Ein Kristall unterscheidet sich von einem amorphen Feststoff. Kristalline und amorphe Körper: Struktur und Eigenschaften. Koordinationsnummer c.n.

Feststoffe sind kristalline und amorphe Körper. Kristall wurde in der Antike Eis genannt. Und dann begannen sie, Quarz einen Kristall zu nennen und betrachteten diese Mineralien als versteinertes Eis. Kristalle sind natürlich und werden in der Schmuckindustrie, Optik, Funktechnik und Elektronik, als Träger für Elemente in Ultrapräzisionsinstrumenten und als ultrahartes Schleifmaterial verwendet.

Kristalline Körper zeichnen sich durch Härte aus und haben eine streng regelmäßige Anordnung von Molekülen, Ionen oder Atomen im Raum, was zur Bildung eines dreidimensionalen periodischen Kristallgitters (Struktur) führt. Äußerlich äußert sich dies in einer gewissen Symmetrie der Form eines Festkörpers und seinen bestimmten physikalischen Eigenschaften. In ihrer äußeren Form spiegeln kristalline Körper die Symmetrie wider, die der inneren „Packung“ von Partikeln innewohnt. Dies bestimmt die Gleichheit der Winkel zwischen den Flächen aller Kristalle, die aus derselben Substanz bestehen.

In ihnen sind auch die Abstände von Mittelpunkt zu Mittelpunkt zwischen benachbarten Atomen gleich (befinden sie sich auf derselben Geraden, dann ist dieser Abstand über die gesamte Länge der Geraden gleich). Aber für Atome, die auf einer geraden Linie mit einer anderen Richtung liegen, wird der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Atome unterschiedlich sein. Dieser Umstand erklärt die Anisotropie. Anisotropie ist der Hauptunterschied zwischen kristallinen und amorphen Körpern.

Mehr als 90 % der Feststoffe können als Kristalle klassifiziert werden. In der Natur kommen sie in Form von Einkristallen und Polykristallen vor. Einkristalle sind Einkristalle, deren Flächen durch regelmäßige Vielecke dargestellt werden; Sie zeichnen sich durch das Vorhandensein eines kontinuierlichen Kristallgitters und die Anisotropie der physikalischen Eigenschaften aus.

Polykristalle sind Körper, die aus vielen kleinen Kristallen bestehen, die etwas chaotisch „zusammengewachsen“ sind. Polykristalle sind Metalle, Zucker, Steine, Sand. In solchen Körpern (zum Beispiel einem Metallfragment) tritt aufgrund der zufälligen Anordnung der Elemente normalerweise keine Anisotropie auf, obwohl Anisotropie für einen einzelnen Kristall dieses Körpers charakteristisch ist.

Weitere Eigenschaften kristalliner Körper: streng definierte Temperatur (Vorhandensein kritischer Punkte), Festigkeit, Elastizität, elektrische Leitfähigkeit, magnetische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit.

Amorph – ohne Form. So wird dieses Wort wörtlich aus dem Griechischen übersetzt. Amorphe Körper entstehen in der Natur. Zum Beispiel Bernstein, Wachs. Der Mensch ist an der Herstellung künstlicher amorpher Körper beteiligt – Glas und Harze (künstlich), Paraffin, Kunststoffe (Polymere), Kolophonium, Naphthalin usw. aufgrund der chaotischen Anordnung der Moleküle (Atome, Ionen) in der Struktur des Körpers nicht vorhanden sind. Daher sind sie für jeden amorphen Körper isotrop – in alle Richtungen gleich. Für amorphe Körper gibt es keinen kritischen Schmelzpunkt; sie erweichen beim Erhitzen allmählich und verwandeln sich in viskose Flüssigkeiten. Amorphen Körpern wird eine Zwischenstellung (Übergangsstellung) zwischen Flüssigkeiten und kristallinen Körpern zugeschrieben: Bei niedrigen Temperaturen verhärten sie sich und werden elastisch, außerdem können sie beim Aufprall in formlose Stücke zerfallen. Bei hohen Temperaturen zeigen dieselben Elemente Plastizität und werden zu viskosen Flüssigkeiten.

Jetzt wissen Sie, was kristalline Körper sind!

Das Senden Ihrer guten Arbeit an die Wissensdatenbank ist ganz einfach. Nutzen Sie das untenstehende Formular

Studierende, Doktoranden und junge Wissenschaftler, die die Wissensbasis in ihrem Studium und ihrer Arbeit nutzen, werden Ihnen sehr dankbar sein.

Gepostet auf http://www.allbest.ru/

Einführung

Kapitel 1. Kristalline und amorphe Körper

1.1 Ideale Kristalle

1.2 Einkristalle und kristalline Aggregate

1.3 Polykristalle

Kapitel 2. Elemente der Symmetrie von Kristallen

Kapitel 3. Arten von Defekten in Festkörpern

3.1 Punktmängel

3.2 Lineare Defekte

3.3 Oberflächenfehler

3.4 Volumetrische Defekte

Kapitel 4. Kristalle erhalten

Kapitel 5. Eigenschaften von Kristallen

Abschluss

Literaturverzeichnis

Einführung

Kristalle gehören zu den schönsten und geheimnisvollsten Schöpfungen der Natur. Derzeit untersucht die Wissenschaft der Kristallographie die Vielfalt von Kristallen. Sie zeigt Zeichen der Einheit in dieser Vielfalt auf und untersucht die Eigenschaften und Struktur sowohl von Einzelkristallen als auch von kristallinen Aggregaten. Die Kristallographie ist eine Wissenschaft, die kristalline Materie umfassend untersucht. Auch diese Arbeit widmet sich den Kristallen und ihren Eigenschaften.

Derzeit werden Kristalle in Wissenschaft und Technik häufig verwendet, da sie besondere Eigenschaften haben. Anwendungsbereiche von Kristallen wie Halbleiter, Supraleiter, Quantenelektronik und viele andere erfordern ein tiefes Verständnis der Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften von Kristallen von ihrer chemischen Zusammensetzung und Struktur.

Derzeit sind Methoden zur künstlichen Züchtung von Kristallen bekannt. Ein Kristall kann in einem gewöhnlichen Glas gezüchtet werden; dazu bedarf es nur einer bestimmten Lösung und der Sorgfalt, mit der man den wachsenden Kristall pflegen muss.

In der Natur gibt es eine große Vielfalt an Kristallen und es gibt auch viele verschiedene Formen von Kristallen. In Wirklichkeit ist es nahezu unmöglich, eine Definition zu geben, die für alle Kristalle gilt. Hier können die Ergebnisse der Röntgenanalyse von Kristallen hilfreich sein. Röntgenstrahlen ermöglichen es, die Atome im Inneren eines kristallinen Körpers zu ertasten und ihre räumliche Lage zu bestimmen. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass absolut alle Kristalle aus Elementarteilchen aufgebaut sind, die sich in strenger Reihenfolge im Kristallkörper befinden.

In allen kristallinen Strukturen ausnahmslos lassen sich viele identische Atome von Atomen unterscheiden, die wie Knoten eines räumlichen Gitters angeordnet sind. Um uns ein solches Gitter vorzustellen, füllen wir den Raum im Geiste mit vielen gleichen Parallelepipeden, die parallel ausgerichtet sind und sich entlang der gesamten Fläche berühren. Das einfachste Beispiel für ein solches Gebäude ist ein Mauerwerk aus identischen Ziegeln. Wenn wir die entsprechenden Punkte innerhalb der Ziegelsteine ​​auswählen, zum Beispiel ihre Mittelpunkte oder Eckpunkte, dann erhalten wir ein Modell eines räumlichen Gitters. Ausnahmslos alle kristallinen Körper zeichnen sich durch eine Gitterstruktur aus.

Kristalle heißen „ alle Festkörper, in denen die einzelnen Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle) streng regelmäßig wie Knotenpunkte räumlicher Gitter angeordnet sind". Diese Definition kommt der Wahrheit so nahe wie möglich; sie eignet sich für alle homogenen kristallinen Körper: Kugeln (eine Kristallform ohne Flächen, Kanten oder hervorstehende Spitzen), Körner und Figuren mit flachen Gesichtern.

Kapitel 1.Kristalline und amorphe Körper

Basierend auf ihren physikalischen Eigenschaften und ihrer molekularen Struktur werden Feststoffe in zwei Klassen eingeteilt – amorphe und kristalline Feststoffe.

Ein charakteristisches Merkmal amorpher Körper ist ihre Isotropie, d. h. Unabhängigkeit aller physikalischen Eigenschaften (mechanisch, optisch usw.) von der Richtung. Moleküle und Atome in isotropen Festkörpern sind zufällig angeordnet und bilden nur kleine lokale Gruppen, die mehrere Teilchen enthalten (Nahordnung). Amorphe Körper sind in ihrer Struktur Flüssigkeiten sehr ähnlich.

Beispiele für amorphe Körper sind Glas, verschiedene gehärtete Harze (Bernstein), Kunststoffe usw. Wenn ein amorpher Körper erhitzt wird, erweicht er allmählich und der Übergang in einen flüssigen Zustand erfolgt über einen erheblichen Temperaturbereich.

In kristallinen Körpern sind die Partikel in einer strengen Reihenfolge angeordnet und bilden über das gesamte Körpervolumen hinweg räumliche, sich periodisch wiederholende Strukturen. Solche Strukturen visuell darzustellen, räumlich Kristallgitter, an deren Knoten sich die Zentren von Atomen oder Molekülen einer bestimmten Substanz befinden.

In jedem Raumgitter kann man ein Strukturelement minimaler Größe unterscheiden, das sogenannte Einheitszelle.

Reis. 1. Arten von Kristallgittern: 1 - einfaches kubisches Gitter; 2 - flächenzentriertes kubisches Gitter; 3 – kubisch raumzentriertes Gitter; 4 - sechseckiges Gitter

In einem einfachen kubischen Gitter befinden sich die Teilchen an den Ecken des Würfels. In einem flächenzentrierten Gitter befinden sich Partikel nicht nur an den Ecken des Würfels, sondern auch in den Mittelpunkten jeder seiner Flächen. In einem kubisch-raumzentrierten Gitter befindet sich ein zusätzliches Teilchen im Zentrum jeder kubischen Elementarzelle.

Es ist zu beachten, dass die Partikel in Kristallen dicht gepackt sind, sodass der Abstand zwischen ihren Mittelpunkten ungefähr der Größe der Partikel entspricht. Im Bild von Kristallgittern ist nur die Lage der Teilchenzentren angegeben.

1. 1 perfekte Kristalle

Die richtige geometrische Form von Kristallen erregte bereits in den frühen Stadien der Entwicklung der Kristallographie die Aufmerksamkeit der Forscher und führte zur Aufstellung bestimmter Hypothesen über ihre innere Struktur.

Wenn wir einen idealen Kristall betrachten, werden wir darin keine Verstöße finden; alle identischen Teilchen befinden sich in identischen parallelen Reihen. Wenn wir drei Elementartranslationen, die nicht in derselben Ebene liegen, auf einen beliebigen Punkt anwenden und diese endlos im Raum wiederholen, erhalten wir ein räumliches Gitter, d. h. dreidimensionales System äquivalenter Knoten. Somit ist in einem idealen Kristall die Anordnung der Materialpartikel durch eine strenge dreidimensionale Periodizität gekennzeichnet. Und um eine klare Vorstellung von den Mustern zu bekommen, die mit der geometrisch korrekten inneren Struktur von Kristallen verbunden sind, werden im Laborunterricht in Kristallographie meist Modelle ideal geformter Kristalle in Form von konvexen Polyedern mit flachen Flächen und geraden Kanten verwendet. Tatsächlich sind die Flächen echter Kristalle nicht vollkommen flach, da sie beim Wachsen mit Tuberkeln, Rauheiten, Rillen, Wachstumsgruben, Vicinalen (Flächen, die ganz oder teilweise von ihrer idealen Position abweichen), Wachstums- oder Auflösungsspiralen, usw. .

Perfekter Kristall- Dies ist ein physikalisches Modell, bei dem es sich um einen unendlichen Einkristall handelt, der keine Verunreinigungen oder Strukturfehler enthält. Der Unterschied zwischen echten und idealen Kristallen beruht auf der Endlichkeit ihrer Größe und dem Vorhandensein von Defekten. Das Vorhandensein einiger Defekte (z. B. Verunreinigungen, interkristalline Grenzen) in echten Kristallen kann durch spezielle Wachstums-, Glüh- oder Reinigungsmethoden nahezu vollständig vermieden werden. Allerdings weisen Kristalle bei einer Temperatur T>0K immer eine endliche Konzentration an (thermisch aktivierten) Leerstellen und Zwischengitteratomen auf, deren Anzahl im Gleichgewicht mit sinkender Temperatur exponentiell abnimmt.

Kristalline Substanzen können in Form von Einkristallen oder polykristallinen Proben vorliegen.

Ein Einkristall ist ein Festkörper, in dem eine regelmäßige Struktur das gesamte Volumen der Substanz bedeckt. Einkristalle kommen in der Natur vor (Quarz, Diamant, Smaragd) oder werden künstlich hergestellt (Rubin).

Polykristalline Proben bestehen aus einer Vielzahl kleiner, zufällig orientierter Kristalle unterschiedlicher Größe, die durch bestimmte Wechselwirkungskräfte miteinander verbunden sein können.

1. 2 MonokristallLegierungen und kristalline Aggregate

Einkristall- ein separater homogener Kristall mit einem kontinuierlichen Kristallgitter und manchmal einer Anisotropie der physikalischen Eigenschaften. Die äußere Form eines Einkristalls wird durch sein atomares Kristallgitter und die Bedingungen (hauptsächlich Geschwindigkeit und Gleichmäßigkeit) der Kristallisation bestimmt. Ein langsam gewachsener Einkristall erhält fast immer einen klar definierten natürlichen Schnitt; unter Nichtgleichgewichtsbedingungen (durchschnittliche Wachstumsrate) der Kristallisation erscheint der Schnitt schwach. Bei einer noch höheren Kristallisationsgeschwindigkeit bilden sich anstelle eines Einkristalls homogene Polykristalle und polykristalline Aggregate, die aus vielen unterschiedlich orientierten kleinen Einkristallen bestehen. Beispiele für facettierte natürliche Einkristalle sind Einkristalle aus Quarz, Steinsalz, Islandspat, Diamant und Topas. Unter besonderen Bedingungen gezüchtete Einkristalle aus Halbleiter- und dielektrischen Materialien sind von großer industrieller Bedeutung. Insbesondere Einkristalle aus Silizium und künstliche Legierungen von Elementen der Gruppe III (dritte) mit Elementen der Gruppe V (fünfte) des Periodensystems (z. B. GaAs-Galliumarsenid) bilden die Grundlage der modernen Festkörperelektronik. Einkristalle aus Metallen und deren Legierungen haben keine besonderen Eigenschaften und werden praktisch nicht verwendet. Einkristalle hochreiner Substanzen haben unabhängig von der Methode ihrer Herstellung die gleichen Eigenschaften. Die Kristallisation erfolgt nahe dem Schmelzpunkt (Kondensation) aus gasförmigen (z. B. Frost und Schneeflocken), flüssigen (am häufigsten) und festen amorphen Zuständen unter Freisetzung von Wärme. Die Kristallisation aus Gas oder Flüssigkeit hat einen starken Reinigungsmechanismus: Die chemische Zusammensetzung langsam gewachsener Einkristalle ist nahezu ideal. Fast alle Verunreinigungen verbleiben (akkumulieren) in Flüssigkeiten oder Gasen. Dies liegt daran, dass beim Wachsen des Kristallgitters eine spontane Auswahl der benötigten Atome (Moleküle für Molekülkristalle) nicht nur nach ihren chemischen Eigenschaften (Wertigkeit), sondern auch nach ihrer Größe erfolgt.

Der modernen Technologie mangelt es nicht mehr an den begrenzten Eigenschaften natürlicher Kristalle (insbesondere für die Herstellung von Halbleiterlasern), und Wissenschaftler haben eine Methode zur Herstellung kristallähnlicher Substanzen mit Zwischeneigenschaften entwickelt, indem sie abwechselnd ultradünne Kristallschichten mit ähnlichen Kristallen züchten Gitterparameter.

Im Gegensatz zu anderen Aggregatzuständen ist der kristalline Zustand vielfältig. Moleküle gleicher Zusammensetzung können auf unterschiedliche Weise in Kristalle verpackt werden. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Stoffes hängen von der Verpackungsmethode ab. So haben Stoffe mit gleicher chemischer Zusammensetzung oft tatsächlich unterschiedliche physikalische Eigenschaften. Eine solche Vielfalt ist für einen flüssigen Zustand nicht typisch, für einen gasförmigen Zustand jedoch unmöglich.

Wenn wir zum Beispiel gewöhnliches Speisesalz nehmen, sind einzelne Kristalle auch ohne Mikroskop leicht zu erkennen.

Wenn wir betonen wollen, dass es sich um einen einzelnen, separaten Kristall handelt, dann nennen wir ihn Einkristall, Um zu betonen, dass es sich um eine Ansammlung vieler Kristalle handelt, wird der Begriff verwendet kristallines Aggregat. Wenn einzelne Kristalle in einem kristallinen Aggregat nahezu keine Facetten aufweisen, kann dies damit erklärt werden, dass die Kristallisation an vielen Stellen der Substanz gleichzeitig einsetzte und ihre Geschwindigkeit recht hoch war. Wachsende Kristalle behindern sich gegenseitig und verhindern das korrekte Schneiden jedes einzelnen Kristalls.

In dieser Arbeit werden wir hauptsächlich über Einkristalle sprechen, und da sie Bestandteile von kristallinen Aggregaten sind, werden ihre Eigenschaften den Eigenschaften der Aggregate ähneln.

1. 3 Polykristalle

Polykristall- eine Ansammlung kleiner Kristalle jeglicher Substanz, die aufgrund ihrer unregelmäßigen Form manchmal auch Kristallite oder Kristallkörner genannt werden. Viele Materialien natürlichen und künstlichen Ursprungs (Mineralien, Metalle, Legierungen, Keramik usw.) sind polykristallin.

Eigenschaften und Erhalten. Die Eigenschaften von Polykristallen werden durch die Eigenschaften der kristallinen Körner, aus denen sie bestehen, ihre durchschnittliche Größe, die von 1-2 Mikrometer bis zu mehreren Millimetern (in manchen Fällen bis zu mehreren Metern) reicht, die kristallographische Orientierung der Körner und die Struktur der Korngrenzen. Wenn die Körner zufällig ausgerichtet sind und ihre Größe im Vergleich zur Größe des Polykristalls klein ist, tritt die für Einkristalle charakteristische Anisotropie der physikalischen Eigenschaften im Polykristall nicht auf. Wenn ein Polykristall eine vorherrschende kristallographische Ausrichtung der Körner aufweist, ist der Polykristall texturiert und weist in diesem Fall eine Anisotropie der Eigenschaften auf. Das Vorhandensein von Korngrenzen beeinflusst die physikalischen, insbesondere mechanischen Eigenschaften von Polykristallen erheblich, da an den Grenzen eine Streuung von Leitungselektronen, Phononen, eine Bremsung von Versetzungen usw. auftritt.

Polykristalle entstehen bei der Kristallisation, polymorphen Umwandlungen und beim Sintern kristalliner Pulver. Ein Polykristall ist weniger stabil als ein Einkristall. Daher kommt es bei längerem Glühen eines Polykristalls zu einer Rekristallisation (überwiegendes Wachstum einzelner Körner auf Kosten anderer), was zur Bildung großer Kristallblöcke führt.

Kapitel 2. Kristallsymmetrieelemente

Die Konzepte von Symmetrie und Asymmetrie tauchen in der Wissenschaft seit der Antike als ästhetisches Kriterium und nicht als rein wissenschaftliche Definitionen auf. Bevor die Idee der Symmetrie auftauchte, ähnelten Mathematik, Physik und Naturwissenschaften im Allgemeinen getrennten Inseln von Ideen, Theorien und Gesetzen, die hoffnungslos voneinander isoliert und sogar widersprüchlich waren. Symmetrie charakterisiert und markiert das Zeitalter der Synthese, in dem unterschiedliche Fragmente wissenschaftlicher Erkenntnisse zu einem einzigen, ganzheitlichen Bild der Welt verschmelzen. Einer der Haupttrends in diesem Prozess ist die Mathematisierung wissenschaftlicher Erkenntnisse.

Symmetrie wird üblicherweise nicht nur als grundlegendes Bild wissenschaftlicher Erkenntnisse betrachtet, das interne Verbindungen zwischen Systemen, Theorien, Gesetzen und Konzepten herstellt, sondern auch auf so grundlegende Attribute wie Raum und Zeit und Bewegung zurückgeführt. In diesem Sinne bestimmt die Symmetrie die Struktur der materiellen Welt und aller ihrer Bestandteile. Symmetrie hat einen vielschichtigen und mehrstufigen Charakter. Im System des physikalischen Wissens wird Symmetrie beispielsweise auf der Ebene von Phänomenen, Gesetzen, die diese Phänomene beschreiben, und den diesen Gesetzen zugrunde liegenden Prinzipien berücksichtigt, und in der Mathematik – bei der Beschreibung geometrischer Objekte. Symmetrie kann wie folgt klassifiziert werden:

· strukturell;

· geometrisch;

· dynamisch, beschreibend bzw. kristallographisch,

mathematische und physikalische Aspekte dieses Konzepts.

Die einfachsten Symmetrien lassen sich in unserem gewöhnlichen dreidimensionalen Raum geometrisch darstellen und sind daher visuell. Solche Symmetrien sind mit geometrischen Operationen verbunden, die den betreffenden Körper mit sich selbst in Übereinstimmung bringen. Sie sagen, dass sich Symmetrie in der Unveränderlichkeit (Invarianz) eines Körpers oder Systems in Bezug auf eine bestimmte Operation manifestiert. Beispielsweise ist eine Kugel (ohne Markierungen auf ihrer Oberfläche) bei jeder Drehung unveränderlich. Dies zeigt seine Symmetrie. Eine Kugel mit einer Markierung, beispielsweise in Form eines Punktes, fällt erst beim Drehen mit sich selbst zusammen, danach kehrt die Markierung darauf in ihre ursprüngliche Position zurück. Unser dreidimensionaler Raum ist isotrop. Das bedeutet, dass es wie eine Kugel ohne Markierungen bei jeder Drehung mit sich selbst zusammenfällt. Der Raum ist untrennbar mit der Materie verbunden. Daher ist auch unser Universum isotrop. Auch der Raum ist homogen. Das bedeutet, dass es (und unser Universum) bezüglich der Verschiebungsoperation symmetrisch ist. Die Zeit hat die gleiche Symmetrie.

Neben einfachen (geometrischen) Symmetrien sind in der Physik auch sehr komplexe, sogenannte dynamische Symmetrien weit verbreitet, also Symmetrien, die nicht mit Raum und Zeit, sondern mit einer bestimmten Art von Wechselwirkung verbunden sind. Sie sind nicht visuell und selbst die einfachsten von ihnen, zum Beispiel die sogenannten Eichsymmetrien, es ist schwer zu erklären, ohne eine ziemlich komplexe physikalische Theorie zu verwenden. Einige Erhaltungssätze entsprechen auch Eichsymmetrien in der Physik. Beispielsweise führt die Eichsymmetrie elektromagnetischer Potentiale zum Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung.

Im Laufe der gesellschaftlichen Praxis hat die Menschheit viele Fakten angesammelt, die sowohl auf eine strenge Ordnung, ein Gleichgewicht zwischen Teilen des Ganzen als auch auf Verletzungen dieser Ordnung hinweisen. Dabei lassen sich folgende fünf Symmetriekategorien unterscheiden:

· Symmetrie;

· Asymmetrie;

· Asymmetrie;

· Antisymmetrie;

· Supersymmetrie.

Asymmetrie . Asymmetrie ist Asymmetrie, d.h. ein Zustand, in dem es keine Symmetrie gibt. Kant sagte aber auch, dass Negation niemals eine einfache Ausnahme oder das Fehlen entsprechender positiver Inhalte sei. Bewegung ist beispielsweise eine Negierung seines vorherigen Zustands, eine Veränderung eines Objekts. Bewegung leugnet Ruhe, aber Ruhe ist nicht die Abwesenheit von Bewegung, da es nur sehr wenige Informationen gibt und diese Informationen fehlerhaft sind. Es gibt keine Abwesenheit von Ruhe, genauso wie es keine Bewegung gibt, da es sich dabei um zwei Seiten desselben Wesens handelt. Ruhe ist ein weiterer Aspekt der Bewegung.

Es gibt auch kein völliges Fehlen von Symmetrie. Eine Figur, die kein Symmetrieelement aufweist, wird als asymmetrisch bezeichnet. Genau genommen ist dies jedoch nicht der Fall. Bei asymmetrischen Figuren wird zwar die Unordnung der Symmetrie einfach beendet, nicht aber die völlige Symmetrielosigkeit, da diese Figuren noch durch unendlich viele Achsen erster Ordnung gekennzeichnet sind, die auch Elemente der Symmetrie sind.

Asymmetrie ist mit dem Fehlen aller Symmetrieelemente in einem Objekt verbunden. Ein solches Element ist unteilbar in Teile. Ein Beispiel ist die menschliche Hand. Asymmetrie ist eine der Symmetrie entgegengesetzte Kategorie, die Ungleichgewichte in der objektiven Welt widerspiegelt, die mit Veränderung, Entwicklung und Umstrukturierung von Teilen des Ganzen verbunden sind. So wie wir von Bewegung sprechen, also von der Einheit von Bewegung und Ruhe, so sind Symmetrie und Asymmetrie zwei polare Gegensätze der objektiven Welt. In der realen Natur gibt es keine reine Symmetrie und Asymmetrie. Sie sind immer in Einheit und im ständigen Kampf.

Auf verschiedenen Entwicklungsstufen der Materie gibt es entweder Symmetrie (relative Ordnung) oder Asymmetrie (eine Tendenz, Frieden, Bewegung, Entwicklung zu stören), aber diese beiden Tendenzen sind immer vereint und ihr Kampf ist absolut. Echte, selbst die vollkommensten Kristalle sind in ihrer Struktur weit von den in der Kristallographie betrachteten Kristallen idealer Form und idealer Symmetrie entfernt. Sie enthalten erhebliche Abweichungen von der idealen Symmetrie. Sie weisen auch Elemente der Asymmetrie auf: Versetzungen und Leerstellen, die sich auf ihre physikalischen Eigenschaften auswirken.

Die Definitionen von Symmetrie und Asymmetrie weisen auf die universelle, allgemeine Natur von Symmetrie und Asymmetrie als Eigenschaften der materiellen Welt hin. Die Analyse des Symmetriebegriffs in Physik und Mathematik tendiert (mit seltenen Ausnahmen) dazu, Symmetrie zu verabsolutieren und Asymmetrie als das Fehlen von Symmetrie und Ordnung zu interpretieren. Der Antipode der Symmetrie erscheint als rein negativer, aber beachtenswerter Begriff. Ein großes Interesse an der Asymmetrie entstand Mitte des 19. Jahrhunderts im Zusammenhang mit den Experimenten von L. Pasteur zur Untersuchung und Trennung von Stereoisomeren.

Asymmetrie . Asymmetrie ist innere oder gestörte Symmetrie, d. h. Dem Objekt fehlen einige Elemente der Symmetrie. Bei Flüssen, die entlang der Erdmeridiane fließen, ist beispielsweise ein Ufer höher als das andere (auf der Nordhalbkugel ist das rechte Ufer höher als das linke und auf der Südhalbkugel umgekehrt). Nach Pasteur ist eine asymmetrische Figur eine Figur, die nicht durch einfache Überlagerung mit ihrem Spiegelbild kombiniert werden kann. Der Symmetriegrad eines asymmetrischen Objekts kann beliebig hoch sein. Asymmetrie im weitesten Sinne ihres Verständnisses könnte als jede Form der Annäherung von einem unendlich symmetrischen Objekt an ein unendlich asymmetrisches Objekt definiert werden.

Antisymmetrie . Antisymmetrie wird als entgegengesetzte Symmetrie oder Symmetrie der Gegensätze bezeichnet. Es ist mit einer Änderung des Vorzeichens der Figur verbunden: Teilchen – Antiteilchen, Konvexität – Konkavität, Schwarz – Weiß, Spannung – Kompression, vorwärts – rückwärts usw. Dieses Konzept lässt sich am Beispiel zweier Paar schwarzer und weißer Handschuhe erklären. Wenn aus einem Stück Leder zwei Paar schwarze und weiße Handschuhe genäht werden, deren beide Seiten weiß bzw. schwarz bemalt sind, dann können sie anhand von Rechtsismus – Linksismus, nach Farbe – Schwarzheit und Weißheit – unterschieden werden mit anderen Worten, auf der Grundlage des Zeicheninformatismus und eines anderen Zeichens. Die Antisymmetrieoperation besteht aus gewöhnlichen Symmetrieoperationen, die mit einer Änderung des zweiten Attributs der Figur einhergehen.

Supersymmetrie In den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts begann sich ein Modell der Supersymmetrie zu entwickeln, das von den russischen Theoretikern Gelfand und Lichtman vorgeschlagen wurde. Einfach ausgedrückt bestand ihre Idee darin, dass es, genau wie es gewöhnliche Raum- und Zeitdimensionen gibt, zusätzliche Dimensionen geben muss, die in den sogenannten Grassmann-Zahlen gemessen werden können. Wie S. Hawking sagte, sind selbst Science-Fiction-Autoren noch nie an etwas so Seltsames wie die Grassmann-Dimensionen gedacht. Wenn in unserer gewöhnlichen Arithmetik die Zahl 4 multipliziert mit 6 dasselbe ist wie 6 multipliziert mit 4. Aber das Merkwürdige an Grassmann-Zahlen ist, dass, wenn X mit Y multipliziert wird, sie gleich minus Y multipliziert mit X ist. Sie haben das Gefühl Wie weit ist dies von unseren klassischen Vorstellungen über die Natur und Methoden zu ihrer Beschreibung entfernt?

Symmetrie kann auch durch Bewegungsformen oder sogenannte Symmetrieoperationen berücksichtigt werden. Folgende Symmetrieoperationen können unterschieden werden:

· Spiegelung in einer Symmetrieebene (Spiegelung);

Drehung um die Symmetrieachse ( Rotationssymmetrie);

· Spiegelung am Symmetriezentrum (Inversion);

überweisen ( übertragen) Figuren aus der Ferne;

· Schraubendrehungen;

· Permutationssymmetrie.

Spiegelung in der Symmetrieebene . Reflexion ist die bekannteste und am häufigsten vorkommende Art der Symmetrie in der Natur. Der Spiegel gibt genau das wieder, was er „sieht“, aber die Reihenfolge ist umgekehrt: Die rechte Hand Ihres Doppelgängers wird tatsächlich seine linke Hand sein, da die Finger in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sind. Jeder kennt wahrscheinlich den Film „Das Königreich der krummen Spiegel“ aus seiner Kindheit, in dem die Namen aller Charaktere in umgekehrter Reihenfolge gelesen wurden. Spiegelsymmetrie ist überall zu finden: in den Blättern und Blüten von Pflanzen, in der Architektur, in Ornamenten. Der menschliche Körper hat, wenn wir nur über sein Aussehen sprechen, eine Spiegelsymmetrie, wenn auch nicht ganz streng. Darüber hinaus ist den Körpern fast aller Lebewesen eine Spiegelsymmetrie inhärent, und ein solcher Zufall ist keineswegs zufällig. Die Bedeutung des Konzepts der Spiegelsymmetrie kann kaum überschätzt werden.

Alles, was sich in zwei spiegelgleiche Hälften teilen lässt, hat Spiegelsymmetrie. Jede der Hälften dient als Spiegelbild der anderen, und die Ebene, die sie trennt, wird Spiegelreflexionsebene oder einfach Spiegelebene genannt. Diese Ebene kann als Symmetrieelement bezeichnet werden, und die entsprechende Operation kann als Symmetrieoperation bezeichnet werden . Täglich stoßen wir auf dreidimensionale symmetrische Muster: Das sind viele moderne Wohngebäude und manchmal ganze Blöcke, Kisten und Kisten, die in Lagerhallen gestapelt sind; Atome einer Substanz im kristallinen Zustand bilden ein Kristallgitter – ein Element der Dreidimensionalität Symmetrie. In all diesen Fällen ermöglicht der richtige Standort eine sparsame Raumnutzung und sorgt für Stabilität.

Ein bemerkenswertes Beispiel für Spiegelsymmetrie in der Literatur ist der „Wechselbalg“-Satz: „Und die Rose fiel auf Azors Pfote.“ . Das Zentrum der Spiegelsymmetrie ist in dieser Linie der Buchstabe „n“, relativ zu dem alle anderen Buchstaben (ohne Berücksichtigung der Wortabstände) in entgegengesetzter Reihenfolge angeordnet sind.

Rotationssymmetrie . Das Aussehen des Musters ändert sich nicht, wenn es in einem bestimmten Winkel um seine Achse gedreht wird. Die dabei entstehende Symmetrie wird Rotationssymmetrie genannt . Ein Beispiel ist das Kinderspiel „Windrad“ mit Rotationssymmetrie. Bei vielen Tänzen basieren die Figuren auf Rotationsbewegungen, die oft nur in eine Richtung (also ohne Spiegelung) ausgeführt werden, zum Beispiel bei Rundtänzen.

Die Blätter und Blüten vieler Pflanzen weisen eine Radialsymmetrie auf. Dies ist eine Symmetrie, bei der sich ein Blatt oder eine Blume, die sich um die Symmetrieachse dreht, in sich selbst verwandelt. In Querschnitten von Geweben, die die Wurzel oder den Stängel einer Pflanze bilden, ist die radiale Symmetrie deutlich sichtbar. Auch die Blütenstände vieler Blüten sind radiärsymmetrisch.

Spiegelung im Zentrum der Symmetrie . Ein Beispiel für ein Objekt höchster Symmetrie, das diese Symmetrieoperation charakterisiert, ist eine Kugel. Kugelformen sind in der Natur weit verbreitet. Sie kommen häufig in der Atmosphäre (Nebeltröpfchen, Wolken), der Hydrosphäre (verschiedene Mikroorganismen), der Lithosphäre und im Weltraum vor. Sporen und Pollen von Pflanzen, Wassertropfen, die im Zustand der Schwerelosigkeit auf einem Raumschiff freigesetzt werden, haben eine Kugelform. Auf der metagalaktischen Ebene sind die größten sphärischen Strukturen sphärische Galaxien. Je dichter ein Galaxienhaufen ist, desto näher kommt er einer Kugelform. Auch Sternhaufen sind kugelförmig.

Übersetzung oder Übertragung einer Figur über eine Distanz . Unter Translation oder paralleler Übertragung einer Figur über eine Distanz versteht man jedes sich unbegrenzt wiederholende Muster. Es kann eindimensional, zweidimensional, dreidimensional sein. Die Verschiebung in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung bildet ein eindimensionales Muster. Durch die Verschiebung in zwei nicht parallele Richtungen entsteht ein zweidimensionales Muster. Parkettböden, Tapetenmuster, Spitzenbänder, mit Ziegeln oder Fliesen gepflasterte Wege, kristalline Figuren bilden Muster, die keine natürlichen Grenzen kennen. Bei der Untersuchung der beim Buchdruck verwendeten Muster wurden die gleichen Symmetrieelemente entdeckt wie bei der Gestaltung von Fliesenböden. Zierbordüren werden mit Musik in Verbindung gebracht. Zu den Elementen des symmetrischen Aufbaus in der Musik gehören die Operationen der Wiederholung (Übersetzung) und der Umkehrung (Reflexion). Es sind diese Symmetrieelemente, die in Grenzen zu finden sind. Obwohl die meiste Musik nicht streng symmetrisch ist, basieren viele Musikstücke auf Symmetrieoperationen. Besonders auffällig sind sie bei Kinderliedern, die offenbar so leicht zu merken sind. Symmetrieoperationen finden sich in der Musik des Mittelalters und der Renaissance, in der Musik des Barock (oft in sehr ausgefeilter Form). Während der Zeit von I.S. Bach, als Symmetrie ein wichtiges Kompositionsprinzip war, verbreitete sich eine Art musikalisches Puzzlespiel. Eine davon bestand darin, die mysteriösen „Kanonen“ zu lösen. Kanon ist eine Form polyphoner Musik, die darauf basiert, ein von einer Stimme geleitetes Thema in anderen Stimmen auszuführen. Der Komponist würde ein Thema vorschlagen, und die Zuhörer müssten die Symmetrieoperationen erraten, die er bei der Wiederholung des Themas verwenden wollte.

Die Natur stellt Rätsel der gegenteiligen Art dar: Uns wird ein abgeschlossener Kanon geboten, und wir müssen die Regeln und Motive finden, die vorhandenen Mustern und Symmetrien zugrunde liegen, und umgekehrt nach Mustern suchen, die entstehen, wenn ein Motiv nach anderen Regeln wiederholt wird. Der erste Ansatz führt zum Studium der Struktur von Materie, Kunst, Musik und Denken. Der zweite Ansatz konfrontiert uns mit dem Problem des Designs oder Plans, das Künstler, Architekten, Musiker und Wissenschaftler seit der Antike beschäftigt.

Spiralförmige Drehungen . Translation kann mit Spiegelung oder Drehung kombiniert werden, wodurch neue Symmetrieoperationen entstehen. Eine Drehung um eine bestimmte Gradzahl, begleitet von einer Translation über eine Strecke entlang der Drehachse, erzeugt eine helikale Symmetrie – die Symmetrie einer Wendeltreppe. Ein Beispiel für Spiralsymmetrie ist die Anordnung der Blätter am Stängel vieler Pflanzen. Der Sonnenblumenkopf hat Triebe, die in geometrischen Spiralen angeordnet sind und sich von der Mitte nach außen winden. Die jüngsten Mitglieder der Spirale befinden sich in der Mitte. In solchen Systemen kann man zwei Familien von Spiralen erkennen, die sich in entgegengesetzte Richtungen abwickeln und sich in Winkeln schneiden, die den Geraden nahekommen. Doch so interessant und attraktiv die Erscheinungsformen der Symmetrie in der Pflanzenwelt auch sind, es gibt immer noch viele Geheimnisse, die Entwicklungsprozesse steuern. In Anlehnung an Goethe, der von der Tendenz der Natur zur Spirale sprach, können wir davon ausgehen, dass diese Bewegung entlang einer logarithmischen Spirale erfolgt, wobei jeweils von einem zentralen, festen Punkt ausgegangen wird und eine translatorische Bewegung (Streckung) mit einer Rotation kombiniert wird.

Kommutierungssymmetrie . Mit der Entwicklung der Quantenmechanik ist eine weitere Ausweitung der Zahl physikalischer Symmetrien verbunden. Eine der besonderen Symmetriearten im Mikrokosmos ist die Permutationssymmetrie. Es basiert auf der grundsätzlichen Ununterscheidbarkeit identischer Mikropartikel, die sich nicht entlang bestimmter Trajektorien bewegen, und ihre Positionen werden anhand probabilistischer Eigenschaften geschätzt, die mit dem Quadrat des Moduls der Wellenfunktion verbunden sind. Die Kommutierungssymmetrie beruht auf der Tatsache, dass sich die probabilistischen Eigenschaften nicht ändern, wenn Quantenteilchen „umgeordnet“ werden; der quadratische Modul der Wellenfunktion ist ein konstanter Wert.

Symmetrie der Ähnlichkeit . Eine andere Art von Symmetrie ist die Ähnlichkeitssymmetrie, die mit der gleichzeitigen Vergrößerung oder Verkleinerung ähnlicher Teile der Figur und der Abstände zwischen ihnen verbunden ist. Ein Beispiel für diese Art von Symmetrie ist die Matroschka-Puppe. Eine solche Symmetrie ist in der belebten Natur weit verbreitet. Es wird von allen wachsenden Organismen nachgewiesen.

Symmetriefragen spielen in der modernen Physik eine entscheidende Rolle. Die dynamischen Naturgesetze zeichnen sich durch bestimmte Arten von Symmetrie aus. Im Allgemeinen bedeutet Symmetrie physikalischer Gesetze ihre Invarianz gegenüber bestimmten Transformationen. Es ist auch zu beachten, dass die betrachteten Symmetrietypen gewisse Grenzen ihrer Anwendbarkeit haben. Beispielsweise besteht die Symmetrie von rechts und links nur im Bereich starker elektromagnetischer Wechselwirkungen, wird jedoch bei schwachen verletzt. Die Isotopeninvarianz ist nur gültig, wenn elektromagnetische Kräfte berücksichtigt werden. Um das Konzept der Symmetrie anzuwenden, können Sie eine bestimmte Struktur einführen, die vier Faktoren berücksichtigt:

· Objekt oder Phänomen, das untersucht wird;

· Transformation, in Bezug auf die Symmetrie berücksichtigt wird;

· Invarianz aller Eigenschaften eines Objekts oder Phänomens, die die betreffende Symmetrie ausdrückt. Der Zusammenhang zwischen der Symmetrie physikalischer Gesetze und Erhaltungsgesetzen;

· Grenzen der Anwendbarkeit verschiedener Symmetrietypen.

Die Untersuchung der Symmetrieeigenschaften physikalischer Systeme oder Gesetze erfordert den Einsatz spezieller mathematischer Analysen, vor allem der Konzepte der Gruppentheorie, die derzeit in der Festkörperphysik und Kristallographie am weitesten entwickelt ist.

Kapitel 3. Arten von Defekten in Feststoffen

Alle realen Feststoffe, sowohl einkristalline als auch polykristalline, enthalten sogenannte Strukturfehler, deren Arten, Konzentrationen und Verhalten sehr unterschiedlich sind und von der Art, den Bedingungen der Materialgewinnung und der Art äußerer Einflüsse abhängen. Die meisten durch äußere Einflüsse erzeugten Defekte sind thermodynamisch instabil und der Zustand des Systems ist in diesem Fall angeregt (Nichtgleichgewicht). Solche äußeren Einflüsse können Temperatur, Druck, Bestrahlung mit Teilchen und hochenergetischen Quanten, das Einbringen von Verunreinigungen, Phasenverfestigung bei polymorphen und anderen Umwandlungen, mechanische Effekte usw. sein. Der Übergang in einen Gleichgewichtszustand kann auf unterschiedliche Weise erfolgen und, wird in der Regel durch eine Reihe metastabiler Zustände realisiert.

Fehler gleicher Art können in Wechselwirkung mit Fehlern gleicher oder anderer Art Fehler vernichten oder neue Fehlerassoziationen bilden. Diese Prozesse gehen mit einer Abnahme der Energie des Systems einher.

Basierend auf der Anzahl der Richtungen N, in denen sich die durch einen bestimmten Defekt verursachte Verletzung der periodischen Anordnung der Atome im Kristallgitter erstreckt, werden Defekte unterschieden:

· Punkt (nulldimensional, N=0);

· Linear (eindimensional, N=1);

· Oberfläche (zweidimensional, N=2);

· Volumen (dreidimensional, N=3);

Jetzt werden wir jeden Defekt im Detail betrachten.

3.1 Punktfehler

Zu nulldimensional (bzw Punkt) Kristalldefekte umfassen alle Defekte, die mit der Verschiebung oder dem Ersatz einer kleinen Gruppe von Atomen sowie mit Verunreinigungen verbunden sind. Sie entstehen beim Erhitzen, beim Dotieren, beim Kristallwachstum und durch Strahlungseinwirkung. Sie können auch durch Implantation eingeführt werden. Die Eigenschaften solcher Defekte und die Mechanismen ihrer Entstehung wurden am besten untersucht, einschließlich Bewegung, Wechselwirkung, Vernichtung und Verdunstung.

· Leerstand – ein freies, unbesetztes Atom, Knotenpunkt des Kristallgitters.

· Richtiges interstitielles Atom – ein Atom des Hauptelements, das sich an der interstitiellen Position der Elementarzelle befindet.

· Substitution von Fremdatomen – Austausch eines Atoms einer Art durch ein Atom einer anderen Art in einem Knoten des Kristallgitters. Substitutionspositionen können Atome enthalten, die sich in Größe und elektronischen Eigenschaften relativ wenig von den Basisatomen unterscheiden.

· Interstitielles Verunreinigungsatom – das Verunreinigungsatom befindet sich in den Zwischenräumen des Kristallgitters. In Metallen sind interstitielle Verunreinigungen normalerweise Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. In Halbleitern sind dies Verunreinigungen, die tiefe Energieniveaus in der Bandlücke erzeugen, wie etwa Kupfer und Gold in Silizium.

In Kristallen werden auch häufig Komplexe beobachtet, die aus mehreren Punktdefekten bestehen, beispielsweise ein Frenkel-Defekt (Leerstelle + eigenes interstitielles Atom), eine Bivacanz (Leerstelle + Leerstelle), ein A-Zentrum (Leerstelle + Sauerstoffatom in Silizium und Germanium) usw.

Thermodynamik von Punktdefekten. Punktdefekte erhöhen die Energie des Kristalls, da für die Bildung jedes Defekts eine bestimmte Energiemenge aufgewendet wurde. Die elastische Verformung verursacht einen sehr kleinen Bruchteil der Leerstellenbildungsenergie, da die Ionenverschiebungen 1 % nicht überschreiten und die entsprechende Verformungsenergie Zehntel eV beträgt. Während der Bildung eines interstitiellen Atoms können Verschiebungen benachbarter Ionen 20 % des interatomaren Abstands erreichen, und die entsprechende Energie der elastischen Verformung des Gitters kann mehrere eV erreichen. Der Hauptteil der Bildung eines Punktdefekts ist mit einer Verletzung der Periodizität der Atomstruktur und der Bindungskräfte zwischen Atomen verbunden. Ein Punktdefekt in einem Metall interagiert mit dem gesamten Elektronengas. Das Entfernen eines positiven Ions von einer Stelle ist gleichbedeutend mit dem Einbringen einer punktuellen negativen Ladung; Leitungselektronen werden von dieser Ladung abgestoßen, was zu einer Erhöhung ihrer Energie führt. Theoretische Berechnungen zeigen, dass die Energie der Bildung einer Leerstelle im fcc-Gitter von Kupfer etwa 1 eV beträgt und die eines interstitiellen Atoms 2,5 bis 3,5 eV beträgt.

Trotz der Erhöhung der Kristallenergie bei der Bildung eigener Punktdefekte können diese im Gitter im thermodynamischen Gleichgewicht stehen, da ihre Entstehung zu einer Entropieerhöhung führt. Bei erhöhten Temperaturen kompensiert der Anstieg des Entropieterms TS der freien Energie aufgrund der Bildung von Punktdefekten den Anstieg der gesamten Kristallenergie U, und die freie Energie fällt minimal aus.

Gleichgewichtskonzentration der offenen Stellen:

Wo E 0 - Energie der Bildung einer Stelle, k- Boltzmann-Konstante, T- Absolute Temperatur. Die gleiche Formel gilt für interstitielle Atome. Die Formel zeigt, dass die Konzentration der Leerstellen stark von der Temperatur abhängen sollte. Die Berechnungsformel ist einfach, genaue quantitative Werte können jedoch nur erhalten werden, wenn der Energiewert der Defektbildung bekannt ist. Es ist sehr schwierig, diesen Wert theoretisch zu berechnen, sodass man sich nur mit ungefähren Schätzungen begnügen muss.

Da die Energie der Defektbildung im Exponenten enthalten ist, führt dieser Unterschied zu einem großen Unterschied in der Konzentration von Leerstellen und Zwischengitteratomen. So beträgt bei 1000 °C in Kupfer die Konzentration der Zwischengitteratome nur 10?39, was 35 Größenordnungen weniger ist als die Konzentration der Leerstellen bei dieser Temperatur. In dichten Packungen, die für die meisten Metalle charakteristisch sind, ist es für Zwischengitteratome sehr schwierig, sich zu bilden, und Leerstellen in solchen Kristallen sind die Hauptpunktdefekte (Verunreinigungsatome nicht mitgerechnet).

Migration von Punktdefekten. Atome, die einer Schwingungsbewegung unterliegen, tauschen kontinuierlich Energie aus. Aufgrund der Zufälligkeit der thermischen Bewegung ist die Energie zwischen verschiedenen Atomen ungleichmäßig verteilt. Irgendwann kann ein Atom von seinen Nachbarn so viel Energie erhalten, dass es eine benachbarte Position im Gitter einnimmt. Auf diese Weise kommt es zur Wanderung (Bewegung) von Punktdefekten in der Masse der Kristalle.

Wenn eines der Atome, die eine Leerstelle umgeben, sich an eine freie Stelle bewegt, bewegt sich die Leerstelle entsprechend an ihren Platz. Aufeinanderfolgende elementare Verschiebungsvorgänge einer bestimmten Lücke werden von verschiedenen Atomen ausgeführt. Die Abbildung zeigt, dass in einer Schicht dicht gepackter Kugeln (Atome) eine der Kugeln, um sie an eine freie Stelle zu bewegen, die Kugeln 1 und 2 auseinander bewegen muss. Um sich also von einer Position in einem Knoten zu bewegen, wo Ist die Energie des Atoms minimal, muss das Atom zu einem benachbarten freien Knoten, an dem die Energie ebenfalls minimal ist, einen Zustand mit erhöhter potentieller Energie durchlaufen und die Energiebarriere überwinden. Dazu ist es notwendig, dass das Atom von seinen Nachbarn einen Überschuss an Energie erhält, den es verliert, wenn es sich an eine neue Position „quetscht“. Die Höhe der Energiebarriere wird E m genannt Aktivierungsenergie der Leerstandsmigration.

Quellen und Senken von Punktfehlern. Die Hauptquelle und -senke von Punktfehlern sind Linien- und Oberflächenfehler. In großen perfekten Einkristallen ist die Zersetzung einer übersättigten festen Lösung ihrer eigenen Punktdefekte unter Bildung der sogenannten möglich. Mikrodefekte.

Komplexe von Punktdefekten. Der einfachste Komplex von Punktdefekten ist eine Bivacanz (Divacancy): zwei Leerstellen, die sich an benachbarten Gitterplätzen befinden. In Metallen und Halbleitern spielen Komplexe aus zwei oder mehr Fremdatomen sowie Fremdatome und eigene Punktdefekte eine große Rolle. Insbesondere können solche Komplexe die Festigkeit sowie die elektrischen und optischen Eigenschaften von Festkörpern erheblich beeinflussen.

3.2 Lineare Defekte

Eindimensionale (lineare) Defekte sind Kristalldefekte, deren Größe in einer Richtung viel größer als der Gitterparameter und in den anderen beiden damit vergleichbar ist. Zu den linearen Defekten gehören Versetzungen und Disklinationen. Allgemeine Definition: Versetzung ist die Grenze eines Bereichs unvollständiger Scherung in einem Kristall. Versetzungen sind durch einen Schervektor (Burgers-Vektor) und einen Winkel μ zwischen diesem und der Versetzungslinie gekennzeichnet. Wenn μ = 0, wird die Versetzung als Schraubenversetzung bezeichnet; bei c=90° - Kante; bei anderen Winkeln wird es gemischt und kann dann in helikale und kantige Komponenten zerlegt werden. Beim Kristallwachstum entstehen Versetzungen; während seiner plastischen Verformung und in vielen anderen Fällen. Ihre Verteilung und ihr Verhalten unter äußeren Einflüssen bestimmen die wichtigsten mechanischen Eigenschaften, insbesondere wie Festigkeit, Duktilität usw. Unter Disklination versteht man die Grenze des Bereichs unvollständiger Rotation im Kristall. Gekennzeichnet durch einen Rotationsvektor.

3.3 Oberflächenfehler

Der wichtigste repräsentative Defekt dieser Klasse ist die Oberfläche des Kristalls. Andere Fälle sind Korngrenzen eines Materials, einschließlich Kleinwinkelgrenzen (die Assoziationen von Versetzungen darstellen), Zwillingsebenen, Phasengrenzflächen usw.

3.4 Volumetrische Defekte

Dazu gehören Cluster von Leerstellen, die Poren und Kanäle bilden; Partikel, die sich auf verschiedenen Defekten ablagern (dekorieren), zum Beispiel Gasblasen, Mutterlaugenblasen; Ansammlungen von Verunreinigungen in Form von Sektoren (Sanduhren) und Wachstumszonen. In der Regel handelt es sich hierbei um Poren oder Einschlüsse von Verunreinigungsphasen. Sie sind ein Konglomerat vieler Mängel. Ursprung: Störung des Kristallwachstumsregimes, Zersetzung einer übersättigten festen Lösung, Kontamination von Proben. In manchen Fällen (z. B. bei der Ausscheidungshärtung) werden gezielt volumetrische Defekte in das Material eingebracht, um dessen physikalische Eigenschaften zu verändern.

Kapitel 4. Erhaltenkeine Kristalle

Die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie hat dazu geführt, dass viele Edelsteine ​​oder einfach nur selten in der Natur vorkommende Kristalle für die Herstellung von Teilen von Geräten und Maschinen sowie für die wissenschaftliche Forschung sehr notwendig geworden sind. Die Nachfrage nach vielen Kristallen ist so stark gestiegen, dass es unmöglich war, sie durch die Ausweitung des Produktionsumfangs alter und die Suche nach neuen natürlichen Vorkommen zu befriedigen.

Darüber hinaus werden in vielen Bereichen der Technik und insbesondere der wissenschaftlichen Forschung zunehmend Einkristalle von sehr hoher chemischer Reinheit und perfekter Kristallstruktur benötigt. In der Natur vorkommende Kristalle erfüllen diese Anforderungen nicht, da sie unter Bedingungen wachsen, die alles andere als ideal sind.

Somit entstand die Aufgabe, eine Technologie zur künstlichen Herstellung von Einkristallen aus vielen Elementen und chemischen Verbindungen zu entwickeln.

Die Entwicklung einer relativ einfachen Methode zur Herstellung eines „Edelsteins“ führt dazu, dass dieser nicht mehr wertvoll ist. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die meisten Edelsteine ​​Kristalle chemischer Elemente und Verbindungen sind, die in der Natur weit verbreitet sind. So ist Diamant ein Kohlenstoffkristall, Rubin und Saphir sind Aluminiumoxidkristalle mit verschiedenen Verunreinigungen.

Betrachten wir die wichtigsten Methoden zur Züchtung von Einkristallen. Auf den ersten Blick mag es scheinen, dass die Kristallisation aus einer Schmelze sehr einfach ist. Es reicht aus, den Stoff über seinen Schmelzpunkt zu erhitzen, eine Schmelze zu erhalten und ihn dann abzukühlen. Im Prinzip ist dies der richtige Weg, aber wenn keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden, erhält man bestenfalls eine polykristalline Probe. Und wenn das Experiment beispielsweise mit Quarz, Schwefel, Selen, Zucker durchgeführt wird, die je nach Abkühlungsgeschwindigkeit ihrer Schmelzen in einem kristallinen oder amorphen Zustand erstarren können, dann gibt es keine Garantie dafür, dass ein amorpher Körper vorliegt wird nicht erhalten.

Um einen Einkristall zu züchten, reicht eine langsame Abkühlung nicht aus. Es ist notwendig, zunächst einen kleinen Bereich der Schmelze abzukühlen und darin eine „Keimbildung“ eines Kristalls zu erreichen. Anschließend muss die die „Keimbildung“ umgebende Schmelze nacheinander abgekühlt werden, damit der Kristall über das gesamte Volumen des Kristalls wachsen kann schmelzen. Dieser Vorgang kann durch langsames Absenken eines Tiegels mit der Schmelze durch eine Öffnung in einem vertikalen Rohrofen erreicht werden. Der Kristall keimt am Boden des Tiegels, da er zunächst in den Bereich niedrigerer Temperaturen gelangt und sich dann allmählich über das gesamte Schmelzvolumen ausbreitet. Der Boden des Tiegels ist speziell schmal und kegelförmig gestaltet, so dass sich darin nur ein Kristallkeim befinden kann.

Diese Methode wird häufig zur Züchtung von Kristallen aus Zink, Silber, Aluminium, Kupfer und anderen Metallen sowie von Natriumchlorid, Kaliumbromid, Lithiumfluorid und anderen Salzen verwendet, die in der optischen Industrie verwendet werden. An einem Tag kann man einen etwa ein Kilogramm schweren Steinsalzkristall züchten.

Der Nachteil des beschriebenen Verfahrens ist die Verunreinigung der Kristalle durch das Tiegelmaterial. Eigenschaft der Kristalldefektsymmetrie

Die Tiegellose Methode der Kristallzüchtung aus einer Schmelze, mit der beispielsweise Korund (Rubine, Saphire) gezüchtet wird, weist diesen Nachteil nicht auf. Feinstes Aluminiumoxidpulver mit Körnern von 2–100 Mikrometern wird in einem dünnen Strahl aus dem Trichter ausgegossen, durchläuft eine Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme, schmilzt und fällt in Tropfenform auf einen Stab aus feuerfestem Material. Die Temperatur des Stabes wird leicht unter dem Schmelzpunkt von Aluminiumoxid (2030 °C) gehalten. Darauf kühlen Aluminiumoxidtropfen ab und bilden eine Kruste aus gesinterter Korundmasse. Der Uhrmechanismus senkt langsam (10-20 mm/h) den Stab ab, und auf ihm wächst nach und nach ein ungeschliffener Korundkristall in Form einer umgekehrten Birne, die sogenannte Kugel.

Wie in der Natur kommt es bei der Gewinnung von Kristallen aus einer Lösung auf zwei Methoden an. Die erste davon besteht darin, das Lösungsmittel aus einer gesättigten Lösung langsam zu verdampfen, und die zweite darin, die Temperatur der Lösung langsam zu senken. Die zweite Methode wird häufiger verwendet. Als Lösungsmittel werden Wasser, Alkohole, Säuren, Salzschmelzen und Metalle verwendet. Ein Nachteil von Methoden zum Züchten von Kristallen aus Lösungen ist die Möglichkeit einer Kontamination der Kristalle mit Lösungsmittelpartikeln.

Der Kristall wächst aus den ihn unmittelbar umgebenden Bereichen der übersättigten Lösung. Dadurch ist die Lösung in der Nähe des Kristalls weniger übersättigt als in der Ferne. Da eine übersättigte Lösung schwerer ist als eine gesättigte, fließt die „verbrauchte“ Lösung immer nach oben über die Oberfläche des wachsenden Kristalls. Ohne ein solches Rühren der Lösung würde das Kristallwachstum schnell aufhören. Daher wird die Lösung oft zusätzlich gerührt oder der Kristall wird auf einem rotierenden Halter fixiert. Dadurch können Sie fortgeschrittenere Kristalle züchten.

Je geringer die Wachstumsrate, desto bessere Kristalle werden erhalten. Diese Regel gilt für alle Anbaumethoden. Zucker- und Speisesalzkristalle lassen sich ganz einfach zu Hause aus einer wässrigen Lösung gewinnen. Doch leider lassen sich nicht alle Kristalle so einfach züchten. Beispielsweise erfolgt die Herstellung von Quarzkristallen aus Lösung bei einer Temperatur von 400 °C und einem Druck von 1000 at.

Kapitel 5. Eigenschaften von Kristallen

Wenn wir uns verschiedene Kristalle ansehen, sehen wir, dass sie alle eine unterschiedliche Form haben, aber jeder von ihnen einen symmetrischen Körper darstellt. Tatsächlich ist Symmetrie eine der Haupteigenschaften von Kristallen. Wir nennen Körper symmetrisch, wenn sie aus gleichen, gleichen Teilen bestehen.

Alle Kristalle sind symmetrisch. Das bedeutet, dass man in jedem kristallinen Polyeder Symmetrieebenen, Symmetrieachsen, Symmetriezentren und andere Symmetrieelemente finden kann, sodass identische Teile des Polyeders zusammenpassen. Lassen Sie uns ein weiteres Konzept im Zusammenhang mit Symmetrie vorstellen – Polarität.

Jedes kristalline Polyeder hat einen bestimmten Satz Symmetrieelemente. Der vollständige Satz aller einem bestimmten Kristall innewohnenden Symmetrieelemente wird als Symmetrieklasse bezeichnet. Ihre Anzahl ist begrenzt. Es wurde mathematisch bewiesen, dass es in Kristallen 32 Arten von Symmetrie gibt.

Betrachten wir die Symmetriearten in einem Kristall genauer. Erstens können Kristalle nur Symmetrieachsen der 1., 2., 3., 4. und 6. Ordnung haben. Offensichtlich sind Symmetrieachsen der 5., 7. und höheren Ordnung nicht möglich, da bei einer solchen Struktur Atomreihen und -netzwerke den Raum nicht kontinuierlich ausfüllen, sondern es entstehen Lücken und Lücken zwischen den Gleichgewichtslagen der Atome. Die Atome befinden sich nicht mehr in den stabilsten Positionen und die Kristallstruktur wird zusammenbrechen.

In einem kristallinen Polyeder kann man verschiedene Kombinationen von Symmetrieelementen finden – einige haben wenige, andere viele. Entsprechend der Symmetrie, vor allem entlang der Symmetrieachsen, werden Kristalle in drei Kategorien eingeteilt.

Die höchste Kategorie umfasst die symmetrischsten Kristalle; sie können mehrere Symmetrieachsen der Ordnungen 2, 3 und 4 haben, keine Achsen der 6. Ordnung, sie können Ebenen und Symmetriezentren haben. Zu diesen Formen gehören Würfel, Oktaeder, Tetraeder usw. Sie alle haben ein gemeinsames Merkmal: Sie sind in alle Richtungen ungefähr gleich.

Kristalle der mittleren Kategorie können Achsen der 3., 4. und 6. Ordnung haben, jedoch jeweils nur eine. Es kann mehrere Achsen der Ordnung 2 geben, Symmetrieebenen und Symmetriezentren sind möglich. Die Formen dieser Kristalle: Prismen, Pyramiden usw. Gemeinsames Merkmal: ein starker Unterschied entlang und quer zur Hauptsymmetrieachse.

Zu den Kristallen der höchsten Kategorie gehören: Diamant, Quarz, Germanium, Silizium, Kupfer, Aluminium, Gold, Silber, Grauzinn, Wolfram, Eisen. Zur mittleren Kategorie: Graphit, Rubin, Quarz, Zink, Magnesium, Weißzinn, Turmalin, Beryll. Ganz unten: Gips, Glimmer, Kupfersulfat, Rochelle-Salz usw. In dieser Liste wurden natürlich nicht alle existierenden Kristalle aufgeführt, sondern nur die berühmtesten davon.

Die Kategorien sind wiederum in sieben Systeme unterteilt. Aus dem Griechischen übersetzt bedeutet „Syngonie“ „ähnlicher Winkel“. Kristalle mit identischen Symmetrieachsen und damit ähnlichen Drehwinkeln in der Struktur werden zu einem Kristallsystem zusammengefasst.

Die physikalischen Eigenschaften von Kristallen hängen meist von ihrer Struktur und chemischen Zusammensetzung ab.

Zunächst sind zwei grundlegende Eigenschaften von Kristallen zu erwähnen. Eine davon ist die Anisotropie. Unter diesem Begriff versteht man eine richtungsabhängige Änderung der Eigenschaften. Gleichzeitig sind Kristalle homogene Körper. Die Homogenität einer kristallinen Substanz besteht darin, dass ihre beiden Abschnitte gleicher Form und gleicher Orientierung identische Eigenschaften haben.

Lassen Sie uns zunächst über elektrische Eigenschaften sprechen. Grundsätzlich können die elektrischen Eigenschaften von Kristallen am Beispiel von Metallen betrachtet werden, da Metalle in einem ihrer Zustände kristalline Aggregate sein können. Elektronen, die sich im Metall frei bewegen, können nicht austreten, dafür wird Energie benötigt. Wird hierbei Strahlungsenergie aufgewendet, entsteht durch den Effekt der Elektronenabstraktion der sogenannte photoelektrische Effekt. Ein ähnlicher Effekt wird bei Einkristallen beobachtet. Ein aus der Molekülbahn gerissenes Elektron, das im Kristall verbleibt, bewirkt in diesem eine metallische Leitfähigkeit (innerer photoelektrischer Effekt). Unter normalen Bedingungen (ohne Strahlung) sind solche Verbindungen keine Leiter für elektrischen Strom.

Das Verhalten von Lichtwellen in Kristallen wurde von E. Bertolin untersucht, der als erster bemerkte, dass sich die Wellen beim Durchgang durch einen Kristall ungewöhnlich verhalten. Eines Tages skizzierte Bertalin die Diederwinkel des isländischen Holms, dann legte er den Kristall auf die Zeichnungen, und dann sah der Wissenschaftler zum ersten Mal, dass sich jede Linie gabelte. Er war mehrmals davon überzeugt, dass alle Holmkristalle Licht spalten, erst dann verfasste Bertalin eine Abhandlung „Experimente mit einem doppelbrechenden isländischen Kristall, die zur Entdeckung einer wunderbaren und außergewöhnlichen Brechung führten“ (1669). Der Wissenschaftler schickte die Ergebnisse seiner Experimente an einzelne Wissenschaftler und Akademien in mehreren Ländern. Die Arbeiten wurden mit völligem Misstrauen angenommen. Die Englische Akademie der Wissenschaften hat eine Gruppe von Wissenschaftlern (Newton, Boyle, Hooke usw.) damit beauftragt, dieses Gesetz zu testen. Diese maßgebliche Kommission erkannte das Phänomen als zufällig und das Gesetz als nicht existent an. Die Ergebnisse von Bertalins Experimenten gerieten in Vergessenheit.

Nur 20 Jahre später bestätigte Christiaan Huygens die Richtigkeit von Bertalins Entdeckung und entdeckte selbst die Doppelbrechung in Quarz. Viele Wissenschaftler, die diese Eigenschaft später untersuchten, bestätigten, dass nicht nur Islandspat, sondern auch viele andere Kristalle Licht spalten.

...

Ähnliche Dokumente

Kristallstruktur. Rolle, Gegenstand und Aufgaben der Festkörperphysik. Kristalline und amorphe Körper. Arten von Kristallgittern. Arten von Bindungen in Kristallen. Kristallstrukturen von Festkörpern. Flüssigkristalle. Kristallfehler.

Vortrag, hinzugefügt am 13.03.2007


Das Konzept und die Hauptmerkmale des kondensierten Zustands der Materie, charakteristische Prozesse. Kristalline und amorphe Körper. Das Wesen und die Merkmale der Kristallanisotropie. Besonderheiten von Polykristallen und Polymeren. Thermische Eigenschaften und Struktur von Kristallen.

Vorlesungsreihe, hinzugefügt am 21.02.2009


Allgemeine Eigenschaften eines Festkörpers, sein Zustand. Lokalisierte und delokalisierte Zustände eines Festkörpers, Besonderheiten. Wesen, Arten chemischer Bindungen in Festkörpern. Lokale und nichtlokale Beschreibungen in unverzerrten Gittern. Punktfehler.

Tutorial, hinzugefügt am 21.02.2009


Kristalle sind echte Feststoffe. Thermodynamik von Punktdefekten in Kristallen, ihre Wanderung, Quellen und Senken. Untersuchung der Versetzung, eines linearen Defekts in der Kristallstruktur von Festkörpern. Zweidimensionale und dreidimensionale Defekte. Amorphe Feststoffe.

Bericht, hinzugefügt am 01.07.2015


Die Festkörperphysik ist eine der Säulen, auf denen die moderne Technologiegesellschaft ruht. Physikalische Struktur von Festkörpern. Symmetrie und Klassifizierung von Kristallen. Merkmale von Verformung und Spannung. Kristalldefekte, Möglichkeiten zur Erhöhung der Festigkeit.

Präsentation, hinzugefügt am 12.02.2010


Hinzufügung von Diskontinuumssymmetrieelementen. Konsistente Spiegelung in zwei parallelen Symmetrieebenen. Die Summe der Symmetrieebene und der dazu senkrechten Translation. Eigenschaften der Wirkung des Translationsvektors auf die dazu senkrechten Achsen.

Präsentation, hinzugefügt am 23.09.2013


Kristalline und amorphe Zustände von Festkörpern, Ursachen von Punkt- und Linienfehlern. Keimbildung und Wachstum von Kristallen. Künstliche Herstellung von Edelsteinen, festen Lösungen und Flüssigkristallen. Optische Eigenschaften cholesterischer Flüssigkristalle.

Zusammenfassung, hinzugefügt am 26.04.2010


Photoelektrische Eigenschaften inhomogener Halbleiterproben. Energiestruktur eines ohmschen Kontakts in Gegenwart ungleichmäßig verteilter Elektronenfallen. Photoelektrische Eigenschaften von in einer Gasentladung verarbeiteten Kristallen.

Dissertation, hinzugefügt am 18.03.2008


Defekte in echten Kristallen, das Funktionsprinzip von Bipolartransistoren. Verzerrung des Kristallgitters in interstitiellen und substitutionellen festen Lösungen. Oberflächenphänomene bei Halbleitern. Transistorparameter und Emitterstromübertragungskoeffizient.

Test, hinzugefügt am 22.10.2009


Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser, ihre Hauptkriterien. Anomale Eigenschaften von Wasser. Das Konzept der Elektrolyse und Elektrolyte. Elektrokristallisation und ihre Gesetze. Dynamik eines Netzwerks von Wasserstoffbrückenbindungen während der Elektrokristallisation von Wasser. Kristallines und amorphes Eis.

4. . 5. . 6. . 7. .

Jeder kann Körper leicht in fest und flüssig unterteilen. Allerdings wird diese Einteilung nur auf äußerlichen Anzeichen beruhen. Um herauszufinden, welche Eigenschaften Feststoffe haben, werden wir sie erhitzen. Manche Körper beginnen zu brennen (Holz, Kohle) – das sind organische Stoffe. Andere werden bereits bei niedrigen Temperaturen weich (Harz) – diese sind amorph. Eine besondere Gruppe von Feststoffen bilden diejenigen, für die in Abbildung 12 die Abhängigkeit der Temperatur von der Erhitzungszeit dargestellt ist. Dabei handelt es sich um kristalline Feststoffe. Dieses Verhalten kristalliner Körper beim Erhitzen wird durch ihre innere Struktur erklärt. Kristallkörper- Dies sind Körper, deren Atome und Moleküle in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind und diese Reihenfolge über eine ziemlich große Entfernung erhalten bleibt. Man nennt die räumliche periodische Anordnung von Atomen oder Ionen in einem Kristall Kristallgitter. Die Punkte des Kristallgitters, an denen sich Atome oder Ionen befinden, werden Gitterknoten genannt.

Kristalline Körper sind entweder Einkristalle oder Polykristalle. Einkristall weist in seinem gesamten Volumen ein Einkristallgitter auf.

Anisotropie Einkristalle beruhen auf der Richtungsabhängigkeit ihrer physikalischen Eigenschaften. Polykristall Es handelt sich um eine Kombination kleiner, unterschiedlich ausgerichteter Einkristalle (Körner) und weist keine Anisotropie der Eigenschaften auf. Die meisten Feststoffe haben eine polykristalline Struktur (Mineralien, Legierungen, Keramik).

Die Haupteigenschaften kristalliner Körper sind: Schmelzpunktsicherheit, Elastizität, Festigkeit, Abhängigkeit der Eigenschaften von der Reihenfolge der Atomanordnung, d. h. von der Art des Kristallgitters.

Amorph sind Stoffe, die in der Anordnung der Atome und Moleküle im gesamten Volumen dieses Stoffes keine Ordnung aufweisen. Im Gegensatz zu kristallinen Stoffen amorphe Stoffe isotrop. Das bedeutet, dass die Eigenschaften in alle Richtungen gleich sind. Der Übergang vom amorphen Zustand zum flüssigen Zustand erfolgt schrittweise, es gibt keinen bestimmten Schmelzpunkt. Amorphe Körper haben keine Elastizität, sie sind plastisch. Verschiedene Stoffe befinden sich in einem amorphen Zustand: Glas, Harze, Kunststoffe usw.

Elastizität- die Eigenschaft von Körpern, ihre Form und ihr Volumen wiederherzustellen, nachdem äußere Kräfte oder andere Gründe, die die Verformung von Körpern verursacht haben, aufgehört haben. Je nach Art der Verschiebung von Partikeln eines Festkörpers werden die Verformungen, die bei Formänderungen auftreten, unterteilt in: Spannung – Kompression, Scherung, Torsion und Biegung. Für elastische Verformungen gilt das Hookesche Gesetz, wonach elastische Verformungen direkt proportional zu den äußeren Einflüssen sind, die sie verursachen. Für die Zug-Druck-Verformung hat das Hookesche Gesetz die Form: , wobei mechanische Spannung, relative Dehnung, absolute Dehnung, Young-Modul (Elastizitätsmodul) ist. Elastizität beruht auf der Wechselwirkung und thermischen Bewegung der Partikel, aus denen die Substanz besteht.

Abhängig von den physikalischen Eigenschaften und der Molekülstruktur gibt es zwei Hauptklassen von Feststoffen – kristallin und amorph.

Definition 1

Amorphe Körper haben ein Merkmal wie Isotropie. Dieses Konzept bedeutet, dass sie relativ unabhängig von optischen, mechanischen und anderen physikalischen Eigenschaften und der Richtung sind, in der äußere Kräfte auf sie einwirken.

Das Hauptmerkmal aphmorischer Körper ist die chaotische Anordnung von Atomen und Molekülen, die sich nur in kleinen lokalen Gruppen zusammenfinden, die jeweils nicht mehr als ein paar Teilchen umfassen.

Diese Eigenschaft bringt amorphe Körper näher an Flüssigkeiten heran. Zu diesen Feststoffen gehören Bernstein und andere Hartharze, verschiedene Kunststoffarten und Glas. Unter dem Einfluss hoher Temperaturen erweichen amorphe Körper, es ist jedoch starke Hitze erforderlich, um sie in Flüssigkeit umzuwandeln.

Alle kristallinen Körper haben eine klare innere Struktur. Gruppen von Partikeln in derselben Reihenfolge wiederholen sich periodisch im gesamten Volumen eines solchen Körpers. Zur Visualisierung einer solchen Struktur werden üblicherweise räumliche Kristallgitter verwendet. Sie bestehen aus einer bestimmten Anzahl von Knoten, die die Zentren von Molekülen oder Atomen einer bestimmten Substanz bilden. Typischerweise wird ein solches Gitter aus Ionen aufgebaut, die Teil der gewünschten Moleküle sind. So besteht im Speisesalz die innere Struktur aus Natrium- und Chlorionen, die paarweise zu Molekülen verbunden sind. Solche kristallinen Körper werden ionisch genannt.

Figur 3. 6. 1 . Kristallgitter aus Speisesalz.

Definition 2

In der Struktur jedes Stoffes lässt sich eine minimale Komponente unterscheiden - Einheitszelle.

Das gesamte Gitter, aus dem der kristalline Körper besteht, kann durch Translation (parallele Übertragung) einer solchen Zelle in bestimmte Richtungen zusammengesetzt werden.

Die Anzahl der Arten von Kristallgittern ist nicht unendlich. Insgesamt gibt es 230 Arten, von denen die meisten künstlich hergestellt werden oder in natürlichen Materialien vorkommen. Strukturelle Gitter können die Form von raumzentrierten Würfeln (z. B. für Eisen), flächenzentrierten Würfeln (für Gold, Kupfer) oder einem Prisma mit sechs Flächen (Magnesium, Zink) annehmen.

Kristalline Körper werden wiederum in Polykristalle und Einkristalle unterteilt. Die meisten Stoffe gehören zu Polykristallen, weil sie bestehen aus sogenannten Kristalliten. Dabei handelt es sich um kleine, miteinander verschmolzene und zufällig ausgerichtete Kristalle. Monokristalline Substanzen sind selbst unter künstlichen Materialien relativ selten.

Definition 3

Polykristalle haben die Eigenschaft der Isotropie, also in allen Richtungen gleiche Eigenschaften.

Die polykristalline Struktur des Körpers ist unter dem Mikroskop und bei manchen Materialien, wie zum Beispiel Gusseisen, sogar mit bloßem Auge deutlich sichtbar.

Definition 4

Polymorphismus– ist die Fähigkeit eines Stoffes, in mehreren Phasen zu existieren, d.h. Kristallmodifikationen, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften voneinander unterscheiden.

Der Vorgang des Wechsels zu einer anderen Modifikation wird aufgerufen polymorpher Übergang.

Ein Beispiel für ein solches Phänomen könnte die Umwandlung von Graphit in Diamant sein, die unter industriellen Bedingungen bei hohem Druck (bis zu 100.000 Atmosphären) und hohen Temperaturen erfolgt
(bis zu 2000 K).

Um die Gitterstruktur einer einkristallinen oder polykristallinen Probe zu untersuchen, wird Röntgenbeugung verwendet.

Einfache Kristallgitter sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Abstand zwischen den Partikeln so gering ist, dass er mit der Größe der Partikel selbst vergleichbar ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigen die Diagramme nur die Positionen der Mittelpunkte.

Figur 3. 6. 2. Einfache Kristallgitter: 1 – einfaches kubisches Gitter; 2 – flächenzentriertes kubisches Gitter; 3 – kubisch raumzentriertes Gitter; 4 – sechseckiges Gitter.

Am einfachsten ist das kubische Gitter: Eine solche Struktur besteht aus Würfeln mit Partikeln an den Ecken. Ein flächenzentriertes Gitter hat Partikel nicht nur an den Ecken, sondern auch auf den Flächen. Beispielsweise besteht das Kristallgitter von Speisesalz aus zwei ineinander verschachtelten flächenzentrierten Gittern. Ein körperzentriertes Gitter enthält zusätzliche Teilchen in der Mitte jedes Würfels.

Metallgitter haben eine wichtige Eigenschaft. Die Ionen einer Substanz werden durch Wechselwirkung mit einem Gas freier Elektronen an Ort und Stelle gehalten. Das sogenannte Elektronengas entsteht durch die Abgabe eines oder mehrerer Elektronen durch Atome. Solche freien Elektronen können sich durch das gesamte Volumen des Kristalls bewegen.

Figur 3. 6. 3. Struktur eines Metallkristalls.

Wenn Sie einen Fehler im Text bemerken, markieren Sie ihn bitte und drücken Sie Strg+Eingabetaste

Wie Flüssigkeit, aber auch Form. Sie liegen überwiegend in kristallinem Zustand vor.
Kristalle- das sind feste Körper, deren Atome oder Moleküle bestimmte, geordnete Positionen im Raum einnehmen. Daher haben die Kristalle flache Kanten. Beispielsweise hat ein Körnchen gewöhnliches Speisesalz flache Kanten, die einen rechten Winkel zueinander bilden ( Abb.12.1).

Dies lässt sich erkennen, indem man das Salz mit einer Lupe untersucht. Und wie geometrisch korrekt die Form einer Schneeflocke ist! Es spiegelt auch die geometrische Korrektheit der inneren Struktur eines kristallinen Feststoffs wider – Eis ( Abb.12.2).

Anisotropie von Kristallen. Allerdings ist die richtige äußere Form nicht die einzige und nicht einmal die wichtigste Folge der geordneten Struktur des Kristalls. Die Hauptsache ist Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften des Kristalls von der im Kristall gewählten Richtung.
Auffällig ist zunächst die unterschiedliche mechanische Festigkeit der Kristalle in verschiedenen Richtungen. Beispielsweise blättert ein Stück Glimmer leicht in eine Richtung in dünne Plättchen ab ( Abb.12.3), aber es ist viel schwieriger, es in der Richtung senkrecht zu den Platten zu brechen.

Ein Graphitkristall blättert auch leicht in eine Richtung ab. Wenn Sie mit einem Bleistift schreiben, erfolgt diese Delaminierung kontinuierlich und es bleiben dünne Graphitschichten auf dem Papier zurück. Dies liegt daran, dass das Graphitkristallgitter eine Schichtstruktur aufweist. Die Schichten werden durch eine Reihe paralleler Netzwerke aus Kohlenstoffatomen gebildet ( Abb.12.4). Die Atome befinden sich an den Ecken regelmäßiger Sechsecke. Der Abstand zwischen den Schichten ist relativ groß – etwa das Zweifache der Seitenlänge des Sechsecks, sodass die Bindungen zwischen den Schichten weniger stark sind als die Bindungen innerhalb der Schichten.

Viele Kristalle leiten Wärme und Strom unterschiedlich in verschiedene Richtungen. Die optischen Eigenschaften von Kristallen hängen auch von der Richtung ab. So bricht ein Quarzkristall das Licht je nach Richtung der auf ihn einfallenden Strahlen unterschiedlich.
Die Abhängigkeit physikalischer Eigenschaften von der Richtung im Inneren des Kristalls nennt man Anisotropie. Alle kristallinen Körper sind anisotrop.
Einkristalle und Polykristalle. Metalle haben eine kristalline Struktur. Es sind Metalle, die heute hauptsächlich zur Herstellung von Werkzeugen, verschiedenen Maschinen und Mechanismen verwendet werden.
Nimmt man ein relativ großes Stück Metall, so zeigt sich seine kristalline Struktur auf den ersten Blick weder im Aussehen dieses Stücks noch in seinen physikalischen Eigenschaften. Metalle weisen im Normalzustand keine Anisotropie auf.
Der Punkt hier ist, dass Metall normalerweise aus einer großen Anzahl kleiner, miteinander verschmolzener Kristalle besteht. Unter einem Mikroskop oder sogar mit einer Lupe sind sie leicht zu erkennen, insbesondere an einem frischen Metallbruch ( Abb.12.5). Die Eigenschaften jedes Kristalls hängen von der Richtung ab, aber die Kristalle sind relativ zueinander zufällig ausgerichtet. Infolgedessen sind in einem Volumen, das deutlich größer ist als das Volumen einzelner Kristalle, alle Richtungen innerhalb von Metallen gleich und die Eigenschaften von Metallen sind in allen Richtungen gleich.

Als Feststoff wird ein Feststoff bezeichnet, der aus einer Vielzahl kleiner Kristalle besteht polykristallin. Einkristalle werden genannt Einzelkristalle.
Durch große Vorsichtsmaßnahmen ist es möglich, einen großen Metallkristall – einen Einkristall – zu züchten.
Unter normalen Bedingungen entsteht ein polykristalliner Körper dadurch, dass das begonnene Wachstum vieler Kristalle so lange anhält, bis sie miteinander in Kontakt kommen und einen einzigen Körper bilden.
Polykristalle umfassen nicht nur Metalle. Auch ein Stück Zucker hat beispielsweise eine polykristalline Struktur.
Die meisten kristallinen Feststoffe sind Polykristalle, da sie aus vielen miteinander verwachsenen Kristallen bestehen. Einkristalle – Einkristalle haben eine regelmäßige geometrische Form und ihre Eigenschaften sind in verschiedenen Richtungen unterschiedlich (Anisotropie).

???
1. Sind alle kristallinen Körper anisotrop?
2. Holz ist anisotrop. Handelt es sich um einen kristallinen Körper?
3. Nennen Sie Beispiele für monokristalline und polykristalline Feststoffe, die im Text nicht erwähnt werden.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Physik 10. Klasse

Unterrichtsinhalte Unterrichtsnotizen unterstützender Rahmen Lektion Präsentation Beschleunigungsmethoden interaktive Technologien Üben Aufgaben und Übungen, Selbsttest, Workshops, Schulungen, Fälle, Quests, Hausaufgaben, Diskussionsfragen, rhetorische Fragen von Schülern Illustrationen Audio, Videoclips und Multimedia Fotografien, Bilder, Grafiken, Tabellen, Diagramme, Humor, Anekdoten, Witze, Comics, Gleichnisse, Sprüche, Kreuzworträtsel, Zitate Add-ons Zusammenfassungen Artikel, Tricks für Neugierige, Krippen, Lehrbücher, grundlegendes und zusätzliches Begriffswörterbuch, Sonstiges Verbesserung von Lehrbüchern und UnterrichtKorrektur von Fehlern im Lehrbuch Aktualisierung eines Fragments in einem Lehrbuch, Elemente der Innovation im Unterricht, Ersetzen veralteter Kenntnisse durch neues Nur für Lehrer perfekter Unterricht Kalenderplan für das Jahr; methodische Empfehlungen; Diskussionsprogramm Integrierter Unterricht

Wenn Sie Korrekturen oder Vorschläge für diese Lektion haben,