1.4. Llojet kryesore të strukturave kristalore

Rregullimi pikësor i atomeve në rrjetat hapësinore është i thjeshtuar dhe i papërshtatshëm për studimin e strukturave kristalore kur përcaktohet distanca midis atomeve ose joneve më të afërt. Sidoqoftë, vetitë fizike të strukturave kristalore varen nga natyra kimike e substancave, madhësia e atomeve (joneve) dhe forcat e ndërveprimit midis tyre. Prandaj, në të ardhmen do të supozojmë se atomet ose jonet kanë formën e një topi dhe karakterizohen nga rreze efektive, duke kuptuar me të rrezen e sferës së ndikimit të tyre, e barabartë me gjysmën e distancës midis dy atomeve fqinje më të afërt ose joneve të të njëjtit lloj. Në një rrjetë kub, rrezja atomike efektive është 0/2.

Rrezja efektive ka eigjenvlera të ndryshme në secilën strukturë të veçantë dhe varet nga natyra dhe numri i atomeve fqinje. Rrezet atomike të elementeve të ndryshëm mund të krahasohen vetëm kur ato formojnë kristale me të njëjtin numër koordinimi. Numri i koordinimit z i një atomi të caktuar (jonit) është numri i atomeve (joneve) më të afërt të ngjashëm që e rrethojnë atë në strukturën kristalore. Duke lidhur mendërisht qendrat e grimcave fqinje me njëra-tjetrën me vija të drejta, marrim

poliedri i koordinimit; në këtë rast, atomi (jon), për të cilin është ndërtuar një shumëfaqësh i tillë, ndodhet në qendër të tij.

Numri i koordinimit dhe raporti i rrezeve efektive të grimcave janë të lidhura me njëri-tjetrin në një mënyrë të caktuar: sa më i vogël të jetë ndryshimi në madhësitë e grimcave, aq më i madh është z.

Në varësi të strukturës kristalore (lloji i grilës), z mund të ndryshojë nga 3 në 12. Siç do të tregohet më poshtë, në strukturën e diamantit z = 4, në kripën e gurit z = 6 (çdo jon natriumi është i rrethuar nga gjashtë jone klorur) . Për metalet, numri i koordinimit z = 12 është tipik, për gjysmëpërçuesit kristalorë z = 4 ose z = 6. Për lëngjet, numri i koordinimit përcaktohet statistikisht si numri mesatar i fqinjëve më të afërt të çdo atomi.

Numri i koordinimit lidhet me densitetin e paketimit të atomeve në strukturën kristalore. Dendësia relative e paketimit–

është raporti i vëllimit të zënë nga atomet me vëllimin e përgjithshëm të strukturës. Sa më i lartë të jetë numri i koordinimit, aq më i lartë është dendësia relative e paketimit.

Seksioni 1. Bazat e kristalografisë fiziko-kimike

Rrjeta kristalore tenton të ketë një minimum energjie të lirë. Kjo është e mundur vetëm nëse secila grimcë ndërvepron me numrin maksimal të mundshëm të grimcave të tjera. Me fjalë të tjera, numri i koordinimit duhet të jetë maksimumi m. Tendenca për të mbyllur paketimin është karakteristikë për të gjitha llojet e strukturave kristalore.

Konsideroni një strukturë planare të përbërë nga atome të së njëjtës natyrë që prekin njëri-tjetrin dhe mbushin pjesën më të madhe të hapësirës. Në këtë rast, është e mundur vetëm një mënyrë e paketimit më të afërt të atomeve ngjitur me njëri-tjetrin: rreth qendrës.

qendrat e gravitetit bien mbi zbrazëtirat e shtresës së parë. Kjo shihet qartë në imazhin e djathtë në Fig. 1.10, a (pamje nga lart), ku projeksionet e atomeve të shtresës së dytë janë lyer me gri të zbehtë. Atomet e shtresës së dytë formojnë një trekëndësh bazë (treguar nga një vijë e fortë) me majën e drejtuar lart.

Oriz. 1.10. Sekuenca e shtresave kur paketohen topa me madhësi të njëjtë në struktura të dy llojeve: (a) ABAB... me paketim të ngushtë gjashtëkëndor (HCP); b - ABSABC... me paketimin më të dendur kub (K PU), duke dhënë një rrjetë kub (fcc) të përqendruar në fytyrë. Për qartësi, shtresa e tretë dhe e katërt tregohen të mbushura jo të plota.

Kapitulli 1. Elementet e fizikës kristalore

Atomet e shtresës së tretë mund të vendosen në dy mënyra. Nëse qendrat e gravitetit të atomeve të shtresës së tretë janë mbi qendrat e gravitetit të atomeve të shtresës së parë, atëherë shtrimi i shtresës së parë do të përsëritet (Fig. 1.10, a). Struktura që rezulton është paketim i ngushtë gjashtëkëndor(GPU). Mund të përfaqësohet si një sekuencë shtresash ABABABAB ... në drejtim të boshtit Z.

Nëse atomet e shtresës së tretë C (treguar me gri të errët në të djathtë në Fig. 1.10, b) ndodhen mbi zbrazëtirat e tjera të shtresës së parë dhe formojnë një trekëndësh bazë të rrotulluar 180º në raport me shtresën B (treguar me një vijë me pika) , dhe shtresa e katërt është identike me të parën, atëherë paraqitet struktura që rezulton paketim kub më i dendur(FCC), e cila korrespondon me një strukturë kubike të përqendruar në fytyrë (FCC) me një sekuencë shtresash ABSABCABSABC ... në drejtim të boshtit Z.

Për paketimet më të dendura, z = 12. Kjo shihet qartë në shembullin e topit qendror në shtresën B: mjedisi i tij më i afërt përbëhet nga gjashtë topa të shtresës A dhe tre topa poshtë dhe sipër saj në shtresat B.

(Fig. 1.10, a).

Përveç numrit të koordinimit z, struktura të ndryshme karakterizohen gjithashtu nga dendësia e paketimit, e prezantuar si raport i vëllimit V në të zënë nga atomet me vëllimin e të gjithë qelizës V të Bravais. Atomet përfaqësohen nga topa të ngurtë me rreze r, prandaj V në = n (4π/3)r 3, ku n është numri i atomeve në një qelizë.

Vëllimi i qelizës V kubike \u003d a 0 3, ku një 0 është periudha e rrjetës. Për një qelizë HCP me një zonë bazë gjashtëkëndore S = 3a 0 2 2 3

dhe lartësia c = 2a 0 23 marrim qelizën V = 3a 0 3 2 .

Parametrat përkatës të strukturave kristalore - kubik primitive (PC), kubik me qendër trupin (BCC), kubik me në qendër fytyrën (FCC), gjashtëkëndor i mbushur ngushtë (HCP) - janë dhënë në Tabelën. 1.2. Rrezet atomike shkruhen duke marrë parasysh se ato preken përgjatë skajeve të kubit në strukturën PC (2r = a 0 ), përgjatë diagonaleve hapësinore (4r = a 0 3) në strukturën bcc dhe përgjatë diagonaleve të fytyrat (4r = a 0 2)

në strukturën fcc.

Kështu, në strukturat e mbushura më afër (fcc dhe hcp) me z = 12, vëllimi i qelizës është 74% i zënë nga atomet. Ndërsa numri i koordinimit zvogëlohet në 8 dhe 6, densiteti i paketimit zvogëlohet në 68 (bcc) dhe 52% (PC), respektivisht.

Tabela 1.2

Parametrat e kristaleve kubike dhe gjashtëkëndore

Parametrat e kristalit
Numri i koordinimit z
Numri i atomeve n në një qelizë
Rrezja atomike r	një 0/2			a 2 4	një 0/2
Vëllimi i një atomi, V at / n
	a 0 3 π 6	a3 π		a 3 π 2 24	π a 0 3 6
dendësia e paketimit,
		π 3 8 \u003d 0,6		π 2 6 \u003d 0,74	π 2 6 \u003d 0,74
Qeliza V në / V

Tashmë është vërejtur se gjatë kristalizimit të një substance, sistemi tenton të sigurojë një minimum energjie të lirë. Një nga faktorët që zvogëlon energjinë potenciale të ndërveprimit midis grimcave është qasja maksimale e tyre dhe vendosja e lidhjes së ndërsjellë me numrin më të madh të mundshëm të grimcave, d.m.th., dëshira për një paketim më të dendur me numrin më të madh të koordinimit.

Prirja drejt paketimit më të afërt është karakteristikë për të gjitha llojet e strukturave, por më e theksuar është te kristalet metalike, jonike dhe molekulare. Në to, lidhjet janë të padrejtuara ose të drejtuara dobët (shih Kapitullin 2), kështu që për atomet, jonet

Dhe molekulat, modeli i sferave të ngurta të pakpresueshme është mjaft i pranueshëm.

Rrjetat e përkthimit Bravais të paraqitura në fig. 1.3

Dhe në tabelë. 1.1, të gjitha opsionet e mundshme për ndërtimin e strukturave kristal nuk janë ezauruar, kryesisht për komponimet kimike. Çështja është se përsëritja periodike e qelizës Bravais jep një rrjetë përkthimore të përbërë vetëm nga grimca (molekula, atome, jone) të të njëjtit lloj. Prandaj, struktura e një përbërje komplekse mund të ndërtohet nga një kombinim i grilave Bravais të futura njëra në tjetrën në një mënyrë të caktuar. Pra, kristalet gjysmëpërçues përdorin një lidhje kovalente të drejtuar (jopolare ose polare), e cila zakonisht realizohet nga një kombinim i të paktën dy grilave, të cilat individualisht janë të mbushura mjaft dendur, por në fund sigurojnë numra të vegjël koordinimi të rrjetës "totale" (deri në z = 4).

Ekzistojnë grupe substancash që karakterizohen nga një rregullim identik hapësinor i atomeve dhe ndryshojnë nga njëri-tjetri vetëm në parametrat (por jo në llojin) e rrjetës kristalore.

Prandaj, struktura e tyre mund të përshkruhet duke përdorur një model të vetëm hapësinor ( një lloj strukture) duke treguar vlerat specifike të parametrave të grilës për secilën substancë. Kështu, kristalet e substancave të ndryshme i përkasin një numri të kufizuar llojesh strukturore.

Llojet më të zakonshme të strukturave janë:

në kristale metalike:

struktura e tungstenit (OC-grilë); strukturë bakri (grilë fcc), strukturë magnezi (grilë hcp);

në kristalet dielektrike:

struktura e klorurit të natriumit (grilë e dyfishtë HCC); struktura e klorurit të ceziumit (grilë e dyfishtë PC);

në kristalet gjysmëpërçuese:

struktura e diamantit (grilë fcc e dyfishtë); struktura sfaleriti (grilë e dyfishtë GCC); Struktura wurtzite (gratë U e dyfishtë HP).

Le të shqyrtojmë shkurtimisht veçoritë dhe realizueshmërinë e strukturave të listuara më sipër dhe grilat Bravais që korrespondojnë me to.

1.4.1. Kristale metalike

Struktura e tungstenit(Fig. 1.1 1, por). Rrjeta kubike e përqendruar te trupi nuk është një strukturë e mbushur me densitet; ajo ka një densitet relativ paketimi prej 0,6 8 dhe një numër koordinimi z = 8. Planet (11 1) janë të mbushura më dendur.

Oriz. 1.11. Llojet e rrjetave kubike: (a) kubik me qendër trupin (BCC); b - kub i thjeshtë

Seksioni 1. Bazat e kristalografisë fiziko-kimike

Përveç tungstenit W, të gjitha metalet alkaline dhe toka alkaline, si dhe shumica e metaleve zjarrdurues, kanë një rrjetë bcc: krom Cr, hekur Fe, molibden Mo, zirkon Zr, tantal Ta, niob Nb, etj. Ky i fundit gjen si më poshtë. shpjegim. Në qelizën bcc për atomin qendror, fqinjët më të afërt janë atomet në kulmet e kubit (z = 8). Ata janë në një distancë nga njëri-tjetri

gjashtë atome qendrore në qelizat fqinje (sfera e dytë e koordinimit), e cila praktikisht rrit numrin e koordinimit në z 14. Kjo jep një fitim total energjie që kompenson kontributin negativ nga një rritje e vogël në distancat mesatare midis atomeve në krahasim me rrjetën fcc, ku atomet janë në një distancë prej d = a 0 ( 2) 2 = 0,707a 0 . Si rezultat,

kristalizimi, i cili manifestohet në pikën e tyre të lartë të shkrirjes, duke arritur në 3422 ºС për tungsten. Për krahasim: një strukturë e thjeshtë kubike (Fig. 1.11, b) me z = 8 ka paketim të lirshëm dhe gjendet vetëm në polonium Po.

Struktura e bakrit (rrjeta fcc) e paraqitur në fig. 1.12, a, i referohet strukturave të ambalazhuara, ka një densitet relativ paketimi 0.74 dhe një numër koordinimi z = 12. Përveç bakrit Cu, është karakteristik për shumë metale si ari Au, argjendi Ag, platini Pt, nikel. Ni, alumini Al, plumbi Pb, paladium Pd, toriumi Th, etj.

Oriz. 1.12. Strukturat e rrjetave kristalore të mbushura ngushtë: a – kubik me qendër në fytyrë (strukturë bakri); b - gjashtëkëndore e mbyllur (struktura e magnezit)

Kapitulli 1. Elementet e fizikës kristalore

Këto metale janë relativisht të buta dhe duktile. Çështja është se në strukturat e tipit bakri, boshllëqet tetraedrale dhe tetëkëndore në rrjetën fcc nuk janë të mbushura me grimca të tjera. Kjo lejon, për shkak të mosdrejtimit të lidhjeve ndërmjet atomeve, zhvendosjen e tyre përgjatë të ashtuquajturës. avionë rrëshqitës. Në rrjetën fcc, këto janë rrafshet e paketimit maksimal (111), njëri prej të cilëve është i hijezuar në Fig. 1.12, a.

Struktura e magnezit(grilë hcp) e paraqitur në Fig. 1.12, b, është karakteristik jo vetëm për magnezin Mg, por edhe për kadmiumin Cd, zinkun Zn, titanin Ti, taliumin Tl, beriliumin Be etj., si dhe për shumicën e elementeve të rralla të tokës. Në kontrast me rrjetën e PC, rrjeta hcp në Fig. 1.12, b ka një shtresë B (me hije), e vendosur në mes midis shtresave bazë A në një distancë fikse

me 2 = a 0 2 3 (me një devijim të vëzhguar deri në 10% për disa

metale të tjera). Atomet në shtresat B vendosen mbi qendrat e trekëndëshave në rrafshin bazal (0001) me paketim të ngushtë.

1.4.2. Kristalet dielektrike

Struktura e klorurit të natriumit(Fig. 1.13, por) mund të përshkruhet

san si dy grila kubike të përqendruara nga fytyra (lloji strukturor i bakrit) të zhvendosura me gjysmë periode rrjetë (a 0/2) përgjatë ndonjë prej skajeve<100>.

Anionet e mëdha të klorit Cl– zënë vendet e qelizës fcc dhe formojnë një paketë të ngushtë kubike, në të cilën kationet e natriumit Na+, që kanë një madhësi më të vogël, mbushin vetëm zbrazëti tetëedrale. Me fjalë të tjera, në strukturën NaCl, çdo kation është i rrethuar nga katër anione në rrafshin (100) dhe dy jone në rrafshin pingul, të cilët janë në një distancë të barabartë nga kationi. Si rezultat, zhvillohet koordinimi oktaedral. Kjo është po aq e vërtetë për anionet. Prandaj, raporti i numrave të koordinimit të nëngarkave është 6:6.

Struktura e klorurit të ceziumit CsCl (grilë e dyfishtë PC),

treguar në fig. 1.13, b, përbëhet nga dy grila kubike primitive të zhvendosura me gjysmën e diagonales së vëllimit. Fakti është se jonet e ceziumit janë më të mëdhenj se jonet e natriumit dhe nuk mund të futen në zbrazëtirat oktaedrale (dhe aq më tepër në tetraedrale) të rrjetës së klorit nëse do të ishin të llojit fcc, si në strukturën e NaCl. Në strukturën CsCl, çdo jon cezium është i rrethuar nga tetë jone klorur dhe anasjelltas.

Halidet e tjera gjithashtu kristalizohen në struktura të këtij lloji, për shembull, Cs (Br, I), Rb (Br, I), Tl (Br, Cl), komponime gjysmëpërçuese të tipit AIV BVI dhe shumë lidhje të elementeve të tokës së rrallë. Struktura të ngjashme vërehen edhe në përbërjet jonike heteropolare.

1.4.3. kristalet gjysmëpërçuese

Struktura e një diamantiështë një kombinim i dy grilave FCC të futura njëra në tjetrën dhe të zhvendosura përgjatë diagonales hapësinore me një të katërtën e gjatësisë (Fig. 1.14, a). Çdo atom është i rrethuar nga katër, të cilat ndodhen në majat e tetraedrit (vijat e trasha në Fig. 1.14, a). Të gjitha lidhjet në strukturën e diamantit janë të barabarta, të drejtuara përgjatë<111>dhe bëni kënde 109º 28" me njëri-tjetrin. Rrjeta e diamantit i përket strukturave të paketuara lirshëm me numër koordinimi z = 4. Gjermani, silikoni, kallaji gri kristalizohen në strukturën e diamantit. Përveç diamantit, në këtë kristalizohen edhe gjysmëpërçuesit elementarë. lloji i strukturës - silic Si, germanium Ge , gri kallaj Sn.

Struktura e sfaleritit(grilë fcc dyshe). Nëse dy rrjeta kubike ndihmëse në qendër të faqes formohen nga atome të ndryshme, atëherë lind një strukturë e re, e quajtur struktura sfalerite ZnS ose përzierje zinku(Fig. 1.14, b).

Kapitulli 1. Elementet e fizikës kristalore

Oriz. 1.14. Strukturat e diamantit (a), faleritit (b) dhe wurtzitit (c). Vijat e trasha tregojnë lidhjet tetraedrale t

Shumë komponime gjysmëpërçuese të tipit AIII BV (arsenidi i galiumit GaAs, fosfidi i galiumit GaP, fosfidi i indiumit InP, antimonidi i indiumit I nSb, etj.) dhe i tipit AII BVI (selenidi i zinkut ZnSe, zinku i teluriumit ZnTe, sulfidi i kadmiumit, sulfidi i kadmiumit, sulfidi i kadmiumit, sulfidi i kadmiumit)

Struktura e sfaleritit është identike me strukturën e diamantit me një mjedis katërkëndor atomesh (Fig. 1.14, a), vetëm një nëngrilë fcc është e zënë nga atomet e galiumit Ga, dhe tjetra nga atomet e arsenikut As. Nuk ka qendër simetrie në qelizën GaAs, d.m.th., struktura është polare në katër drejtime m< 111 >. Vërehet një ndryshim midis planeve të mbushura afër 111) dhe (111): nëse njëri prej tyre përmban atome Ga, tjetri përmban atome As. Kjo shkakton anizotropinë e vetive të sipërfaqes (mikrofortësia, adsorbimi, gravimi kimik, etj.).

Në strukturën e sfaleritit, bazat trekëndore të tetraedrave të çdo shtrese janë të orientuara në të njëjtën mënyrë si bazat e tetraedrave të shtresës së mëparshme.

Struktura e wurtzitit(gratë e dyfishtë hcp) e paraqitur në Fig. 1.14, c, është karakteristikë e modifikimit gjashtëkëndor të sulfidit të zinkut. Gjysmëpërçuesit të ngjashëm me ZnS, si sulfuri i kadmiumit CdS dhe selenid i kadmiumit CdSe, kanë një strukturë të tillë. Shumica e komponimeve AII B VI karakterizohen nga tranzicioni fazor "sphalerite-wurtzite". Struktura e wurtzitit realizohet nëse atomi jometal ka dimensione të vogla dhe elektronegativitet të lartë.

Në fig. Figura 1.14c tregon një qelizë primitive wurtzite për ZnS në formën e një prizmi të drejtë me një romb në bazë dhe një kënd prej 120° në qendër të një gjashtëkëndëshi të formuar nga tre prizma të tillë (dy prej të cilëve tregohen në figurë) .

Lëndët e ngurta ndahen në trupa amorfë dhe kristale. Dallimi midis kësaj të fundit dhe të parës është se atomet e kristaleve janë rregulluar sipas një ligji të caktuar, duke formuar kështu një grumbullim periodik tredimensional, i cili quhet një rrjetë kristalore.

Vlen të përmendet se emri i kristaleve vjen nga fjalët greke "ngurtësim" dhe "ftohtë", dhe në kohën e Homerit kjo fjalë quhej kristal shkëmbi, i cili atëherë konsiderohej "akulli i ngrirë". Në fillim, vetëm formacionet transparente të fytyrës quheshin këtë term. Por më vonë, trupat e errët dhe të paprerë me origjinë natyrore u quajtën gjithashtu kristale.

Struktura kristalore dhe rrjeta

Një kristal ideal paraqitet në formën e strukturave identike që përsëriten periodikisht - të ashtuquajturat qeliza elementare të një kristali. Në rastin e përgjithshëm, forma e një qelize të tillë është një paralelipiped i zhdrejtë.

Është e nevojshme të bëhet dallimi midis koncepteve të tilla si një rrjetë kristali dhe një strukturë kristalore. E para është një abstraksion matematik që përshkruan një rregullim të rregullt të pikave të caktuara në hapësirë. Ndërsa një strukturë kristalore është një objekt fizik i vërtetë, një kristal në të cilin një grup i caktuar atomesh ose molekulash shoqërohet me secilën pikë të rrjetës kristalore.

Struktura kristalore e granatës - romb dhe dodekahedron

Faktori kryesor që përcakton vetitë elektromagnetike dhe mekanike të një kristali është struktura e qelizës elementare dhe atomet (molekulat) që lidhen me të.

Anizotropia e kristaleve

Vetia kryesore e kristaleve që i dallon nga trupat amorfë është anizotropia. Kjo do të thotë se vetitë e kristalit janë të ndryshme, në varësi të drejtimit. Kështu, për shembull, deformimi joelastik (i pakthyeshëm) kryhet vetëm përgjatë planeve të caktuara të kristalit dhe në një drejtim të caktuar. Për shkak të anizotropisë, kristalet reagojnë ndryshe ndaj deformimit në varësi të drejtimit të tij.

Megjithatë, ka kristale që nuk kanë anizotropi.

Llojet e kristaleve

Kristalet ndahen në njëkristale dhe polikristale. Monokristalet quhen substanca, struktura kristalore e të cilave shtrihet në të gjithë trupin. Trupa të tillë janë homogjenë dhe kanë një rrjetë kristalore të vazhdueshme. Zakonisht, një kristal i tillë ka një prerje të theksuar. Shembuj të një kristali natyral të vetëm janë kristalet e vetme të kripës shkëmbore, diamantit dhe topazit, si dhe kuarcit.

Shumë substanca kanë një strukturë kristalore, megjithëse zakonisht nuk kanë një formë karakteristike për kristalet. Substanca të tilla përfshijnë, për shembull, metale. Studimet tregojnë se substanca të tilla përbëhen nga një numër i madh kristalesh shumë të vogla - kokrra kristalore ose kristalite. Një substancë e përbërë nga shumë kristal të tillë të orientuar ndryshe quhet polikristalin. Polikristalet shpesh nuk kanë faqe, dhe vetitë e tyre varen nga madhësia mesatare e kokrrave kristalore, rregullimi i tyre i ndërsjellë, si dhe struktura e kufijve ndërkokrrizorë. Polikristalet përfshijnë substanca të tilla si metale dhe lidhje, qeramika dhe minerale, si dhe të tjera.

Dërgoni punën tuaj të mirë në bazën e njohurive është e thjeshtë. Përdorni formularin e mëposhtëm

Studentët, studentët e diplomuar, shkencëtarët e rinj që përdorin bazën e njohurive në studimet dhe punën e tyre do t'ju jenë shumë mirënjohës.

Kristalet (nga greqishtja kseufbllt, fillimisht - akull, më vonë - kristal shkëmbi, kristal) - trupa të ngurtë në të cilët atomet janë rregulluar rregullisht, duke formuar një rregullim hapësinor periodik tredimensional - një grilë kristal.

Kristalet janë lëndë të ngurta që kanë një formë të jashtme natyrore të poliedrave të rregullt simetrike bazuar në strukturën e tyre të brendshme, domethënë në një nga disa rregullime të caktuara të rregullta që përbëjnë substancën e grimcave (atomet, molekulat, jonet).

Vetitë:

Uniformiteti. Kjo veti manifestohet në faktin se dy vëllime elementare identike të një lënde kristalore, të orientuara në mënyrë të barabartë në hapësirë, por të prera në pika të ndryshme të kësaj substance, janë absolutisht identike në të gjitha vetitë e tyre: ato kanë të njëjtën ngjyrë, peshë specifike, fortësi. , përçueshmëri termike, përçueshmëri elektrike dhe të tjera

Duhet të kihet parasysh se substancat e vërteta kristalore shumë shpesh përmbajnë papastërti të përhershme dhe përfshirje që shtrembërojnë rrjetat e tyre kristalore. Prandaj, homogjeniteti absolut në kristalet reale shpesh nuk ndodh.

Anizotropia e kristaleve

Shumë kristale janë të natyrshme në vetinë e anizotropisë, domethënë varësinë e vetive të tyre nga drejtimi, ndërsa në substancat izotropike (shumica e gazeve, lëngjeve, trupave të ngurtë amorfë) ose trupave pseudo-izotropikë (polikristaleve), vetitë nuk varen nga drejtimet. Procesi i deformimit joelastik të kristaleve kryhet gjithmonë përgjatë sistemeve të rrëshqitjes të përcaktuara mirë, domethënë vetëm përgjatë planeve të caktuara kristalografike dhe vetëm në një drejtim të caktuar kristalografik. Për shkak të zhvillimit johomogjen dhe të pabarabartë të deformimit në pjesë të ndryshme të mjedisit kristalor, ndërveprim intensiv ndodh ndërmjet këtyre pjesëve përmes evolucionit të fushave mikrostresuese.

Në të njëjtën kohë, ka kristale në të cilat nuk ka anizotropi.

Një pasuri e materialit eksperimental është grumbulluar në fizikën e joelasticitetit martensitik, veçanërisht në çështjet e efekteve të kujtesës së formës dhe plasticitetit të transformimit. Eksperimentalisht u vërtetua pozicioni më i rëndësishëm i fizikës kristalore rreth zhvillimit mbizotërues të deformimeve joelastike pothuajse ekskluzivisht përmes reaksioneve martensitike. Por parimet e ndërtimit të teorisë fizike të joelasticitetit martenzitik nuk janë të qarta. Një situatë e ngjashme ndodh në rastin e deformimit të kristaleve nga binjakëzimi mekanik.

Progres i rëndësishëm është bërë në studimin e plasticitetit të dislokimit të metaleve. Këtu jo vetëm kuptohen mekanizmat bazë strukturorë dhe fizikë për zbatimin e proceseve të deformimit joelastik, por janë krijuar edhe metoda efektive për llogaritjen e dukurive.

Aftësia për të vetë-distiluar është veti e kristaleve për të formuar faqe gjatë rritjes së lirë. nëse një top, për shembull kripa e tryezës, e gdhendur nga ndonjë substancë, vendoset në tretësirën e tij të tejngopur, atëherë pas njëfarë kohe ky top do të marrë formën e një kubi. Në të kundërt, një rruazë qelqi nuk do të ndryshojë formën e saj sepse një substancë amorfe nuk mund të vetë-distilohet.

pikë e shkrirjes konstante. Nëse ngrohni një trup kristalor, atëherë temperatura e tij do të rritet në një kufi të caktuar, me ngrohje të mëtejshme, substanca do të fillojë të shkrihet dhe temperatura do të mbetet konstante për ca kohë, pasi e gjithë nxehtësia do të shkojë në shkatërrimin e kristalit. grilë. Temperatura në të cilën fillon shkrirja quhet pika e shkrirjes.

Sistematika e kristaleve

Struktura kristalore

Struktura kristalore, duke qenë individuale për çdo substancë, i referohet vetive themelore fizike dhe kimike të kësaj substance. Struktura kristalore është një grup i tillë atomesh në të cilin një grup i caktuar atomesh, i quajtur njësi motivuese, shoqërohet me secilën pikë të rrjetës kristalore, dhe të gjitha grupet e tilla janë të njëjta në përbërje, strukturë dhe orientim në lidhje me rrjetën. Mund të supozojmë se struktura lind si rezultat i sintezës së rrjetës dhe njësisë motivore, si rezultat i shumëzimit të njësisë motivore nga grupi i përkthimit.

Në rastin më të thjeshtë, njësia motivuese përbëhet nga një atom i vetëm, për shembull, në kristale bakri ose hekuri. Struktura që lind në bazë të një njësie të tillë motivuese është gjeometrikisht shumë e ngjashme me një grilë, por megjithatë ndryshon në atë që përbëhet nga atome dhe jo nga pika. Shpesh kjo rrethanë nuk merret parasysh dhe termat "rrjeta kristalore" dhe "struktura kristalore" për kristale të tilla përdoren si sinonime, gjë që nuk është rreptësisht. Në rastet kur njësia motivore është më komplekse në përbërje - ajo përbëhet nga dy ose më shumë atome, nuk ka ngjashmëri gjeometrike të rrjetës dhe strukturës, dhe zhvendosja e këtyre koncepteve çon në gabime. Kështu, për shembull, struktura e magnezit ose diamantit nuk përkon gjeometrikisht me rrjetën: në këto struktura, njësitë motivuese përbëhen nga dy atome.

Parametrat kryesorë që karakterizojnë strukturën kristalore, disa prej të cilave janë të ndërlidhura, janë si më poshtë:

§ lloji i rrjetës kristalore (syringony, rrjetë Bravais);

§ numri i njësive të formulës për qelizë elementare;

§ grup hapësinor;

§ parametrat e qelizës njësi (përmasat dhe këndet lineare);

§ koordinatat e atomeve në një qelizë;

§ numrat koordinues të të gjithë atomeve.

Lloji strukturor

Strukturat kristalore që kanë të njëjtin grup hapësinor dhe të njëjtin rregullim atomesh në pozicione kimike kristalore (orbita) kombinohen në lloje strukturore.

Llojet strukturore më të njohura janë bakri, magnezi, b-hekuri, diamanti (substanca të thjeshta), kloruri i natriumit, sfaleriti, wurtziti, kloruri i ceziumit, fluoriti (përbërjet binare), perovskiti, spinel (përbërjet treshe).

Qelizë kristalore

Grimcat që përbëjnë këtë të ngurtë formojnë një rrjetë kristali. Nëse grilat kristalore janë stereometrikisht (hapësinisht) të njëjta ose të ngjashme (kanë të njëjtën simetri), atëherë ndryshimi gjeometrik midis tyre qëndron, veçanërisht, në distanca të ndryshme midis grimcave që zënë nyjet e rrjetës. Distancat midis vetë grimcave quhen parametra grilë. Parametrat e grilës, si dhe këndet e poliedrave gjeometrike, përcaktohen nga metodat fizike të analizës strukturore, për shembull, metodat e analizës strukturore me rreze X.

Priti në http://www.allbest.ru/

Oriz. Qelizë kristalore

Shpesh trupat e ngurtë formojnë (në varësi të kushteve) më shumë se një formë rrjete kristalore; forma të tilla quhen modifikime polimorfike. Për shembull, midis substancave të thjeshta, njihen squfuri rombik dhe monoklinik, grafiti dhe diamanti, të cilët janë modifikime gjashtëkëndore dhe kubike të karbonit; midis substancave komplekse, kuarci, tridimiti dhe kristobaliti janë modifikime të ndryshme të dioksidit të silikonit.

Llojet e kristaleve

Është e nevojshme të ndash kristalin ideal dhe real.

Kristal perfekt

Është, në fakt, një objekt matematikor që ka një simetri të plotë të natyrshme në të, skaje ideale të lëmuara të lëmuara.

kristal i vërtetë

Ai përmban gjithmonë defekte të ndryshme në strukturën e brendshme të grilës, shtrembërime dhe parregullsi në faqe dhe ka një simetri të reduktuar të poliedrit për shkak të kushteve specifike të rritjes, johomogjenitetit të mediumit ushqyes, dëmtimit dhe deformimit. Një kristal i vërtetë nuk ka domosdoshmërisht skaje kristalografike dhe një formë të rregullt, por ruan vetinë e tij kryesore - pozicionin e rregullt të atomeve në rrjetën kristalore.

Defektet e rrjetës kristalore (struktura reale e kristaleve)

Në kristalet reale, ka gjithmonë devijime nga rendi ideal në renditjen e atomeve, të quajtura papërsosmëri ose defekte grilë. Sipas gjeometrisë së shqetësimeve të rrjetave të shkaktuara prej tyre, defektet ndahen në defekte pikësore, lineare dhe sipërfaqësore.

Defektet në pikë

Në fig. 1.2.5 tregon lloje të ndryshme të defekteve në pikë. Këto janë vende të lira - vende të grilave të zbrazëta, atome "të veta" në interstiksione dhe atome të papastërtive në vendet dhe interstiksionet e grilave. Arsyeja kryesore për formimin e dy llojeve të para të defekteve është lëvizja e atomeve, intensiteti i të cilave rritet me rritjen e temperaturës.

Oriz. 1.2.5. Llojet e defekteve të pikës në rrjetën kristalore: 1 - boshllëk, 2 - atom në interstices, 3 dhe 4 - atome të papastërtive në vend dhe interstiksione, përkatësisht

Rreth çdo defekti të pikës, ndodh një shtrembërim i rrjetës lokale me një rreze R prej 1 ... 2 periudha grilë (shih Fig. 1.2.6), prandaj, nëse ka shumë defekte të tilla, ato ndikojnë në natyrën e shpërndarjes së lidhjes ndëratomike forcat dhe, në përputhje me rrethanat, vetitë e kristaleve.

Oriz. 1.2.6. Shtrembërim lokal i rrjetës kristalore rreth një vendi të lirë (a) dhe një atomi papastërtie në një vend grilë (b)

Defektet e linjës

Defektet lineare quhen dislokime. Shfaqja e tyre shkaktohet nga prania e gjysmëplaneve atomike "ekstra" (ekstra-plane) në pjesë të veçanta të kristalit. Ato lindin gjatë kristalizimit të metaleve (për shkak të shkeljes së rendit të mbushjes së shtresave atomike) ose si rezultat i deformimit të tyre plastik, siç tregohet në Fig. 1.2.7.

Oriz. 1.2.7. Formimi i një dislokimi të skajit () si rezultat i një zhvendosjeje të pjesshme të pjesës së sipërme të kristalit nën veprimin e forcës: ABCD - plani i rrëshqitjes; EFGH - aeroplan shtesë; EN - linja e dislokimit të skajit

Mund të shihet se nën ndikimin e forcës prerëse, ka ndodhur një zhvendosje e pjesshme e pjesës së sipërme të kristalit përgjatë një plani të caktuar rrëshqitjeje ("prerje e lehtë") ABCD. Si rezultat, u formua ekstraplani EFGH. Meqenëse nuk vazhdon poshtë, një shtrembërim i rrjetës elastike ndodh rreth skajit të tij EH me një rreze prej disa distancash ndëratomike (d.m.th. 10 -7 cm - shih temën 1.2.1), por shkalla e këtij shtrembërimi është shumë herë më e madhe (mund të arrijnë 0,1 ... 1 cm).

Një papërsosmëri e tillë e kristalit rreth skajit të ekstraplanit është një defekt linear i rrjetës dhe quhet dislokim i skajit.

Vetitë mekanike më të rëndësishme të metaleve - forca dhe plasticiteti (shih temën 1.1) - përcaktohen nga prania e dislokimeve dhe sjellja e tyre kur trupi është i ngarkuar.

Le të ndalemi në dy veçori të mekanizmit të zhvendosjes së dislokimeve.

1. Dislokimet mund të lëvizin shumë lehtë (me një ngarkesë të ulët) përgjatë planit të rrëshqitjes me anë të një lëvizjeje "rele-race" të ekstraplanit. Në fig. 1.2.8 tregon fazën fillestare të një lëvizjeje të tillë (vizatim dydimensional në një plan pingul me vijën e zhvendosjes së skajit).

Oriz. 1.2.8. Faza fillestare e lëvizjes së rele-racës së dislokimit të skajit (). A-A - aeroplan rrëshqitës, 1-1 aeroplan shtesë (pozicioni fillestar)

Nën veprimin e forcës, atomet e rrafshit shtesë (1-1) shkëputin atomet (2-2) të vendosura mbi planin e rrëshqitjes nga rrafshi (2-3). Si rezultat, këto atome formojnë një ekstraplan të ri (2-2); atomet e ekstraplanit "të vjetër" (1-1) zënë vendet e lira, duke plotësuar rrafshin (1-1-3). Ky akt nënkupton zhdukjen e dislokimit "të vjetër" të lidhur me rrafshin shtesë (1-1), dhe shfaqjen e një "të ri", të lidhur me rrafshin shtesë (2-2), ose, me fjalë të tjera, transferimi i një "shkopi stafetë" - një zhvendosje në një distancë ndërplanare. Një lëvizje e tillë stafetë-race e një dislokimi do të vazhdojë derisa të arrijë buzën e kristalit, që do të thotë një zhvendosje e pjesës së sipërme të tij me një distancë ndërplanare (d.m.th., deformim plastik).

Ky mekanizëm nuk kërkon shumë përpjekje, sepse. përbëhet nga mikrozhvendosje të njëpasnjëshme që prekin vetëm një numër të kufizuar atomesh që rrethojnë ekstraplanin.

2. Është e qartë, megjithatë, se një lehtësi e tillë e rrëshqitjes së dislokimeve do të vërehet vetëm kur nuk ka pengesa në rrugën e tyre. Pengesë të tilla janë çdo defekt i grilës (sidomos ato lineare dhe sipërfaqësore!), si dhe grimcat e fazave të tjera, nëse ato janë të pranishme në material. Këto pengesa krijojnë shtrembërime rrjetash, tejkalimi i të cilave kërkon përpjekje shtesë të jashtme, prandaj mund të bllokojnë lëvizjen e dislokimeve, d.m.th. i bëjnë të palëvizshëm.

Defektet sipërfaqësore

Të gjitha metalet (aliazhet) industriale janë materiale polikristaline, d.m.th. përbëhet nga një numër i madh kristalesh të vogla (zakonisht 10 -2 ... 10 -3 cm), të orientuara rastësisht, të quajtura kokrra. Natyrisht, periodiciteti i grilës i natyrshëm në secilën kokërr (një kristal) shkelet në një material të tillë, pasi rrafshet kristalografike të kokrrave rrotullohen në lidhje me njëri-tjetrin me një kënd 6 (shih Fig. 1.2.9), vlera e të cilit varion nga thyesat në disa dhjetëra gradë.

Oriz. 1.2.9. Skema e strukturës së kufijve të kokrrizave në një material polikristalor

Kufiri midis kokrrizave është një shtresë kalimtare deri në 10 distanca ndëratomike të gjera, zakonisht me një rregullim të çrregullt të atomeve. Ky është një vend i akumulimit të dislokimeve, vendeve të lira, atomeve të papastërtive. Prandaj, në pjesën më të madhe të një materiali polikristalor, kufijtë e kokrrizave janë defekte dydimensionale sipërfaqësore.

Ndikimi i defekteve të rrjetës në vetitë mekanike të kristaleve. Mënyrat për të rritur forcën e metaleve.

Forca është aftësia e një materiali për t'i rezistuar deformimit dhe shkatërrimit nën veprimin e një ngarkese të jashtme.

Forca e trupave kristalorë kuptohet si rezistenca e tyre ndaj një ngarkese të aplikuar, e cila tenton të lëvizë ose, në kufi, të shkëpusë një pjesë të kristalit në lidhje me tjetrën.

Prania e dislokimeve të lëvizshme në metale (tashmë në procesin e kristalizimit shfaqen deri në 10 6 ... 10 8 dislokime në një seksion kryq të barabartë me 1 cm 2) çon në uljen e rezistencës së tyre ndaj ngarkimit, d.m.th. duktilitet i lartë dhe forcë e ulët.

Natyrisht, mënyra më efektive për të rritur forcën është heqja e dislokimeve nga metali. Megjithatë, kjo mënyrë nuk është teknologjikisht e avancuar, sepse Metalet pa zhvendosje mund të merren vetëm në formën e fijeve të hollë (të ashtuquajturat "mustaqe") me një diametër prej disa mikronësh dhe një gjatësi deri në 10 mikronë.

Prandaj, metodat praktike të forcimit bazohen në ngadalësimin, bllokimin e dislokimeve të lëvizshme nga një rritje e mprehtë e numrit të defekteve të grilave (kryesisht ato lineare dhe sipërfaqësore!), si dhe krijimin e materialeve shumëfazore.

Metoda të tilla tradicionale për rritjen e forcës së metaleve janë:

– deformimi plastik (dukuri e forcimit të punës ose forcimit të punës),

- trajtim termik (dhe kimiko-termik),

- aliazhimi (futja e papastërtive të veçanta) dhe, qasja më e zakonshme, është krijimi i lidhjeve.

Si përfundim, duhet të theksohet se një rritje e forcës bazuar në bllokimin e dislokimeve të lëvizshme çon në një ulje të duktilitetit dhe forcës së ndikimit dhe, në përputhje me rrethanat, besueshmërisë operacionale të materialit.

Prandaj, çështja e shkallës së ngurtësimit duhet të trajtohet individualisht, bazuar në qëllimin dhe kushtet e funksionimit të produktit.

Polimorfizëm në kuptimin e drejtpërdrejtë të fjalës do të thotë shumëformitet, d.m.th. dukuria kur substancat me përbërje të njëjtë kimike kristalizohen në struktura të ndryshme dhe formojnë kristale të singogjive të ndryshme. Për shembull, diamanti dhe grafiti kanë të njëjtën përbërje kimike, por struktura të ndryshme, të dy mineralet ndryshojnë ndjeshëm në fizik. Vetitë. Një shembull tjetër është kalciti dhe aragoniti - ata kanë të njëjtën përbërje të CaCO 3, por përfaqësojnë modifikime të ndryshme polimorfike.

Fenomeni i polimorfizmit shoqërohet me kushtet për formimin e substancave kristalore dhe është për faktin se vetëm struktura të caktuara janë të qëndrueshme në kushte të ndryshme termodinamike. Pra, kallaji metalik (i ashtuquajturi kallaj i bardhë), kur temperatura bie nën -18 C 0, bëhet i paqëndrueshëm dhe shkërmoqet, duke formuar një "kallaj gri" me një strukturë të ndryshme.

Izomorfizmi. Lidhjet metalike janë struktura kristalore me përbërje të ndryshueshme, në të cilat atomet e një elementi ndodhen në zbrazëtirat e rrjetës kristalore të një tjetri. Këto janë të ashtuquajturat zgjidhje të ngurta të llojit të dytë.

Në ndryshim nga tretësirat e ngurta të llojit të dytë, në tretësirat e ngurta të llojit të parë, atomet ose jonet e një lënde kristalore mund të zëvendësohen nga atomet ose jonet e një tjetri. Këto të fundit janë të vendosura në nyjet e rrjetës kristalore. Tretësirat e këtij lloji quhen përzierje izomorfike.

Kushtet e nevojshme për shfaqjen e izomorfizmit:

1) Vetëm jonet e së njëjtës shenjë mund të zëvendësohen, d.m.th., kation për kation dhe anion për anion.

2) Mund të zëvendësohen vetëm atomet ose jonet me madhësi të ngjashme, d.m.th. diferenca në rrezet jonike nuk duhet të kalojë 15% për izomorfizmin e përsosur dhe 25% për izomorfizmin e papërsosur (për shembull, Ca 2+ në Mg 2+)

3) Vetëm jonet që janë afër shkallës së polarizimit (d.m.th., në shkallën e lidhjes jonike-kovalente) mund të zëvendësohen

4) Vetëm elementët që kanë të njëjtin numër koordinimi në një strukturë të caktuar kristalore mund të zëvendësohen

5) zëvendësimet izomorfike duhet të ndodhin në këtë mënyrë. Që të mos prishet ekuilibri elektrostatik i rrjetës kristalore.

6) zëvendësimet izomorfike vazhdojnë në drejtim të rritjes së energjisë së rrjetës.

Llojet e izomorfizmit. Ekzistojnë 4 lloje të izomorfizmit:

1) izomorfizmi izovalent karakterizohet nga fakti se në këtë rast ndodhin jone të së njëjtës valencë, dhe ndryshimi në madhësitë e rrezeve jonike nuk duhet të jetë më shumë se 15%

2) izomorfizmi heterovalent. Në këtë rast, ndodh zëvendësimi i joneve me valencë të ndryshme. Me një zëvendësim të tillë, një jon nuk mund të zëvendësohet me një tjetër pa prishur ekuilibrin elektrostatik të rrjetës kristalore, prandaj, me izomorfizëm heterovalent, nuk zëvendësohet një jon, si në izomorfizmin heterovalent, por një grup jonesh të një valence të caktuar me një tjetër. grup jonesh duke ruajtur të njëjtën valencë totale.

Në këtë rast, është e nevojshme të mbani mend gjithmonë se zëvendësimi i një joni të një valence me një jon të një tjetri shoqërohet gjithmonë me kompensimin e valencës. Ky kompensim mund të ndodhë si në pjesën kationike ashtu edhe në atë anionike të përbërjeve. Në këtë rast, duhet të plotësohen kushtet e mëposhtme:

A) shuma e valencave të joneve të zëvendësuara duhet të jetë e barabartë me shumën e valencave të joneve zëvendësuese.

B) shuma e rrezeve jonike të joneve zëvendësuese duhet të jetë afër shumës së rrezeve jonike të joneve zëvendësuese dhe mund të ndryshojë prej saj jo më shumë se 15% (për izomorfizëm të përsosur)

3) isostrukturore. Nuk ka një zëvendësim të një joni për një tjetër, ose një grup jonesh për një grup tjetër, por një zëvendësim i të gjithë "bllokut" të një rrjete kristalore me një tjetër të të njëjtit "bllok". Kjo mund të ndodhë vetëm nëse strukturat e mineraleve janë të të njëjtit lloj dhe kanë madhësi të ngjashme të qelizave njësi.

4) një izomorfizëm i një lloji të veçantë.

dislokimi i defektit të rrjetës kristalore

Organizuar në Allbest.ru

Dokumente të ngjashme

Karakteristikat e efektit piezoelektrik. Studimi i strukturës kristalore të efektit: shqyrtimi i modelit, deformimet kristalore. Mekanizmi fizik i efektit piezoelektrik të anasjelltë. Vetitë e kristaleve piezoelektrike. Aplikimi i një efekti.

punim afatshkurtër, shtuar 12/09/2010


Informacion rreth dridhjeve të rrjetave kristalore, funksionet që përshkruajnë sasitë fizike të tyre. Sistemet e koordinatave kristalografike. Llogaritja e energjisë së ndërveprimit të atomeve në kristalet kovalente, spektri i vibrimit të rrjetës kristalore të tungstatit të bariumit.

tezë, shtuar 01/09/2014


Kalimi i rrymës përmes elektroliteve. Natyra fizike e përçueshmërisë elektrike. Ndikimi i papastërtive, defektet e strukturës kristalore në rezistencën e metaleve. Rezistenca e filmave të hollë metalikë. Dukuritë e kontaktit dhe forca termoelektrmotore.

abstrakt, shtuar më 29.08.2010


Koncepti dhe klasifikimi i defekteve në kristale: energji, elektronikë dhe atomike. Papërsosmëritë kryesore të kristaleve, formimi i defekteve në pikë, përqendrimi i tyre dhe shpejtësia e lëvizjes nëpër kristal. Difuzioni i grimcave për shkak të lëvizjeve të vakancave.

abstrakt, shtuar më 19.01.2011


Thelbi i polimorfizmit, historia e zbulimit të tij. Vetitë fizike dhe kimike të polimorfeve të karbonit: diamanti dhe grafiti, analiza e tyre krahasuese. Shndërrime polimorfike të kristaleve të lëngëta, shtresave të holla të diodurit të kallajit, metaleve dhe lidhjeve.

punim afatshkurtër, shtuar 04/12/2012


Gjendjet kristalore dhe amorfe të trupave të ngurtë, shkaqet e defekteve të pikës dhe vijës. Origjina dhe rritja e kristaleve. Prodhimi artificial i gurëve të çmuar, solucioneve të ngurta dhe kristaleve të lëngëta. Vetitë optike të kristaleve të lëngshme kolesterike.

abstrakt, shtuar më 26.04.2010


Historia e zhvillimit të konceptit të kristaleve të lëngëta. Kristalet e lëngëta, llojet dhe vetitë e tyre kryesore. Aktiviteti optik i kristaleve të lëngët dhe vetitë strukturore të tyre. Efekti Freedericksz. Parimi fizik i funksionimit të pajisjeve në LCD. Mikrofoni optik.

tutorial, shtuar më 14/12/2010


Kristalizimi si proces i kalimit të një metali nga një gjendje e lëngshme në një gjendje të ngurtë me formimin e një strukture kristalore. Skema e formimit të një tegel në saldimin me hark. Faktorët dhe kushtet kryesore të nevojshme për të filluar rritjen e kristaleve të metaleve të lëngëta.

prezantim, shtuar 26.04.2015


Studimi i strukturës (formimi nga kristalitët e renditur në mënyrë kaotike) dhe metodat e marrjes (ftohja e shkrirjes, spërkatja nga faza e gazit, bombardimi i kristaleve nga neuronet) e gotave. Njohja me proceset e kristalizimit dhe kalimit të qelqit.

abstrakt, shtuar më 18.05.2010


Defektet e kristaleve reale, parimi i funksionimit të transistorëve bipolarë. Shtrembërimi i rrjetës kristalore në tretësirat e ngurta intersticiale dhe zëvendësuese. Dukuritë sipërfaqësore në gjysmëpërçuesit. Parametrat e transistorit dhe koeficienti i transferimit të rrymës së emetuesit.

Oriz. 17. Snowflakes - Kristal Skeletal Ice

Nga përvoja dihet se në një substancë kristalore vetitë fizike janë të njëjta në drejtime paralele, dhe ideja e strukturës së substancave kërkon që grimcat (molekulat, atomet ose jonet) që përbëjnë kristalin të jenë të vendosura nga një. një tjetër në distanca të caktuara të fundme. Bazuar në këto supozime, është e mundur të ndërtohet një diagram gjeometrik i strukturës kristalore. Për ta bërë këtë, pozicioni i secilës grimcë përbërëse mund të shënohet me një pikë. E gjitha kristalorendërtesa më pas do të paraqitet si një sistem pikash të vendosura rregullisht në hapësirë, dhe për çdo paraleledrejtimet e distancës ndërmjet pikave do të jenë të njëjta. Një rregullim i tillë i saktë i pikave në hapësirë ​​quhet

grilë hapësinore, dhe nëse secila pikë paraqet pozicionin e një atomi, joni ose molekule në një kristal - një rrjetë kristalore.

Ndërtimi i një rrjete hapësinore mund të imagjinohet si më poshtë.

A 0(Fig. 18) tregon qendrën e një atomi ose joni. Le të shënohet e njëjta qendër më e afërt me të me pikën A, pastaj, në bazë të homogjenitetit të kristalit, në një distancë A 1 A 2 \u003d A 0 A 1 duhet të jetë qendra A 2; Duke vazhduar më tej këtë argument, mund të marrim një sërë pikash: A 0, A 1, A 2, A 3 ...

Le të supozojmë se pika më e afërt me A 0 në drejtimin tjetër do R0, atëherë duhet të ketë një grimcë S0 në distancë R 0 S 0= L 0 R 0, etj., d.m.th., do të merret një rresht tjetër i pikave identike A 0, R0, S 0… Nëse përmes R 0, S 0 etj. vizatoni vija paralele me A 0, A 1, A 2, ju merrni të njëjtat rreshta R 0 , R 1 , R 2 , S 0 , S 1 , S 2 ... etj

Oriz. 18. Grilë hapësinore

Si rezultat i ndërtimit, u përftua një rrjet, nyjet e të cilit korrespondojnë me qendrat e grimcave që përbëjnë kristalin.

Nëse e imagjinojmë atë në çdo pikë Në 0 Co etj., restaurohet i njëjti rrjet si në A 0 , si rezultat i këtij konstruksioni do të fitohet një rrjetë hapësinore, e cila në një farë kuptimi do të shprehë strukturën gjeometrike të kristalit.

Çfarë janë kristalet

Teoria e grilave hapësinore, e krijuar nga kristalografi i madh rus E. S. Fedorov, mori një konfirmim të shkëlqyeshëm në studimin e strukturës së kristaleve duke përdorur rreze x. Këto studime ofrojnë jo vetëm fotografi të rrjetave hapësinore, por edhe gjatësinë e saktë të boshllëqeve midis grimcave të vendosura në nyjet e tyre.

Oriz. 19. Struktura e diamantit

Doli se ekzistojnë disa lloje të grilave hapësinore që ndryshojnë si në natyrën e rregullimit të grimcave ashtu edhe në natyrën e tyre kimike.

Vëmë re llojet e mëposhtme të grilave hapësinore:

Rrjetat strukturore atomike. Në nyjet e këtyre grilave, atomet e çdo substance ose elementi janë të vendosura, duke u lidhur drejtpërdrejt me njëri-tjetrin në një rrjetë kristali. Ky lloj grilë është tipik për diamantin, përzierjen e zinkut dhe disa minerale të tjera (shih Fig. 19 dhe 20).

Rrjetat strukturore jonike. Në nyjet e këtyre grilave janë jonet, d.m.th., atome që kanë një ngarkesë pozitive ose negative.

Rrjetat jonike janë të zakonshme për komponimet inorganike, si halogjenet e metaleve alkali, silikatet, etj.

Një shembull i shkëlqyer është rrjeta e kripës shkëmbore (NaCl) (Fig. 21). Në të, jonet e natriumit (Na) në tre drejtime reciprokisht pingul alternohen me jonet e klorurit (Cl) në intervale të barabarta me 0,28 milimikron.

Oriz. 20. Struktura e përzierjes së zinkut

Në substancat kristalore me një strukturë të ngjashme, boshllëqet midis atomeve në një molekulë janë të barabarta me boshllëqet midis molekulave, dhe vetë koncepti i një molekule humbet kuptimin e tij për kristale të tilla. Në fig. 20 çdo jon natriumi ka

nga lart, poshtë, në të djathtë, në të majtë, përpara dhe prapa në distanca të barabarta prej tij, secili jon klori, i cili i përket si kësaj "molekule" dhe "molekulave" fqinje, dhe është e pamundur të thuhet me cili jon i veçantë i klorit nga këta gjashtë përbën një molekulë ose do ta përbënte atë me kalimin në një gjendje të gaztë.

Përveç llojeve të përshkruara më sipër, ekzistojnë grila strukturore molekulare, në nyjet e të cilave nuk ka atome ose jone, por molekula të veçanta, elektrikisht neutrale. Grilat molekulare janë veçanërisht tipike për komponime të ndryshme organike ose, për shembull, për "akulli të thatë" - CO 2 kristalor.

Oriz. 21. Rrjetë kristalore e kripës shkëmbore

Lidhjet e dobëta ("të mbetura") midis njësive strukturore të grilave të tilla përcaktojnë forcën e ulët mekanike të grilave të tilla, pikat e tyre të ulëta të shkrirjes dhe vlimit. Ka edhe kristale që kombinojnë lloje të ndryshme të grilave. Në disa drejtime, lidhjet e grimcave janë jonike (valente), dhe në të tjera, molekulare (të mbetura). Kjo strukturë çon në forcë të ndryshme mekanike në drejtime të ndryshme, duke shkaktuar një anizotropi të mprehtë të vetive mekanike. Kështu, kristalet e molibdenitit (MoS 2) ndahen lehtësisht përgjatë drejtimit pinacoid (0001) dhe u japin kristaleve të këtij minerali një pamje me luspa, të ngjashme me kristalet e grafitit, ku gjendet një strukturë e ngjashme. Arsyeja e forcës së ulët mekanike në drejtimin pingul me (0001) është mungesa e lidhjeve jonike në këtë drejtim. Integriteti i grilës këtu ruhet vetëm nga lidhjet e një natyre molekulare (të mbetur).

Duke marrë parasysh të gjitha sa më sipër, është e lehtë një paralele midis strukturës së brendshme të një lënde amorfe, nga njëra anë, dhe një kristalore, nga ana tjetër:

1. Në një substancë amorfe, grimcat janë të renditura në mënyrë të çrregullt, sikur fiksojnë gjendjen pjesërisht kaotike të lëngut; prandaj, disa studiues i quajnë, për shembull, lëngje të superftohura.

2. Në një substancë kristalore, grimcat janë të renditura në mënyrë të rregullt dhe zënë një pozicion të caktuar në nyjet e rrjetës hapësinore.

Dallimi midis materies kristalore dhe asaj të qelqtë (amorfe) mund të krahasohet me ndryshimin midis një njësie ushtarake të disiplinuar dhe një turme të shpërndarë. Natyrisht, gjendja kristalore është më e qëndrueshme se gjendja amorfe, dhe një substancë amorfe do të tretet më lehtë, do të reagojë kimikisht ose do të shkrihet. Ato natyrale gjithmonë priren të fitojnë një strukturë kristalore, "kristalizohen", për shembull (silicë amorfe) përfundimisht shndërrohen në kalcedoni - silicë kristalore.

Një substancë në një gjendje kristalore zakonisht zë një vëllim disi më të vogël se në një formë amorfe dhe ka një peshë specifike më të madhe; për shembull, përbërja albit - feldspat NaAlSi 3 O 8 në një gjendje amorfe merr 10 metra kub. njësi, dhe në kristal - vetëm 9; 1 cm 3 silicë kristalore (kuarc) peshon 2,54 G, dhe i njëjti vëllim i silicës qelqore (kuarci i shkrirë) është vetëm 2,22 G. Një rast i veçantë është akulli, i cili ka një peshë specifike më të ulët se sa merret në të njëjtën sasi.

STUDIMI I KRISTALEVE ME RREZE X RREZET

Çështja e shkaqeve të rregullsive në shpërndarjen e vetive fizike në një substancë kristalore, çështja e strukturës së brendshme të kristaleve u përpoq për herë të parë nga M.V. në 1749 duke përdorur si shembull kripërat. Kjo pyetje u zhvillua më gjerësisht në fund të shekullit të 18-të. Kristalografi francez Ayui. Ayui sugjeroi që çdo substancë të ketë një formë specifike kristalore. Ky pozicion u hodh poshtë më vonë nga zbulimi i dukurive të izomorfizmit dhe polimorfizmit. Këto dukuri, të cilat luajnë një rol të rëndësishëm në mineralogji, do të shqyrtohen nga ne disi më vonë.

Falë punës së kristalografit rus E. S. Fedorov dhe disa kristalografëve të tjerë, teoria e rrjetave hapësinore, e përshkruar shkurtimisht në kapitullin e mëparshëm, u zhvillua matematikisht dhe bazuar në studimin e formës së kristaleve, u nxorën llojet e mundshme të rrjetave hapësinore. ; por vetëm në shekullin e 20-të, falë studimit të kristaleve me rreze x, kjo teori u testua në mënyrë eksperimentale dhe u vërtetua shkëlqyeshëm. Një numër fizikantësh: Laue, Braggum, G. V. Wulf dhe të tjerë, duke përdorur teorinë e rrjetave hapësinore, arritën të vërtetojnë me siguri absolute se në disa raste ka atome në nyjet e rrjetave kristalore, dhe në të tjera, molekula ose jone.

Rrezet, të zbuluara nga Roentgen në 1895, të cilat mbajnë emrin e tij, përfaqësojnë një nga llojet e energjisë rrezatuese dhe, në shumë aspekte,Ato ngjajnë me rrezet e dritës, duke ndryshuar prej tyre vetëm në gjatësinë e valës së tyre, e cila është disa mijëra herë më e vogël se gjatësia e valës së dritës.

Oriz. 22. Skema për marrjen e modelit të difraksionit me rreze X të një kristali duke përdorur metodën Laue:
A - tub me rreze x; B - diafragma; C - kristal; D - pjatë fotografike

Në vitin 1912, Laue përdori një kristal, ku atomet janë rregulluar në një rrjetë hapësinore, si një grilë difraksioni për të marrë ndërhyrje me rreze X. Në kërkimin e tij, një rreze e ngushtë rrezesh X paralele (Fig. 22) u kalua nëpër një kristal të hollë të përzierjes së zinkut C. Në një distancë nga kristali dhe Një pllakë fotografike D u vendos pingul me rrezen e rrezeve, e mbrojtur nga veprimi i drejtpërdrejtë i rrezeve X anësore dhe nga drita e ditës nga ekranet e plumbit.

Me ekspozim të zgjatur për disa orë, eksperimentuesit morën një pamje të ngjashme me Fig. 23.

Për rrezet e dritës që kanë një gjatësi vale të madhe në krahasim me madhësinë e atomeve, rrjetet atomike të rrjetës hapësinore luajnë rolin e planeve praktikisht të vazhdueshme dhe rrezet e dritës reflektohen plotësisht nga sipërfaqja e kristalit. Rrezet X shumë më të shkurtra të reflektuara nga rrjete të shumta atomike të vendosura në distanca të caktuara nga njëra-tjetra, duke shkuar në të njëjtin drejtim, do të ndërhyjnë, do të dobësohen, pastaj do të forcojnë njëra-tjetrën. Në një pllakë fotografike të vendosur në rrugën e tyre, rrezet e përforcuara do të japin njolla të zeza gjatë një ekspozimi të gjatë, të rregulluara rregullisht, në lidhje të ngushtë me strukturën e brendshme të kristalit, d.m.th., me rrjetin e tij atomik dhe me veçoritë e atomeve individuale të vendosura. në të.

Nëse marrim një pjatë të prerë nga një kristal në një drejtim të caktuar kristalografik dhe kryejmë të njëjtin eksperiment me të, atëherë një model që korrespondon me simetrinë e strukturës kristalore do të jetë i dukshëm në modelin me rreze X.

Rrjetet atomike më të dendura korrespondojnë me pikat më të errëta. Fytyrat e vendosura pak me atome japin pika të dobëta ose pothuajse asnjë. Pika qendrore në një radiografi të tillë merret nga rrezet x që kanë kaluar nëpër pllakë

Oriz. 23. Difraksioni me rreze X i një kristali të kripës shkëmbore përgjatë boshtit të rendit të katërt

në një rrugë të drejtë; pikat e mbetura formojnë rreze të reflektuara nga rrjetat atomike.

Në fig. 23 tregon një fotografi me rreze X të një kristali të kripës shkëmbore nga e cila u pre një pjatë rreth 3 mm trashësia paralele me faqen e kubit. Një vend i madh është i dukshëm në mes - një gjurmë e rrezes qendrore të rrezeve.

Rregullimi i njollave të vogla është simetrik dhe tregon ekzistencën e një boshti simetrie të rendit të katërt dhe katër plane simetrie.

Ilustrimi i dytë (Fig. 24) përshkruan një model difraksioni me rreze X të një kristali kalciti. Fotografia është bërë në drejtim të boshtit të simetrisë së rendit të tretë. me shkronja RRETH tregohen skajet e boshteve të simetrisë të rendit të 2-të.

Aktualisht, përdoren metoda të ndryshme për të studiuar strukturën e trupave kristalorë. Një tipar thelbësor i metodës Laue, i përshkruar shkurtimisht më sipër, është përdorimi i vetëm kristaleve të mëdhenj të orientuar saktësisht në lidhje me rrezen e rrezeve X që kalon.

Nëse është e pamundur të përdoren kristale të mëdha, zakonisht përdoret "metoda e pluhurit" (metoda Debye-Scherer). Avantazhi i madh i kësaj metode është se nuk kërkon kristale të mëdha. Përpara testimit, substanca e provës në një gjendje të ndarë imët zakonisht shtypet në një kolonë të vogël. Kjo metodë mund të përdoret për të studiuar jo vetëm pluhurat e ngjeshur, por edhe për të punuar në mostrat metalike të përfunduara në formën e një teli, nëse kristalet e tyre janë mjaft të vogla.

Në prani të një numri të madh kristalesh, reflektimi mund të ndodhë nga çdo faqe e secilit kristal. Prandaj, në modelin me rreze X të marrë me "metodën e pluhurit", zakonisht fitohet një seri vijash, duke dhënë një karakteristikë të substancës në studim.

Falë përdorimit të rrezeve X për të studiuar kristalet, më në fund u bë e mundur të depërtohej në rajonin e vendndodhjes aktuale të molekulave, joneve dhe atomeve brenda kristaleve dhe të përcaktonte jo vetëm formën e rrjetës atomike, por edhe distancat midis grimcat që e përbëjnë atë.

Studimi i strukturës së kristaleve duke përdorur rrezet X bëri të mundur përcaktimin e madhësisë së dukshme të joneve që përbëjnë këtë kristal. Metoda për përcaktimin e vlerës së rrezes së një joni, ose, siç thonë zakonisht, rrezes jonike, do të jetë e qartë nga shembulli i mëposhtëm. Studimi i kristaleve të tilla si MgO, MgS dhe MgSe, nga njëra anë, dhe MnO, MnS dhe MnSe, nga ana tjetër, dha distancat e mëposhtme ndërjonike:

Për

MgO -2,10 Å MnO - 2,24 Å

MgS - 2,60 Å dhe MnS - 2,59 Å

MgSe - 2,73 Å MnSa - 2,73 Å,

ku Å-shënon vlerën e "angstrom", e barabartë me një të dhjetë-miliontë të milimetrit.

Një krahasim i vlerave të dhëna tregon se për distancën ndërjonike në përbërjet MgO dhe MnO, madhësitë e joneve Mg dhe Mn luajnë një rol të caktuar. Në komponimet e tjera, shihet se distanca midis joneve S dhe Se nuk varet nga hyrjanjë jon tjetër, i cili bashkon përbërjet, dhe jonet S dhe Se bien në kontakt me njëri-tjetrin, duke krijuar paketimin më të dendur të joneve.

Oriz. 24. Modeli me rreze X të një kristali kalciti në boshtin e rendit të tretë

Llogaritja jep për S-2 një rreze jonike prej 1,84 Å,

A për Se -2 - 1,93 Å. Duke ditur rrezet jonike S-2 dhe Se-2, mund të llogariten edhe rrezet jonike të joneve të tjerë. Pra, O 2 ka një jonik

rreze e barabartë me 1.32Å. F -1 - 1,33Å, Na + l -0,98Å, Ca + 2 - 1,06,

K +1 - 1,33, Mg +2 -0,78Å, Al +3 -0,57Å, Si +4 - 0,39Å, etj. Vlera e rrezes jonike luan një rol të madh në izomorfizëm dhe polimorfizëm, i cili do të diskutohet në seksionet përkatëse.

Studimi strukturor i mineraleve me rreze X ka avancuar shumë mineralologjinë moderne, si në kuptimin e të kuptuarit të strukturës së mineraleve, ashtu edhe në lidhjen e strukturës dhe përbërjes së tyre me vetitë e tjera të rëndësishme, si copëtimi, indeksi i thyerjes, etj. Rëndësia e studimi i mineraleve me rreze X shprehet bukur me frazën e mëposhtme: mineral për aq sa mund të studiohet një ndërtesë duke e parë nga jashtë dhe kimistët u përpoqën ta njihnin këtë ndërtesë duke e shkatërruar dhe më pas duke studiuar veçmas materialet që ishin pjesë. të saj, analiza e difraksionit me rreze X për herë të parë na lejoi të hynim në ndërtesë dhe të vëzhgonim vendndodhjen dhe dekorimin e saj të brendshëm."

Artikull me temën e strukturës së kristaleve

Struktura e brendshme e kristaleve ishte objekt diskutimi i gjallë që në fillimet e zhvillimit të kristalografisë. Në shekullin XVIII. R. J. Hayuy, bazuar në faktin se kalciti mund të ndahet në rombohedronë të vegjël arbitrarisht, sugjeroi që kristalet e këtij minerali janë ndërtuar nga tulla të panumërta të vogla të këtij lloji dhe se të gjitha fytyrat e tjera, përveç faqeve të romboedronit, janë formuar nga një "tërheqje" e rregullt e këtyre tullave nga rrafshi i "murit" përkatës, në mënyrë që parregullsitë të jenë aq të vogla sa fytyrat të duken optikisht të lëmuara. Vendosja e ligjit të racionalitetit të indekseve, i cili është i vlefshëm për të gjithë kristalet, e bëri të qartë se të gjithë kristalet janë ndërtuar në këtë mënyrë, d.m.th., nga përsëritja e pafundme e qelizave elementare. Megjithatë, zgjerimi i njohurive për strukturën atomike të materies e ka bërë jo më pak të qartë se qeliza elementare nuk mund të konsiderohet një tullë e fortë e Gajuy; përkundrazi, mund të krahasohet me një element të një modeli - një "motiv" tredimensional, përsëritja e përsëritur e të cilit krijon një kristal të tërë: ashtu si një motiv dydimensional përsëritet në një model letër-muri. Ky element tre-dimensional i modelit është qeliza elementare e kristalit. Atomet që hyjnë në qelizën njësi përcaktojnë përbërjen e kristalit që rezulton, dhe vendndodhja e tyre në qelizë dhe madhësia e tyre përcaktojnë morfologjinë e kristalit që rezulton. Prandaj, është e lehtë të kuptohet arsyeja e mungesës së simetrisë pesëfish dhe simetrisë më të lartë se gjashtëfishi në kristale: edhe duke folur vetëm për një rrafsh, është e lehtë të imagjinohet se të vetmet figura që mund të mbushin saktë një plan mund të jenë vetëm katrorë. drejtkëndëshat, paralelogramet, trekëndëshat barabrinjës dhe gjashtëkëndëshat e rregullt. .

Teoria gjeometrike e strukturave tredimensionale të këtij lloji u zhvillua plotësisht në shekullin e kaluar. Megjithatë, deri në fund të dekadës së parë të shekullit tonë, kristalografët nuk mund të studionin drejtpërdrejt këto struktura dhe ishin të vetëdijshëm se kjo ishte për shkak të madhësisë së vogël të qelizave njësi në krahasim me gjatësitë valore të dritës së dukshme. Në vitin 1912, M. von Laue dhe ndihmësit e tij vërtetuan për herë të parë se një rreze me rreze X që kalon nëpër një kristal i nënshtrohet difraksionit. Rrezja e difraktuar formonte një model të përbërë nga njolla në pllakën fotografike, simetria e të cilave lidhej drejtpërdrejt me simetrinë e kristalit që ndodhej në shtegun e kësaj rreze. Metoda Laue si një mjet për studimin e strukturave kristalore që atëherë është përmirësuar dhe zëvendësuar nga metoda të tjera që lejojnë specialistët e rrezeve X kristal të përcaktojnë madhësinë dhe formën e qelizës njësi të shumicës së substancave kristalore, si dhe vendndodhjen e përmbajtjes së këtë qelizë. Në difraksionin e pluhurit me rreze X, një rreze me rreze X kalon përmes një kampioni të vogël materiali që është bluar në një pluhur shumë të imët. Përftohet një difraktogram (Debyegram), i cili është një model vijash, shpërndarja dhe intensiteti i të cilave janë karakteristikë për strukturën kristalore; kjo metodë doli të ishte shumë e dobishme për përcaktimin e origjinalitetit të gurëve të çmuar (sasia e vogël e nevojshme e materialit mund të gërvishtet nga brezi i një guri të prerë pa i shkaktuar dëme të konsiderueshme). Megjithatë, nuk kemi nevojë t'i përshkruajmë në detaje të gjitha metodat e tilla këtu, megjithëse njohja e disa prej rezultateve të analizës së difraksionit me rreze X është e dobishme për të kuptuar vetitë e materialeve të çmuara.