Елементарна комірка кристалічної решітки служить для опису мікроструктури матеріалів. Від її параметрів залежать багато фізико-хімічні властивості речовини: твердість, температура плавлення, електро – і теплопровідність, пластичність та інші. Типи цих елементарних структур були описані ще в 19 столітті. Однієї з різновидів є примітивна комірка. Для виділення у структурі матеріалу елементарної комірки необхідно дотримання ряду умов.
Кристалічна решітка
Всі тверді тіла за внутрішньою структурою можна класифікувати на дві форми: аморфні та кристалічні. Відмінною особливістю останніх є специфічна організована структура частинок.
Кристалічна решітка – це спрощена тривимірна модель твердих кристалів, яка використовується для аналізу їх властивостей у фізиці, хімії, біології, мінералогії та інших науках. Зовні вона схожа на сітку. В її вузлах містяться атоми речовини. Даний масив точок має певний, регулярно повторюваний порядок, специфічний для кожного виду речовини.
Що таке елементарна комірка?
Елементарна комірка кристалічної решітки – це найменша частина твердого тіла, яка дозволяє охарактеризувати його властивості. Вона служить основою решітки і дублюється в ній незліченну кількість разів.
Дана модель використовується для спрощення візуального опису внутрішньої будови кристалів. При цьому застосовується система з 3 кристалографічних координатних осей, які відрізняються від звичайних ортогональних тим, що вони є кінцевими відрізками певного розміру. Кути між осями можуть бути дорівнюють 90° або непрямими.
Якщо щільно заповнити елементарними комірками певний обсяг, то можна отримати ідеальний монокристал. На практиці більш поширені полікристали, що складаються з декількох обмежених у просторі регулярних структур.
Види
В науці виділяють 14 видів елементарних комірок решіток, володіють унікальною геометрією. Вперше їх описав французький фізик Огюст Бравэ в 1848 р. Цього вченого вважають засновником кристалографії.
Дані типи елементарних структур кристалічної решітки групують у 7 категорій, званих сингониями, в залежності від співвідношення довжин сторін і рівності кутів:
- кубічна;
- тетрагональная;
- орторомбическая;
- ромбоэдрическая;
- шестикутна;
- триклинная.
Найбільш простою і поширеною в природі з них є перша категорія, яка в свою чергу поділяється на 3 типи решіток:
- Проста кубічна. Всі частинки (а ними можуть бути атоми, електрично заряджені частинки або молекули) знаходяться у вершинах куба. Ці частинки ідентичні. Кожній клітинці належить 1 атом (8 вершин × 1/8 атома = 1).
- Об’емноцентрірованная кубічна. Відрізняється від попередньої моделі тим, що в центрі куба знаходиться ще одна частинка. До кожній клітинці ставиться по 2 атома речовини.
- Гранецентрированная кубічна. Частинки містяться у вершинах елементарної комірки, а також в центрі всіх граней. Кожна з осередків налічує по 4 атома.
Примітивна комірка
Елементарна комірка називається примітивною, якщо її частинки знаходяться тільки у вершинах решітки і відсутні в інших місцях. Її обсяг є мінімальним у порівнянні з іншими типами. На практиці вона часто виявляється низкосимметричной (прикладом може служити осередок Вігнера-Зейтца).
У примітивних комірок атом у центрі обсягу ділить їх на 2 або на 4 однакові частини. У гранецентрованої структурі відбувається поділ на 8 частин. В металографії користуються поняттям елементарної, а не примітивної комірки, так як симетрія першої дозволяє більш повноцінно описати кристалічну структуру матеріалу.
Ознаки
Всі 14 видів елементарних комірок володіють загальними властивостями:
- вони є найпростішими повторюваними структурами в кристалі;
- кожен центр решітки складається з однієї частинки, званий вузлом решітки;
- вузли осередку з’єднуються між собою прямими, які формують геометрію кристала;
- протилежні грані паралельні;
- симетрія елементарної структури відповідає симетрії всієї кристалічної решітки.
При виборі структури елементарної осередки керуються деякими правилами. У неї повинні бути:
- найменший об’єм і площа;
- найбільша кількість однакових ребер і кутів між ними;
- прямі кути (по можливості);
- просторова симетрія, відображає симетрію всій кристалічної решітки.
Обсяг
Об’єм елементарної комірки визначається в залежності від її геометричної форми. Для кубічної сингонії він обчислюється як довжина межі (міжцентрова відстань атомів), зведена в третю ступінь. Для гексагональної сингонії обсяг можна визначити за формулою, вказаною нижче:
де a і c – параметри кристалічної решітки, що вимірюється в ангстремах.
На практиці параметри кристалічної решітки розраховуються для того, щоб надалі можна було визначити структуру сполуки, масу атома (виходячи з ваги даного об’єму і числа Авогадро) або його радіус.
