंद्र में आधार पर एक समचतुर्भुज के साथ एक सीधे प्रिज्म के रूप में ZnS के लिए एक आदिम वर्ट्ज़ाइट सेल को दर्शाता है। .

ठोस को अनाकार निकायों और क्रिस्टल में विभाजित किया जाता है। उत्तरार्द्ध और पूर्व के बीच का अंतर यह है कि क्रिस्टल के परमाणुओं को एक निश्चित कानून के अनुसार व्यवस्थित किया जाता है, जिससे त्रि-आयामी आवधिक स्टैकिंग का निर्माण होता है, जिसे क्रिस्टल जाली कहा जाता है।

यह उल्लेखनीय है कि क्रिस्टल का नाम ग्रीक शब्द "हार्डेन" और "कोल्ड" से आया है, और होमर के समय में इस शब्द को रॉक क्रिस्टल कहा जाता था, जिसे तब "जमे हुए बर्फ" माना जाता था। सबसे पहले, केवल मुखर पारदर्शी संरचनाओं को यह शब्द कहा जाता था। लेकिन बाद में प्राकृतिक उत्पत्ति के अपारदर्शी और बिना कटे हुए पिंडों को क्रिस्टल भी कहा जाने लगा।

क्रिस्टल संरचना और जाली

एक आदर्श क्रिस्टल को समय-समय पर दोहराई जाने वाली समान संरचनाओं के रूप में प्रस्तुत किया जाता है - एक क्रिस्टल की तथाकथित प्राथमिक कोशिकाएं। सामान्य स्थिति में, ऐसी कोशिका का आकार एक तिरछा समानांतर चतुर्भुज होता है।

क्रिस्टल जाली और क्रिस्टल संरचना जैसी अवधारणाओं के बीच अंतर करना आवश्यक है। पहला एक गणितीय अमूर्तन है जो अंतरिक्ष में कुछ बिंदुओं की नियमित व्यवस्था को दर्शाता है। जबकि एक क्रिस्टल संरचना एक वास्तविक भौतिक वस्तु है, एक क्रिस्टल जिसमें परमाणुओं या अणुओं का एक निश्चित समूह क्रिस्टल जाली के प्रत्येक बिंदु से जुड़ा होता है।

गार्नेट क्रिस्टल संरचना - रोम्बस और डोडेकाहेड्रोन

क्रिस्टल के विद्युत चुम्बकीय और यांत्रिक गुणों को निर्धारित करने वाला मुख्य कारक प्राथमिक कोशिका की संरचना और उससे जुड़े परमाणु (अणु) हैं।

क्रिस्टल की अनिसोट्रॉपी

क्रिस्टल की मुख्य संपत्ति जो उन्हें अनाकार निकायों से अलग करती है वह अनिसोट्रॉपी है। इसका मतलब है कि दिशा के आधार पर क्रिस्टल के गुण अलग-अलग होते हैं। इसलिए, उदाहरण के लिए, अकुशल (अपरिवर्तनीय) विरूपण केवल क्रिस्टल के कुछ विमानों के साथ और एक निश्चित दिशा में किया जाता है। अनिसोट्रॉपी के कारण, क्रिस्टल अपनी दिशा के आधार पर विरूपण के लिए अलग तरह से प्रतिक्रिया करते हैं।

हालांकि, ऐसे क्रिस्टल हैं जिनमें अनिसोट्रॉपी नहीं है।

क्रिस्टल के प्रकार

क्रिस्टल एकल क्रिस्टल और पॉलीक्रिस्टल में विभाजित हैं। मोनोक्रिस्टल पदार्थ कहलाते हैं, जिनकी क्रिस्टल संरचना पूरे शरीर तक फैली होती है। ऐसे निकाय सजातीय होते हैं और इनमें एक सतत क्रिस्टल जाली होती है। आमतौर पर, इस तरह के क्रिस्टल में एक स्पष्ट कट होता है। एक प्राकृतिक एकल क्रिस्टल के उदाहरण सेंधा नमक, हीरा और पुखराज, साथ ही क्वार्ट्ज के एकल क्रिस्टल हैं।

कई पदार्थों में क्रिस्टलीय संरचना होती है, हालांकि उनके पास आमतौर पर क्रिस्टल के लिए एक विशिष्ट आकार नहीं होता है। ऐसे पदार्थों में शामिल हैं, उदाहरण के लिए, धातु। अध्ययनों से पता चलता है कि ऐसे पदार्थों में बड़ी संख्या में बहुत छोटे एकल क्रिस्टल होते हैं - क्रिस्टलीय अनाज या क्रिस्टलीय। ऐसे कई अलग-अलग उन्मुख एकल क्रिस्टल से युक्त पदार्थ को पॉलीक्रिस्टलाइन कहा जाता है। पॉलीक्रिस्टल में अक्सर फेसिंग नहीं होती है, और उनके गुण क्रिस्टलीय अनाज के औसत आकार, उनकी पारस्परिक व्यवस्था और अंतर-सीमाओं की संरचना पर भी निर्भर करते हैं। पॉलीक्रिस्टल में धातु और मिश्र धातु, चीनी मिट्टी की चीज़ें और खनिज, साथ ही अन्य जैसे पदार्थ शामिल हैं।

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क्रिस्टल (ग्रीक kseufbllt से, मूल रूप से - बर्फ, बाद में - रॉक क्रिस्टल, क्रिस्टल) - ठोस निकाय जिसमें परमाणुओं को नियमित रूप से व्यवस्थित किया जाता है, एक त्रि-आयामी आवधिक स्थानिक व्यवस्था - एक क्रिस्टल जाली।

क्रिस्टल ठोस होते हैं जिनकी आंतरिक संरचना के आधार पर नियमित सममित पॉलीहेड्रा का प्राकृतिक बाहरी आकार होता है, जो कि कणों (परमाणु, अणु, आयन) के पदार्थ को बनाने वाली कई निश्चित नियमित व्यवस्थाओं में से एक पर होता है।

गुण:

एकरूपता। यह संपत्ति इस तथ्य में प्रकट होती है कि एक क्रिस्टलीय पदार्थ के दो समान प्राथमिक खंड, समान रूप से अंतरिक्ष में उन्मुख होते हैं, लेकिन इस पदार्थ के विभिन्न बिंदुओं पर कटे हुए, उनके सभी गुणों में बिल्कुल समान होते हैं: उनके पास एक ही रंग, विशिष्ट गुरुत्व, कठोरता होती है। , तापीय चालकता, विद्युत चालकता और अन्य

यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि वास्तविक क्रिस्टलीय पदार्थों में अक्सर स्थायी अशुद्धियाँ और समावेशन होते हैं जो उनके क्रिस्टल जाली को विकृत करते हैं। इसलिए, वास्तविक क्रिस्टल में पूर्ण समरूपता अक्सर नहीं होती है।

क्रिस्टल की अनिसोट्रॉपी

कई क्रिस्टल अनिसोट्रॉपी की संपत्ति में निहित हैं, अर्थात, दिशा पर उनके गुणों की निर्भरता, जबकि आइसोट्रोपिक पदार्थों (अधिकांश गैसों, तरल पदार्थ, अनाकार ठोस) या छद्म-आइसोट्रोपिक (पॉलीक्रिस्टल) निकायों में, गुण निर्भर नहीं करते हैं निर्देश। क्रिस्टल के अकुशल विरूपण की प्रक्रिया हमेशा अच्छी तरह से परिभाषित स्लिप सिस्टम के साथ की जाती है, अर्थात केवल कुछ क्रिस्टलोग्राफिक विमानों के साथ और केवल एक निश्चित क्रिस्टलोग्राफिक दिशा में। क्रिस्टलीय माध्यम के विभिन्न भागों में विकृति के अमानवीय और असमान विकास के कारण, सूक्ष्म तनाव क्षेत्रों के विकास के माध्यम से इन भागों के बीच तीव्र अंतःक्रिया होती है।

इसी समय, ऐसे क्रिस्टल होते हैं जिनमें अनिसोट्रॉपी नहीं होती है।

विशेष रूप से आकार स्मृति प्रभाव और परिवर्तन की प्लास्टिसिटी के सवालों पर, विशेष रूप से मार्टेंसिटिक अयोग्यता के भौतिकी में प्रयोगात्मक सामग्री का खजाना जमा किया गया है। लगभग अनन्य रूप से मार्टेंसिटिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से अकुशल विकृतियों के प्रमुख विकास के बारे में क्रिस्टल भौतिकी की सबसे महत्वपूर्ण स्थिति को प्रयोगात्मक रूप से सिद्ध किया। लेकिन मार्टेंसिटिक इनैलास्टिकिटी के भौतिक सिद्धांत के निर्माण के सिद्धांत स्पष्ट नहीं हैं। इसी तरह की स्थिति यांत्रिक ट्विनिंग द्वारा क्रिस्टल के विरूपण के मामले में होती है।

धातुओं की अव्यवस्था प्लास्टिसिटी के अध्ययन में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है। यहां, न केवल अकुशल विरूपण प्रक्रियाओं के कार्यान्वयन के लिए बुनियादी संरचनात्मक और भौतिक तंत्रों को समझा गया है, बल्कि घटनाओं की गणना के लिए प्रभावी तरीके भी बनाए गए हैं।

स्व-आसवन की क्षमता क्रिस्टल की मुक्त वृद्धि के दौरान चेहरे बनाने की संपत्ति है।तो। यदि एक गेंद, उदाहरण के लिए, किसी पदार्थ से बना टेबल सॉल्ट, उसके सुपरसैचुरेटेड घोल में रखा जाता है, तो कुछ समय बाद यह गेंद घन का रूप ले लेगी। इसके विपरीत, एक कांच का मनका अपना आकार नहीं बदलेगा क्योंकि एक अनाकार पदार्थ स्वयं-आसवन नहीं कर सकता है।

निरंतर गलनांक। यदि आप एक क्रिस्टलीय पिंड को गर्म करते हैं, तो इसका तापमान एक निश्चित सीमा तक बढ़ जाएगा, और अधिक गर्म होने पर, पदार्थ पिघलना शुरू हो जाएगा, और तापमान कुछ समय के लिए स्थिर रहेगा, क्योंकि सारी गर्मी क्रिस्टल के विनाश में चली जाएगी। जाली जिस तापमान पर गलनांक शुरू होता है उसे गलनांक कहते हैं।

क्रिस्टल के सिस्टमेटिक्स

क्रिस्टल की संरचना

क्रिस्टल संरचना, प्रत्येक पदार्थ के लिए अलग-अलग होने के कारण, इस पदार्थ के मूल भौतिक और रासायनिक गुणों को संदर्भित करती है। क्रिस्टलीय संरचना परमाणुओं का एक ऐसा समूह है जिसमें परमाणुओं का एक निश्चित समूह, जिसे प्रेरक इकाई कहा जाता है, क्रिस्टल जाली के प्रत्येक बिंदु से जुड़ा होता है, और ऐसे सभी समूह जाली के सापेक्ष संरचना, संरचना और अभिविन्यास में समान होते हैं। हम मान सकते हैं कि संरचना जाली और प्रेरक इकाई के संश्लेषण के परिणामस्वरूप उत्पन्न होती है, अनुवाद समूह द्वारा प्रेरक इकाई के गुणन के परिणामस्वरूप।

सरलतम मामले में, प्रेरक इकाई में एक परमाणु होता है, उदाहरण के लिए, तांबे या लोहे के क्रिस्टल में। ऐसी प्रेरक इकाई के आधार पर उत्पन्न होने वाली संरचना ज्यामितीय रूप से एक जाली के समान होती है, लेकिन फिर भी इसमें अंतर होता है कि यह परमाणुओं से बना होता है, न कि बिंदुओं से। अक्सर इस परिस्थिति को ध्यान में नहीं रखा जाता है, और ऐसे क्रिस्टल के लिए "क्रिस्टल जाली" और "क्रिस्टल संरचना" शब्द समानार्थक शब्द के रूप में उपयोग किए जाते हैं, जो कड़ाई से नहीं है। ऐसे मामलों में जहां प्रेरक इकाई संरचना में अधिक जटिल है - इसमें दो या दो से अधिक परमाणु होते हैं, जाली और संरचना की कोई ज्यामितीय समानता नहीं होती है, और इन अवधारणाओं के बदलाव से त्रुटियां होती हैं। इसलिए, उदाहरण के लिए, मैग्नीशियम या हीरे की संरचना ज्यामितीय रूप से जाली के साथ मेल नहीं खाती है: इन संरचनाओं में, प्रेरक इकाइयों में दो परमाणु होते हैं।

क्रिस्टल संरचना की विशेषता वाले मुख्य पैरामीटर, जिनमें से कुछ परस्पर जुड़े हुए हैं, निम्नलिखित हैं:

क्रिस्टल जाली का प्रकार (सिरिंगोनी, ब्रावाइस जाली);

प्राथमिक सेल प्रति सूत्र इकाइयों की संख्या;

§ अंतरिक्ष समूह;

§ यूनिट सेल पैरामीटर (रैखिक आयाम और कोण);

एक सेल में परमाणुओं के निर्देशांक;

सभी परमाणुओं की समन्वय संख्या।

संरचनात्मक प्रकार

क्रिस्टल संरचनाएं जिनमें एक ही अंतरिक्ष समूह होता है और क्रिस्टल रासायनिक स्थितियों (कक्षाओं) में परमाणुओं की समान व्यवस्था संरचनात्मक प्रकारों में संयुक्त होती है।

सबसे प्रसिद्ध संरचनात्मक प्रकार तांबा, मैग्नीशियम, बी-लोहा, हीरा (सरल पदार्थ), सोडियम क्लोराइड, स्फालराइट, वर्टज़ाइट, सीज़ियम क्लोराइड, फ्लोराइट (बाइनरी यौगिक), पेरोव्स्काइट, स्पिनल (टर्नरी यौगिक) हैं।

क्रिस्टल सेल

इस ठोस को बनाने वाले कण एक क्रिस्टल जाली बनाते हैं। यदि क्रिस्टल जाली स्टीरियोमेट्रिक रूप से (स्थानिक रूप से) समान या समान (समान समरूपता) हैं, तो उनके बीच ज्यामितीय अंतर, विशेष रूप से, जाली नोड्स पर कब्जा करने वाले कणों के बीच अलग-अलग दूरी में होता है। कणों के बीच की दूरी को स्वयं जाली पैरामीटर कहा जाता है। जाली पैरामीटर, साथ ही ज्यामितीय पॉलीहेड्रा के कोण, संरचनात्मक विश्लेषण के भौतिक तरीकों द्वारा निर्धारित किए जाते हैं, उदाहरण के लिए, एक्स-रे संरचनात्मक विश्लेषण के तरीके।

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चावल। क्रिस्टल सेल

अक्सर ठोस क्रिस्टल जाली के एक से अधिक रूप (स्थितियों के आधार पर) बनते हैं; ऐसे रूपों को बहुरूपी संशोधन कहा जाता है। उदाहरण के लिए, सरल पदार्थों में, रंबिक और मोनोक्लिनिक सल्फर, ग्रेफाइट और हीरा जाना जाता है, जो कार्बन के हेक्सागोनल और क्यूबिक संशोधन हैं; जटिल पदार्थों में, क्वार्ट्ज, ट्राइडीमाइट और क्रिस्टोबलाइट सिलिकॉन डाइऑक्साइड के विभिन्न संशोधन हैं।

क्रिस्टल के प्रकार

आदर्श और वास्तविक क्रिस्टल को अलग करना आवश्यक है।

बिल्कुल सही क्रिस्टल

वास्तव में, यह एक गणितीय वस्तु है जिसमें पूर्ण समरूपता निहित है, आदर्श रूप से चिकनी चिकनी किनारों।

असली क्रिस्टल

इसमें हमेशा जाली की आंतरिक संरचना में विभिन्न दोष होते हैं, चेहरे पर विकृतियां और अनियमितताएं होती हैं और विशिष्ट विकास स्थितियों, खिला माध्यम की असमानता, क्षति और विरूपण के कारण पॉलीहेड्रॉन की कम समरूपता होती है। एक वास्तविक क्रिस्टल में आवश्यक रूप से क्रिस्टलोग्राफिक किनारों और एक नियमित आकार नहीं होता है, लेकिन यह अपनी मुख्य संपत्ति - क्रिस्टल जाली में परमाणुओं की नियमित स्थिति को बरकरार रखता है।

क्रिस्टल जाली दोष (क्रिस्टल की वास्तविक संरचना)

वास्तविक क्रिस्टल में, परमाणुओं की व्यवस्था में हमेशा आदर्श क्रम से विचलन होते हैं, जिन्हें अपूर्णता या जाली दोष कहा जाता है। उनके कारण होने वाली जाली गड़बड़ी की ज्यामिति के अनुसार, दोषों को बिंदु, रैखिक और सतह दोषों में विभाजित किया जाता है।

बिंदु दोष

अंजीर पर। 1.2.5 विभिन्न प्रकार के बिंदु दोषों को दर्शाता है। ये रिक्तियां हैं - खाली जाली स्थल, अंतराल में "स्वयं" परमाणु और जाली स्थलों और अंतरालों में अशुद्धता परमाणु। पहले दो प्रकार के दोषों के बनने का मुख्य कारण परमाणुओं की गति है, जिसकी तीव्रता बढ़ते तापमान के साथ बढ़ती जाती है।

चावल। 1.2.5 क्रिस्टल जाली में बिंदु दोष के प्रकार: 1 - रिक्ति, 2 - अंतराल में परमाणु, 3 और 4 - साइट और अंतराल में क्रमशः अशुद्धता परमाणु

किसी भी बिंदु दोष के आसपास, 1 ... 2 जाली अवधियों के त्रिज्या R के साथ एक स्थानीय जाली विरूपण होता है (चित्र 1.2.6 देखें), इसलिए, यदि ऐसे कई दोष हैं, तो वे अंतर-परमाणु बंधन के वितरण की प्रकृति को प्रभावित करते हैं। बल और, तदनुसार, क्रिस्टल के गुण।

चावल। 1.2.6. एक रिक्ति के आसपास क्रिस्टल जाली का स्थानीय विरूपण (ए) और एक जाली साइट पर एक अशुद्धता परमाणु (बी)

रेखा दोष

रैखिक दोषों को अव्यवस्था कहा जाता है। उनकी उपस्थिति क्रिस्टल के अलग-अलग हिस्सों में "अतिरिक्त" परमाणु अर्ध-विमान (अतिरिक्त-विमान) की उपस्थिति के कारण होती है। वे धातुओं के क्रिस्टलीकरण के दौरान (परमाणु परतों के भरने के क्रम के उल्लंघन के कारण) या उनके प्लास्टिक विरूपण के परिणामस्वरूप उत्पन्न होते हैं, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 1.2.7.

चावल। 1.2.7. बल की क्रिया के तहत क्रिस्टल के ऊपरी भाग के आंशिक बदलाव के परिणामस्वरूप किनारे की अव्यवस्था () का गठन: एबीसीडी - स्लिप प्लेन; EFGH - अतिरिक्त विमान; एन - एज डिस्लोकेशन लाइन

यह देखा जा सकता है कि कतरनी बल के प्रभाव में, एक निश्चित स्लिप प्लेन ("लाइट शीयर") ABCD के साथ क्रिस्टल के ऊपरी भाग का आंशिक बदलाव हुआ। नतीजतन, एक्स्ट्राप्लेन EFGH का गठन किया गया था। चूंकि यह नीचे जारी नहीं रहता है, इसके किनारे ईएच के आसपास कई अंतर-परमाणु दूरी (यानी 10 -7 सेमी - विषय 1.2.1 देखें) के साथ एक लोचदार जाली विरूपण होता है, लेकिन इस विकृति की सीमा कई गुना अधिक है (यह कर सकता है 0.1 ... 1 सेमी तक पहुंचें)।

एक्स्ट्राप्लेन के किनारे के आसपास क्रिस्टल की ऐसी अपूर्णता एक रैखिक जाली दोष है और इसे किनारे की अव्यवस्था कहा जाता है।

धातुओं के सबसे महत्वपूर्ण यांत्रिक गुण - शक्ति और प्लास्टिसिटी (विषय 1.1 देखें) - शरीर के लोड होने पर अव्यवस्थाओं की उपस्थिति और उनके व्यवहार से निर्धारित होते हैं।

आइए हम अव्यवस्थाओं के विस्थापन के तंत्र की दो विशेषताओं पर ध्यान दें।

1. विस्थापन बहुत आसानी से (कम भार पर) अतिरिक्त विमान के "रिले-रेस" आंदोलन के माध्यम से स्लिप प्लेन के साथ आगे बढ़ सकता है। अंजीर पर। 1.2.8 इस तरह के आंदोलन के प्रारंभिक चरण को दर्शाता है (किनारे की अव्यवस्था रेखा के लंबवत एक विमान में द्वि-आयामी ड्राइंग)।

चावल। 1.2.8 किनारे की अव्यवस्था () के रिले-रेस आंदोलन का प्रारंभिक चरण। ए-ए - स्लिप प्लेन, 1-1 अतिरिक्त प्लेन (शुरुआती स्थिति)

बल की क्रिया के तहत, अतिरिक्त-तल (1-1) के परमाणु विमान (2-3) से स्लिप प्लेन के ऊपर स्थित परमाणुओं (2-2) को फाड़ देते हैं। नतीजतन, ये परमाणु एक नया एक्स्ट्राप्लेन (2-2) बनाते हैं; "पुराने" एक्स्ट्राप्लेन (1-1) के परमाणु खाली स्थानों पर कब्जा कर लेते हैं, विमान (1-1-3) को पूरा करते हैं। इस अधिनियम का अर्थ है अतिरिक्त विमान (1-1) से जुड़े "पुराने" विस्थापन का गायब होना, और अतिरिक्त विमान (2-2) से जुड़े "नए" एक का उदय, या, दूसरे शब्दों में, एक "रिले बैटन" का स्थानांतरण - एक इंटरप्लानर दूरी के लिए एक विस्थापन। एक अव्यवस्था की ऐसी रिले-रेस गति तब तक जारी रहेगी जब तक कि यह क्रिस्टल के किनारे तक नहीं पहुंच जाती, जिसका अर्थ है कि इसके ऊपरी हिस्से को एक इंटरप्लानर दूरी (यानी, प्लास्टिक विरूपण) द्वारा स्थानांतरित कर दिया जाएगा।

इस तंत्र को अधिक प्रयास की आवश्यकता नहीं है, क्योंकि। इसमें क्रमिक माइक्रोडिस्प्लेसमेंट होते हैं जो एक्स्ट्राप्लेन के आसपास सीमित संख्या में परमाणुओं को प्रभावित करते हैं।

2. हालांकि, यह स्पष्ट है कि अव्यवस्थाओं के खिसकने में इतनी आसानी तभी देखी जा सकती है जब उनके रास्ते में कोई बाधा न हो। ऐसी बाधाएं किसी भी जाली दोष (विशेष रूप से रैखिक और सतह वाले!), साथ ही अन्य चरणों के कण हैं, यदि वे सामग्री में मौजूद हैं। ये बाधाएँ जालीदार विकृतियाँ पैदा करती हैं, जिन पर काबू पाने के लिए अतिरिक्त बाहरी प्रयासों की आवश्यकता होती है; इसलिए, वे अव्यवस्थाओं की गति को रोक सकते हैं, अर्थात। उन्हें गतिहीन बनाओ।

सतह दोष

सभी औद्योगिक धातुएं (मिश्र धातु) पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री हैं, अर्थात। बड़ी संख्या में छोटे (आमतौर पर 10 -2 ... 10 -3 सेमी), यादृच्छिक रूप से उन्मुख क्रिस्टल होते हैं, जिन्हें अनाज कहा जाता है। जाहिर है, इस तरह की सामग्री में प्रत्येक अनाज (एकल क्रिस्टल) में निहित जाली आवधिकता का उल्लंघन होता है, क्योंकि अनाज के क्रिस्टलोग्राफिक विमानों को एक दूसरे के सापेक्ष कोण 6 (चित्र 1.2.9 देखें) से घुमाया जाता है, जिसका मूल्य भिन्नों से कई दसियों डिग्री तक भिन्न होता है।

चावल। 1.2.9. पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री में अनाज की सीमाओं की संरचना की योजना

अनाज के बीच की सीमा 10 अंतर-परमाणु दूरी तक एक संक्रमण परत है, आमतौर पर परमाणुओं की अव्यवस्थित व्यवस्था के साथ। यह अव्यवस्थाओं, रिक्तियों, अशुद्धता परमाणुओं के संचय का स्थान है। इसलिए, एक पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री के थोक में, अनाज की सीमाएं द्वि-आयामी, सतह दोष हैं।

क्रिस्टल के यांत्रिक गुणों पर जाली दोषों का प्रभाव। धातुओं की शक्ति बढ़ाने के उपाय।

ताकत बाहरी भार की कार्रवाई के तहत विरूपण और विनाश का विरोध करने के लिए सामग्री की क्षमता है।

क्रिस्टलीय निकायों की ताकत को एक लागू भार के प्रतिरोध के रूप में समझा जाता है, जो दूसरे के सापेक्ष क्रिस्टल के एक हिस्से को स्थानांतरित करने या सीमा में फाड़ने के लिए जाता है।

धातुओं में मोबाइल अव्यवस्थाओं की उपस्थिति (पहले से ही क्रिस्टलीकरण की प्रक्रिया में, 10 6 तक ... 10 8 अव्यवस्थाएं 1 सेमी 2 के बराबर क्रॉस सेक्शन में दिखाई देती हैं) लोडिंग के लिए उनके कम प्रतिरोध की ओर ले जाती हैं, अर्थात। उच्च लचीलापन और कम ताकत।

जाहिर है, ताकत बढ़ाने का सबसे प्रभावी तरीका धातु से अव्यवस्थाओं को दूर करना है। हालाँकि, यह तरीका तकनीकी रूप से उन्नत नहीं है, क्योंकि अव्यवस्था मुक्त धातु केवल कई माइक्रोन के व्यास और 10 माइक्रोन तक की लंबाई के साथ पतले धागे (तथाकथित "मूंछ") के रूप में प्राप्त की जा सकती है।

इसलिए, व्यावहारिक सख्त तरीके मंदी पर आधारित हैं, जाली दोषों की संख्या में तेज वृद्धि (मुख्य रूप से रैखिक और सतह वाले!), साथ ही साथ मल्टीफ़ेज़ सामग्री के निर्माण से मोबाइल अव्यवस्थाओं को रोकना

धातुओं की शक्ति बढ़ाने के लिए ऐसी पारंपरिक विधियाँ हैं:

- प्लास्टिक विरूपण (काम सख्त या सख्त काम की घटना),

- थर्मल (और रासायनिक-थर्मल) उपचार,

- मिश्रधातु (विशेष अशुद्धियों का परिचय) और, सबसे आम दृष्टिकोण, मिश्र धातुओं का निर्माण है।

अंत में, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि मोबाइल अव्यवस्थाओं को अवरुद्ध करने के आधार पर ताकत में वृद्धि से लचीलापन और प्रभाव शक्ति में कमी आती है और तदनुसार, सामग्री की परिचालन विश्वसनीयता।

इसलिए, उत्पाद के उद्देश्य और परिचालन स्थितियों के आधार पर, सख्त होने की डिग्री के प्रश्न को व्यक्तिगत रूप से संबोधित किया जाना चाहिए।

शब्द के शाब्दिक अर्थ में बहुरूपता का अर्थ है बहुरूपता, अर्थात्। घटना जब एक ही रासायनिक संरचना के पदार्थ विभिन्न संरचनाओं में क्रिस्टलीकृत होते हैं और विभिन्न सिनगोगिया के क्रिस्टल बनाते हैं। उदाहरण के लिए, हीरे और ग्रेफाइट की रासायनिक संरचना समान होती है, लेकिन विभिन्न संरचनाएं, दोनों खनिज भौतिक रूप से भिन्न होते हैं। गुण। एक अन्य उदाहरण कैल्साइट और अर्गोनाइट है - उनके पास CaCO 3 की समान संरचना है लेकिन विभिन्न बहुरूपी संशोधनों का प्रतिनिधित्व करते हैं।

बहुरूपता की घटना क्रिस्टलीय पदार्थों के निर्माण की स्थितियों से जुड़ी है और इस तथ्य के कारण है कि विभिन्न थर्मोडायनामिक स्थितियों के तहत केवल कुछ संरचनाएं स्थिर होती हैं। तो, धातु टिन (तथाकथित सफेद टिन), जब तापमान -18 सी 0 से नीचे चला जाता है, अस्थिर हो जाता है और एक अलग संरचना के "ग्रे टिन" का निर्माण करता है।

समरूपता। धातु मिश्र परिवर्तनशील संरचना की क्रिस्टलीय संरचनाएं हैं, जिसमें एक तत्व के परमाणु दूसरे के क्रिस्टल जाली के अंतराल में स्थित होते हैं। ये दूसरी तरह के तथाकथित ठोस समाधान हैं।

दूसरे प्रकार के ठोस समाधानों के विपरीत, पहले प्रकार के ठोस समाधानों में, एक क्रिस्टलीय पदार्थ के परमाणुओं या आयनों को दूसरे के परमाणुओं या आयनों द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है। उत्तरार्द्ध क्रिस्टल जाली के नोड्स पर स्थित हैं। इस प्रकार के विलयन समरूपी मिश्रण कहलाते हैं।

समरूपता की अभिव्यक्ति के लिए आवश्यक शर्तें:

1) केवल एक ही चिन्ह के आयनों को बदला जा सकता है, अर्थात, धनायन के लिए धनायन, और आयनों के लिए आयन

2) केवल समान आकार के परमाणुओं या आयनों को बदला जा सकता है, अर्थात। आयनिक त्रिज्या में अंतर पूर्ण समरूपता के लिए 15% और अपूर्ण समरूपता के लिए 25% से अधिक नहीं होना चाहिए (उदाहरण के लिए, Ca 2+ से Mg 2+)

3) केवल आयन जो ध्रुवीकरण की डिग्री के करीब हैं (यानी, आयनिक-सहसंयोजक बंधन की डिग्री में) को बदला जा सकता है

4) केवल उन्हीं तत्वों को बदला जा सकता है जिनकी किसी क्रिस्टल संरचना में समान समन्वय संख्या होती है

5) इस तरह से आइसोमोर्फिक प्रतिस्थापन होना चाहिए। ताकि क्रिस्टल जालक का स्थिरवैद्युत संतुलन भंग न हो।

6) समरूपी प्रतिस्थापन जालक ऊर्जा वृद्धि की दिशा में आगे बढ़ते हैं।

समरूपता के प्रकार। समरूपता के 4 प्रकार हैं:

1) समसंयोजक समरूपता इस तथ्य की विशेषता है कि इस मामले में समान संयोजकता के आयन होते हैं, और आयनिक त्रिज्या के आकार में अंतर 15% से अधिक नहीं होना चाहिए

2) विषमसंयोजी समरूपता। इस मामले में, विभिन्न संयोजकता के आयनों का प्रतिस्थापन होता है। इस तरह के प्रतिस्थापन के साथ, क्रिस्टल जाली के इलेक्ट्रोस्टैटिक संतुलन को परेशान किए बिना एक आयन को दूसरे द्वारा प्रतिस्थापित नहीं किया जा सकता है, इसलिए, हेटेरोवैलेंट आइसोमोर्फिज्म के साथ, एक आयन को प्रतिस्थापित नहीं किया जाता है, जैसा कि हेटेरोवैलेंट आइसोमोर्फिज्म में होता है, लेकिन एक निश्चित वैलेंस के आयनों का एक समूह दूसरे के साथ समान कुल संयोजकता बनाए रखते हुए आयनों का समूह।

इस मामले में यह हमेशा याद रखना आवश्यक है कि एक आयन के एक आयन के लिए दूसरे के आयन के लिए प्रतिस्थापन हमेशा वैलेंस मुआवजे से जुड़ा होता है। यह मुआवजा यौगिकों के धनायन और आयनिक दोनों भागों में हो सकता है। इस मामले में, निम्नलिखित शर्तों को पूरा किया जाना चाहिए:

ए) प्रतिस्थापित आयनों की संयोजकता का योग प्रतिस्थापन आयनों की संयोजकता के योग के बराबर होना चाहिए।

बी) प्रतिस्थापन आयनों की आयनिक त्रिज्या का योग प्रतिस्थापन आयनों के आयनिक त्रिज्या के योग के करीब होना चाहिए और इससे 15% से अधिक नहीं हो सकता है (पूर्ण समरूपता के लिए)

3) आइसोस्ट्रक्चरल। एक आयन का दूसरे के लिए प्रतिस्थापन नहीं है, या दूसरे समूह के लिए आयनों का एक समूह है, लेकिन एक क्रिस्टल जाली के पूरे "ब्लॉक" को उसी "ब्लॉक" के दूसरे के साथ बदलना है। यह केवल तभी हो सकता है जब खनिजों की संरचनाएं एक ही प्रकार की हों और उनमें समान इकाई सेल आकार हों।

4) एक विशेष प्रकार का समरूपता।

क्रिस्टल जाली दोष अव्यवस्था

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चावल। 17. बर्फ के टुकड़े - कंकाल बर्फ के क्रिस्टल

अनुभव से यह ज्ञात होता है कि एक क्रिस्टलीय पदार्थ में भौतिक गुण समानांतर दिशाओं में समान होते हैं, और पदार्थों की संरचना के विचार के लिए आवश्यक है कि क्रिस्टल बनाने वाले कण (अणु, परमाणु या आयन) एक से स्थित हों कुछ निश्चित दूरी पर दूसरा। इन मान्यताओं के आधार पर, क्रिस्टलीय संरचना का एक ज्यामितीय आरेख बनाना संभव है। ऐसा करने के लिए, प्रत्येक घटक कण की स्थिति को एक बिंदु के साथ चिह्नित किया जा सकता है। सभी क्रिस्टलीयइमारत को नियमित रूप से अंतरिक्ष में स्थित बिंदुओं की एक प्रणाली के रूप में प्रस्तुत किया जाएगा, और किसी भी समानांतरबिंदुओं के बीच की दूरी की दिशाएं समान होंगी। अंतरिक्ष में बिंदुओं की ऐसी सही व्यवस्था कहलाती है

स्थानिक जाली, और यदि प्रत्येक बिंदु एक क्रिस्टल में एक परमाणु, आयन या अणु की स्थिति का प्रतिनिधित्व करता है - एक क्रिस्टल जाली।

एक स्थानिक जाली के निर्माण की कल्पना इस प्रकार की जा सकती है।

ए 0(चित्र 18) एक परमाणु या आयन के केंद्र को दर्शाता है। मान लीजिए कि इसके निकटतम केंद्र को बिंदु A द्वारा दर्शाया गया है, फिर, क्रिस्टलीय की समरूपता के आधार पर, कुछ दूरी पर ए 1 ए 2 \u003d ए 0 ए 1केंद्र होना चाहिए ए 2 ;इस तर्क को आगे जारी रखते हुए, हम अंक की एक श्रृंखला प्राप्त कर सकते हैं: ए 0, ए 1, ए 2, ए 3 ...

आइए मान लें कि का निकटतम बिंदु ए 0दूसरी दिशा में होगा आर0,तो एक कण होना चाहिए S0दूरी पर आर 0 एस 0= एल 0 आर 0, आदि, यानी समान बिंदुओं की एक और पंक्ति प्राप्त की जाएगी ए 0, आर 0, एस 0... अगर के माध्यम से आर 0, एस 0आदि। A 0, A 1, A 2 के समानांतर रेखाएँ खींचते हैं, आपको समान पंक्तियाँ मिलती हैं आर 0 , आर 1 , आर 2 , एस 0, एस 1, एस 2 ... आदि

चावल। 18. स्थानिक जाली

निर्माण के परिणामस्वरूप, एक ग्रिड प्राप्त किया गया था, जिसके नोड्स क्रिस्टल बनाने वाले कणों के केंद्रों के अनुरूप होते हैं।

अगर हम कल्पना करें कि हर बिंदु पर 0 . परसह, आदि, उसी ग्रिड को ए 0 के रूप में बहाल किया जाता है, इस निर्माण के परिणामस्वरूप, एक स्थानिक जाली प्राप्त की जाएगी, जो एक निश्चित अर्थ में क्रिस्टल की ज्यामितीय संरचना को व्यक्त करेगी।

क्रिस्टल क्या हैं

महान रूसी क्रिस्टलोग्राफर ई.एस. फेडोरोव द्वारा निर्मित स्थानिक जाली के सिद्धांत को एक्स-रे का उपयोग करके क्रिस्टल की संरचना के अध्ययन में शानदार पुष्टि मिली। ये अध्ययन न केवल स्थानिक जाली के चित्र प्रदान करते हैं, बल्कि उनके नोड्स में स्थित कणों के बीच अंतराल की सटीक लंबाई भी प्रदान करते हैं।

चावल। 19. हीरा संरचना

यह पता चला कि कई प्रकार के स्थानिक जाली हैं जो कणों की व्यवस्था की प्रकृति और उनकी रासायनिक प्रकृति दोनों में भिन्न हैं।

हम निम्नलिखित प्रकार के स्थानिक जालकों पर ध्यान देते हैं:

परमाणु संरचनात्मक जाली। इन जाली के नोड्स पर, किसी भी पदार्थ या तत्व के परमाणु स्थित होते हैं, जो एक क्रिस्टल जाली में सीधे एक दूसरे से जुड़ते हैं। इस प्रकार की जाली हीरे, जस्ता मिश्रण और कुछ अन्य खनिजों के लिए विशिष्ट है (चित्र 19 और 20 देखें)।

आयनिक संरचनात्मक जाली। इन जालकों के नोड्स में आयन होते हैं, अर्थात्, परमाणु जिनका धनात्मक या ऋणात्मक आवेश होता है।

अकार्बनिक यौगिकों के लिए आयनिक जाली आम हैं, जैसे क्षार धातु हैलोजन, सिलिकेट, आदि।

एक उत्कृष्ट उदाहरण सेंधा नमक (NaCl) (चित्र। 21) की जाली है। इसमें सोडियम आयन (Na) तीन परस्पर लंबवत दिशाओं में 0.28 मिलीमीटर के बराबर अंतराल पर क्लोराइड आयनों (Cl) के साथ वैकल्पिक होते हैं।

चावल। 20. जिंक मिश्रण की संरचना

समान संरचना वाले क्रिस्टलीय पदार्थों में, अणु में परमाणुओं के बीच का अंतराल अणुओं के बीच के अंतराल के बराबर होता है, और अणु की अवधारणा ही ऐसे क्रिस्टल के लिए अपना अर्थ खो देती है। अंजीर पर। 20 प्रत्येक सोडियम आयन में है

ऊपर, नीचे, दाएं, बाएं, आगे और पीछे से समान दूरी पर, एक क्लोरीन आयन, जो इस "अणु" और पड़ोसी "अणुओं" दोनों से संबंधित है, और यह कहना असंभव है इन छह में से कौन सा विशेष क्लोरीन आयन एक अणु का निर्माण करता है या गैसीय अवस्था में संक्रमण पर इसका गठन करेगा।

ऊपर वर्णित प्रकारों के अलावा, आणविक संरचनात्मक जाली हैं, जिनमें से नोड्स में परमाणु या आयन नहीं होते हैं, लेकिन अलग, विद्युत रूप से तटस्थ अणु होते हैं। आणविक जाली विशेष रूप से विभिन्न कार्बनिक यौगिकों के लिए विशिष्ट हैं या, उदाहरण के लिए, "सूखी बर्फ" के लिए - क्रिस्टलीय सीओ 2।

चावल। 21. सेंधा नमक की क्रिस्टल जाली

इस तरह के जाली की संरचनात्मक इकाइयों के बीच कमजोर ("अवशिष्ट") बंधन ऐसे जाली की कम यांत्रिक शक्ति, उनके कम पिघलने और क्वथनांक को निर्धारित करते हैं। ऐसे क्रिस्टल भी होते हैं जो विभिन्न प्रकार के जालकों को मिलाते हैं। कुछ दिशाओं में, कणों के बंधन आयनिक (वैलेंस) होते हैं, और अन्य में, आणविक (अवशिष्ट)। यह संरचना अलग-अलग दिशाओं में अलग-अलग यांत्रिक शक्ति की ओर ले जाती है, जिससे यांत्रिक गुणों का तेज अनिसोट्रॉपी होता है। इस प्रकार, मोलिब्डेनाइट (MoS 2) क्रिस्टल आसानी से पिनाकोइड (0001) दिशा के साथ विभाजित हो जाते हैं और इस खनिज के क्रिस्टल को ग्रेफाइट क्रिस्टल के समान एक टेढ़ा रूप देते हैं, जहां एक समान संरचना पाई जाती है। (0001) के लंबवत दिशा में कम यांत्रिक शक्ति का कारण इस दिशा में आयनिक बंधों की अनुपस्थिति है। यहां की जाली की अखंडता केवल आणविक (अवशिष्ट) प्रकृति के बंधों द्वारा बनाए रखी जाती है।

उपरोक्त सभी को ध्यान में रखते हुए, यह करना आसान हैएक अनाकार पदार्थ की आंतरिक संरचना के बीच एक समानांतर, एक तरफ, और एक क्रिस्टलीय एक, दूसरी तरफ:

1. एक अनाकार पदार्थ में, कणों को अव्यवस्थित रूप से व्यवस्थित किया जाता है, जैसे कि तरल की आंशिक रूप से अराजक अवस्था को ठीक करना; इसलिए, कुछ शोधकर्ता, उदाहरण के लिए, सुपरकूल्ड तरल पदार्थ कहते हैं।

2. एक क्रिस्टलीय पदार्थ में, कणों को व्यवस्थित तरीके से व्यवस्थित किया जाता है और स्थानिक जाली के नोड्स पर एक निश्चित स्थान पर कब्जा कर लिया जाता है।

क्रिस्टलीय और ग्लासी (अनाकार) पदार्थ के बीच के अंतर की तुलना अनुशासित सैन्य इकाई और बिखरी हुई भीड़ के बीच के अंतर से की जा सकती है। स्वाभाविक रूप से, क्रिस्टलीय अवस्था अनाकार अवस्था की तुलना में अधिक स्थिर होती है, और एक अनाकार पदार्थ अधिक आसानी से घुल जाएगा, रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करेगा या पिघल जाएगा। प्राकृतिक लोग हमेशा एक क्रिस्टलीय संरचना प्राप्त करते हैं, "क्रिस्टलाइज़", उदाहरण के लिए (अनाकार सिलिका) अंततः चैलेडोनी - क्रिस्टलीय सिलिका में बदल जाता है।

क्रिस्टलीय अवस्था में एक पदार्थ आमतौर पर अनाकार रूप की तुलना में कुछ कम मात्रा में होता है, और इसका विशिष्ट गुरुत्व अधिक होता है; उदाहरण के लिए, एल्बाइट - फेल्डस्पार रचना NaAlSi 3 O 8 एक अनाकार अवस्था में 10 घन मीटर लेती है। इकाइयाँ, और क्रिस्टल में - केवल 9; एक सेमी 3क्रिस्टलीय सिलिका (क्वार्ट्ज) का वजन 2.54 जी,और कांच के सिलिका (फ्यूज्ड क्वार्ट्ज) की समान मात्रा केवल 2.22 . है जी।एक विशेष मामला बर्फ है, जिसमें समान मात्रा में ली गई तुलना में कम विशिष्ट गुरुत्व होता है।

एक्स-रे के साथ क्रिस्टल का अध्ययन रे

क्रिस्टलीय पदार्थ में भौतिक गुणों के वितरण में नियमितता के कारणों का प्रश्न, क्रिस्टल की आंतरिक संरचना का प्रश्न पहली बार 1749 में साल्टपीटर का उदाहरण के रूप में एम.वी. द्वारा प्रयास किया गया था। यह प्रश्न तब और अधिक व्यापक रूप से पहले से ही 18वीं शताब्दी के अंत में विकसित हो चुका था। फ्रांसीसी क्रिस्टलोग्राफर अयूई। आयुई ने सुझाव दिया कि प्रत्येक पदार्थ का एक विशिष्ट क्रिस्टलीय रूप होता है। इस स्थिति को बाद में समरूपता और बहुरूपता की घटनाओं की खोज से खारिज कर दिया गया था। खनिज विज्ञान में महत्वपूर्ण भूमिका निभाने वाली इन परिघटनाओं पर हम कुछ समय बाद विचार करेंगे।

रूसी क्रिस्टलोग्राफर ई.एस. फेडोरोव और कुछ अन्य क्रिस्टलोग्राफरों के काम के लिए धन्यवाद, पिछले अध्याय में संक्षेप में उल्लिखित स्थानिक जाली के सिद्धांत को गणितीय रूप से विकसित किया गया था, और क्रिस्टल के आकार के अध्ययन के आधार पर, संभावित प्रकार के स्थानिक जाली व्युत्पन्न किए गए थे। ; लेकिन केवल 20वीं शताब्दी में, एक्स-रे द्वारा क्रिस्टल के अध्ययन के लिए धन्यवाद, इस सिद्धांत का प्रयोगात्मक रूप से परीक्षण किया गया और शानदार ढंग से पुष्टि की गई। कई भौतिक विज्ञानी: लाउ, ब्रैगम, जी.वी. वुल्फ, और अन्य, स्थानिक जाली के सिद्धांत का उपयोग करते हुए, पूर्ण निश्चितता के साथ यह साबित करने में सफल रहे कि कुछ मामलों में क्रिस्टल जाली के नोड्स पर परमाणु होते हैं, और अन्य में, अणु या आयन।

1895 में रोएंटजेन द्वारा खोजी गई किरणें, जो उनके नाम पर हैं, एक प्रकार की उज्ज्वल ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करती हैं और कई मायनों में,वे प्रकाश की किरणों से मिलते जुलते हैं, केवल उनकी तरंग दैर्ध्य में भिन्न होते हैं, जो प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से कई हजार गुना छोटा होता है।

चावल। 22. ल्यू विधि का उपयोग करके क्रिस्टल का एक्स-रे विवर्तन पैटर्न प्राप्त करने की योजना:
ए - एक्स-रे ट्यूब; बी - डायाफ्राम; सी - क्रिस्टल; डी - फोटोग्राफिक प्लेट

1912 में, लाउ ने एक क्रिस्टल का उपयोग किया, जहां परमाणुओं को एक स्थानिक जाली में व्यवस्थित किया जाता है, एक्स-रे हस्तक्षेप प्राप्त करने के लिए एक विवर्तन झंझरी के रूप में। उनके शोध में, समानांतर एक्स-रे (चित्र 22) का एक संकीर्ण बीम जस्ता मिश्रण सी के एक पतले क्रिस्टल के माध्यम से पारित किया गया था। क्रिस्टल से कुछ दूरी पर औरएक फोटोग्राफिक प्लेट डी को किरणों की किरण के लंबवत रखा गया था, जो पार्श्व एक्स-रे की सीधी क्रिया से और दिन के उजाले से लेड स्क्रीन से सुरक्षित थी।

कई घंटों तक लंबे समय तक एक्सपोजर के साथ, प्रयोगकर्ताओं ने अंजीर के समान एक तस्वीर प्राप्त की। 23.

परमाणुओं के आकार की तुलना में बड़ी तरंग दैर्ध्य वाली प्रकाश किरणों के लिए, स्थानिक जाली के परमाणु ग्रिड व्यावहारिक रूप से निरंतर विमानों की भूमिका निभाते हैं, और प्रकाश किरणें क्रिस्टल की सतह से पूरी तरह से परावर्तित होती हैं। एक दूसरे से कुछ निश्चित दूरी पर स्थित कई परमाणु ग्रिडों से परावर्तित होने वाली बहुत छोटी एक्स-रे, एक ही दिशा में जा रही हैं, हस्तक्षेप करेंगी, कमजोर होंगी, फिर एक-दूसरे को मजबूत करेंगी। उनके रास्ते में रखी गई एक फोटोग्राफिक प्लेट पर, प्रवर्धित किरणें क्रिस्टल की आंतरिक संरचना के साथ निकट संबंध में, नियमित रूप से व्यवस्थित, लंबे समय तक प्रदर्शन के दौरान काले धब्बे देंगी, अर्थात, इसके परमाणु नेटवर्क के साथ और व्यक्तिगत परमाणुओं की विशेषताओं के साथ। इस में।

यदि हम एक क्रिस्टल से कटी हुई प्लेट को एक निश्चित क्रिस्टलोग्राफिक दिशा में लेते हैं और उसके साथ वही प्रयोग करते हैं, तो क्रिस्टल संरचना की समरूपता के अनुरूप एक पैटर्न एक्स-रे पैटर्न पर दिखाई देगा।

सघन परमाणु नेटवर्क सबसे गहरे धब्बों के अनुरूप हैं। परमाणुओं के साथ विरल रूप से बैठे चेहरे कमजोर अंक देते हैं या लगभग कोई नहीं। इस तरह के एक्स-रे पर केंद्रीय स्थान प्लेट से गुजरने वाली एक्स-रे से प्राप्त होता है

चावल। 23. सेंधा नमक क्रिस्टल के चौथे क्रम के अक्ष के साथ एक्स-रे विवर्तन

सीधे रास्ते पर; शेष धब्बे परमाणु ग्रिड से परावर्तित किरणें बनाते हैं।

अंजीर पर। 23 एक सेंधा नमक क्रिस्टल की एक एक्स-रे तस्वीर दिखाता है जिसमें से एक प्लेट को लगभग 3 . काटा गया था मिमीघन के फलक के समानांतर मोटाई। बीच में एक बड़ा स्थान दिखाई देता है - किरणों के केंद्रीय बीम का एक निशान।

छोटे धब्बों की व्यवस्था सममित है और एक 4-क्रम समरूपता अक्ष और चार समरूपता विमानों के अस्तित्व को इंगित करती है।

दूसरा चित्रण (चित्र 24) कैल्साइट क्रिस्टल के एक्स-रे विवर्तन पैटर्न को दर्शाता है। चित्र को तीसरे क्रम के समरूपता अक्ष की दिशा में लिया गया था। अक्षरों में हेदूसरे क्रम की सममिति के अक्षों के सिरों को दर्शाया गया है।

वर्तमान में, क्रिस्टलीय निकायों की संरचना का अध्ययन करने के लिए विभिन्न विधियों का उपयोग किया जाता है। लाउ विधि की एक अनिवार्य विशेषता, संक्षेप में ऊपर वर्णित है, गुजरने वाले एक्स-रे बीम के संबंध में सटीक रूप से उन्मुख बड़े क्रिस्टल का उपयोग है।

यदि बड़े क्रिस्टल का उपयोग करना असंभव है, तो आमतौर पर "पाउडर विधि" (डेबी-शेरर विधि) का उपयोग किया जाता है। इस विधि का सबसे बड़ा लाभ यह है कि इसमें बड़े क्रिस्टल की आवश्यकता नहीं होती है। परीक्षण से पहले, सूक्ष्म रूप से विभाजित अवस्था में परीक्षण पदार्थ को आमतौर पर एक छोटे कॉलम में दबाया जाता है। इस पद्धति का उपयोग न केवल संपीड़ित पाउडर का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है, बल्कि तार के रूप में तैयार धातु के नमूनों पर भी काम करने के लिए किया जा सकता है, अगर उनके क्रिस्टल काफी छोटे हैं।

बड़ी संख्या में क्रिस्टल की उपस्थिति में, प्रत्येक क्रिस्टल के किसी भी चेहरे से प्रतिबिंब हो सकता है। इसलिए, "पाउडर विधि" द्वारा प्राप्त एक्स-रे पैटर्न में, आमतौर पर अध्ययन के तहत पदार्थ की एक विशेषता देते हुए लाइनों की एक श्रृंखला प्राप्त की जाती है।

क्रिस्टल का अध्ययन करने के लिए एक्स-रे के उपयोग के लिए धन्यवाद, क्रिस्टल के अंदर अणुओं, आयनों और परमाणुओं के वास्तविक स्थान के क्षेत्र में प्रवेश करना और न केवल परमाणु जाली के आकार को निर्धारित करना, बल्कि बीच की दूरी को भी निर्धारित करना संभव था। कण जो इसे बनाते हैं।

एक्स-रे का उपयोग करके क्रिस्टल की संरचना के अध्ययन ने इस क्रिस्टल को बनाने वाले आयनों के स्पष्ट आकार को निर्धारित करना संभव बना दिया। एक आयन की त्रिज्या का मान निर्धारित करने की विधि, या, जैसा कि वे आमतौर पर कहते हैं, आयनिक त्रिज्या, निम्नलिखित उदाहरण से स्पष्ट होगी। एक ओर MgO, MgS और MgSe और दूसरी ओर MnO, MnS और MnSe जैसे क्रिस्टल के अध्ययन ने निम्नलिखित अंतर-आयनिक दूरियाँ दीं:

के लिये

एमजीओ -2.10 एमएनओ - 2.24 Å

एमजीएस - 2.60 और एमएनएस - 2.59

एमजीएसई - 2.73 एमएनएसए - 2.73 ,

जहां Å-एक मिलीमीटर के दस लाखवें हिस्से के बराबर "एंगस्ट्रॉम" का मान दर्शाता है।

दिए गए मानों की तुलना से पता चलता है कि MgO और MnO यौगिकों में अंतर-दूरी के लिए, Mg और Mn आयनों के आकार एक निश्चित भूमिका निभाते हैं। अन्य यौगिकों में, यह देखा गया है कि S और Se आयनों के बीच की दूरी इनपुट पर निर्भर नहीं करती हैएक अन्य आयन, जो यौगिकों से जुड़ता है, और S और Se आयन एक दूसरे के संपर्क में आते हैं, जिससे आयनों की सघन पैकिंग होती है।

चावल। 24. तीसरे क्रम के अक्ष पर कैल्साइट क्रिस्टल का एक्स-रे पैटर्न

गणना एस -2 के लिए 1.84 की आयनिक त्रिज्या देती है,

एक से -2 - 1.93 के लिए। आयनिक त्रिज्या S-2 और Se-2 को जानकर, कोई अन्य आयनों की आयनिक त्रिज्याओं की गणना भी कर सकता है। अतः O2 में एक आयनिक है

त्रिज्या 1.32Å के बराबर। एफ -1 - 1.33Å, ना + एल -0.98Å, सीए + 2 - 1.06,

K +1 - 1.33, Mg +2 -0.78Å, Al +3 -0.57Å, Si +4 - 0.39Å, आदि। आयनिक त्रिज्या का मान समरूपता और बहुरूपता में एक बड़ी भूमिका निभाता है, जिस पर चर्चा की जाएगी संबंधित खंड।

खनिजों के एक्स-रे संरचनात्मक अध्ययन ने खनिजों की संरचना को समझने और अन्य महत्वपूर्ण गुणों, जैसे कि दरार, अपवर्तक सूचकांक, आदि के साथ उनकी संरचना और संरचना के संबंध को समझने के मामले में आधुनिक खनिज विज्ञान को बहुत उन्नत किया है। का महत्व एक्स-रे द्वारा खनिजों का अध्ययन निम्नलिखित वाक्यांश द्वारा खूबसूरती से व्यक्त किया गया है: खनिज जहां तक ​​​​किसी भवन को बाहर से देखकर अध्ययन किया जा सकता है, और रसायनज्ञों ने इसे नष्ट करके और फिर अलग-अलग सामग्रियों का अध्ययन करके इस इमारत को जानने की कोशिश की। इसमें से, पहली बार एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण ने हमें इमारत में प्रवेश करने और इसकी आंतरिक स्थिति और सजावट का निरीक्षण करने की अनुमति दी।"

क्रिस्टल की संरचना के विषय पर लेख

क्रिस्टलोग्राफी के विकास की शुरुआत में ही क्रिस्टल की आंतरिक संरचना जीवंत चर्चा का विषय थी। XVIII सदी में। आर जे हेयू, इस तथ्य के आधार पर कि कैल्साइट मनमाने ढंग से छोटे रंबोहेड्रॉन में विभाजित हो सकता है, ने सुझाव दिया कि इस खनिज के क्रिस्टल इस तरह की अनगिनत छोटी ईंटों से बने होते हैं और अन्य सभी चेहरे, रंबोहेड्रॉन के चेहरे के अलावा, बनते हैं संबंधित "दीवार" के तल से इन ईंटों का एक नियमित "रिट्रीट", ताकि अनियमितताएं इतनी छोटी हों कि चेहरे वैकल्पिक रूप से चिकने दिखाई दें। सूचकांकों की तर्कसंगतता के नियम की स्थापना, जो सभी क्रिस्टल के लिए मान्य है, ने यह बिल्कुल स्पष्ट कर दिया कि सभी क्रिस्टल इस तरह से बनाए गए हैं, अर्थात, प्राथमिक कोशिकाओं की अंतहीन पुनरावृत्ति द्वारा। हालांकि, पदार्थ की परमाणु संरचना के बारे में ज्ञान के विस्तार ने यह स्पष्ट कर दिया है कि प्राथमिक सेल को गजुय की ठोस ईंट नहीं माना जा सकता है; बल्कि, इसकी तुलना एक पैटर्न के एक तत्व से की जा सकती है - एक त्रि-आयामी "आकृति", जिसकी बार-बार पुनरावृत्ति एक संपूर्ण क्रिस्टल बनाती है: ठीक उसी तरह जैसे दीवार वॉलपेपर पैटर्न में दो-आयामी आकृति दोहराई जाती है। पैटर्न का यह त्रि-आयामी तत्व क्रिस्टल की प्राथमिक कोशिका है। यूनिट सेल में प्रवेश करने वाले परमाणु परिणामी क्रिस्टल की संरचना निर्धारित करते हैं, और सेल में उनका स्थान और उनका आकार परिणामी क्रिस्टल आकारिकी को निर्धारित करता है। इसलिए, क्रिस्टल में छह गुना से अधिक पांच गुना समरूपता और समरूपता की अनुपस्थिति के कारण को समझना आसान है: यहां तक ​​​​कि केवल एक विमान की बात करते हुए, यह कल्पना करना आसान है कि केवल एक ही आंकड़े जो विमान को सही ढंग से भर सकते हैं, केवल वर्ग हो सकते हैं, आयत, समांतर चतुर्भुज, समबाहु त्रिभुज और नियमित षट्भुज।

इस प्रकार की त्रि-आयामी संरचनाओं का ज्यामितीय सिद्धांत पिछली शताब्दी में पूरी तरह से विकसित हुआ था। हालाँकि, हमारी सदी के पहले दशक के अंत तक, क्रिस्टलोग्राफर इन संरचनाओं का सीधे अध्ययन नहीं कर सके और अच्छी तरह से जानते थे कि यह दृश्य प्रकाश की तरंग दैर्ध्य की तुलना में इकाई कोशिकाओं के छोटे आकार के कारण था। 1912 में, एम. वॉन लाउ और उनके सहायकों ने पहली बार साबित किया कि क्रिस्टल से गुजरने वाली एक्स-रे किरण विवर्तन से गुजरती है। विवर्तित बीम ने फोटोग्राफिक प्लेट पर धब्बों से युक्त एक पैटर्न बनाया, जिसकी समरूपता सीधे उस क्रिस्टल की समरूपता से संबंधित थी जो इस बीम के मार्ग में थी। क्रिस्टल संरचनाओं के अध्ययन के साधन के रूप में लाउ विधि में सुधार किया गया है और अन्य तरीकों से प्रतिस्थापित किया गया है जो क्रिस्टल एक्स-रे विशेषज्ञों को अधिकांश क्रिस्टलीय पदार्थों के यूनिट सेल के आकार और आकार के साथ-साथ सामग्री के स्थान को निर्धारित करने की अनुमति देता है। यह सेल। एक्स-रे पाउडर विवर्तन में, एक एक्स-रे बीम सामग्री के एक छोटे से नमूने के माध्यम से पारित किया जाता है जिसे बहुत महीन पाउडर में पीस दिया गया है। एक डिफ्रेक्टोग्राम (डेबेग्राम) प्राप्त होता है, जो रेखाओं का एक पैटर्न होता है, जिसका वितरण और तीव्रता क्रिस्टल संरचना की विशेषता होती है; रत्नों की प्रामाणिकता निर्धारित करने के लिए यह विधि बहुत उपयोगी साबित हुई (आवश्यक छोटी मात्रा में सामग्री को बिना किसी महत्वपूर्ण नुकसान के कटे हुए पत्थर की कमर से निकाला जा सकता है)। हालांकि, हमें यहां ऐसी सभी विधियों का विस्तार से वर्णन करने की आवश्यकता नहीं है, हालांकि एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण के कुछ परिणामों का ज्ञान कीमती सामग्री के गुणों को समझने के लिए उपयोगी है।