Кристаллы и кристаллические структуры

Что такое кристалл?

Какие вещества можно считать кристаллическими, а какие нет? Алмаз и сапфир — кристаллы. Зерна сахара и соли — тоже кристаллы. Пластмасса обычно не имеет кристаллической структуры. Стекло не относится к кристаллам. Даже хрусталь, из которого делают дорогие вазы и чаши, не имеет кристаллической структуры, как ее понимают физики. Слюда-кристалл. Образцы «альцита, флюорита и полевого шпата, которые находят геологи, тоже относятся к кристаллам. Все металлы являются кристаллическими телами.

Что такое кристалл? С научной точки зрения к кристаллам можно отнести любое вещество, в котором наблюдается повторяющееся пространственное расположение атомов на протяжении сотен, тысяч и даже миллионов атомных расстояний. Определенное размещение атомов вдоль какой-либо прямой линии, мысленно проведенной в кристалле, в разных случаях различно, но вдоль каждой такой прямой это расположение повторяется неоднократно.

В железе атомы отстоят на равных расстояниях друг от друга вдоль линии, представляющей ребро повторяющегося куба. В поваренной соли ионы натрия и хлора, чередуясь, размещаются в вершинах куба.

Кристалл нафталина. Здесь мы видим, что элементарная ячейка, из которой строится кристалл, повторяется через две молекулы нафталина, каждая из которых содержит много атомов. Однако их расположение отвечает основному условию принадлежности вещества к кристаллам: определенная группа атомов — элементарная ячейка — повторяется в пространстве много раз.

В противоположность этой повторяющейся схеме расположение атомов в кварцевом стекле не позволяет отнести его к кристаллическим телам. Заметим, что для любого отдельно взятого атома расположение вокруг него соседних атомов и расстояние до него в кристаллическом кварце и в кварцевом стекле почти одинаковы.

Однако лишь кварц можно считать кристаллом; кварцевое стекло относится к так называемым аморфным телам, потому что в нем отсутствует симметрия в расположении атомов. Природа богата разнообразными видами элементарных кристаллических ячеек, из которых образуется очень большое число существующих кристаллов. Здесь мы дадим описание лишь нескольких простейших видов кристаллов.

Структура кристаллов

Куб — весьма распространенный и часто встречающийся составной элемент кристаллов, поскольку он имеет одинаковые размеры и форму в различных направлениях.

Кристаллы с простой кубической решеткой, имеющие одинаковые атомы в каждой из восьми вершин куба, никогда не встречаются в природе, но зато нам известно много разновидностей кубической решетки. У железа, как мы видели, помимо восьми атомов, расположенных по вершинам куба, один атом находится в его центре. Эта распространенная структура называется кубической объемно-центрированной.

Медь кристаллизуется в кубической решетке другой формы. В ней, помимо восьми атомов в вершинах, размещено еще шесть атомов, по одному в центре каждой из шести граней куба. Такая структура называется кубической гранецентрированной. Очень важный для промышленности металл цинк, используемый для отливки типографского шрифта и изготовления многих малогабаритных деталей машин, кристаллизуется интересным путем, образуя в основе элементарной ячейки шестиугольник. Эту элементарную ячейку кристалла цинка проще всего представить себе как ряд плоскостей, содержащих шестиугольные сетки атомов, уложенные одна над другой. Причем каждая вторая сетчатая плоскость несколько смещена в одном направлении, так что каждый атом одной плоскости размещается непосредственно над центром одного из равносторонних треугольников, образующих шестиугольник в нижележащей плоскости. Эту структуру довольно трудно описать, хотя она удивительно похожа на гранецентрированный куб.

Кристаллическая структура цинка называется гексагональной плотневшей упаковкой. Это один из двух возможных способов расположения твердых шаров, обеспечивающих наиболее плотную их упаковку.

Другая структура с плотной упаковкой — это описанная выше кубическая гранецентрированная структура. Она подобна гексагональной плотной упаковке, если смотреть по диагонали, проходящей из одной вершины через центр куба к противоположной вершине.

Четвертый важный тип кристаллической структуры — это структура алмаза. Кремний и германий — элементы, используемые в транзисторах, — имеют такую же структуру. Ее проще всего представить себе как две пересекающиеся гранецентрированные решетки.


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru