결정은 비정질 고체와 다릅니다. 결정질 및 비정질체: 구조 및 특성. 조정 번호 c.n.

고체는 결정체와 비정질체입니다. 크리스탈은 고대에는 얼음이라고 불렸던 것입니다. 그리고 그들은 석영을 결정이라고 부르기 시작했고 이러한 광물을 석화 얼음으로 간주했습니다. 결정은 천연이며 보석 산업, 광학, 무선 엔지니어링 및 전자 제품, 초정밀 기기 요소의 지지대, 초경질 연마재로 사용됩니다.

결정체는 경도가 특징이며 분자, 이온 또는 원자의 공간에서 엄격하게 규칙적인 위치를 갖고 있어 3차원 주기적인 결정 격자(구조)를 형성합니다. 외부 적으로 이것은 고체 모양과 특정 물리적 특성의 특정 대칭으로 표현됩니다. 외부 형태에서 결정체는 입자의 내부 "패킹"에 내재된 대칭성을 반영합니다. 이는 동일한 물질로 구성된 모든 결정의 면 사이의 각도가 동일한지를 결정합니다.

그 안에는 인접한 원자 사이의 중심에서 중심까지의 거리도 동일합니다 (동일한 직선에 위치하면이 거리는 선의 전체 길이를 따라 동일합니다). 그러나 방향이 다른 직선 위에 놓인 원자의 경우 원자 중심 사이의 거리가 달라집니다. 이 상황은 이방성을 설명합니다. 이방성은 결정체와 비정질체의 주요 차이점입니다.

고체의 90% 이상이 결정으로 분류될 수 있습니다. 자연계에서는 단결정과 다결정의 형태로 존재합니다. 단결정은 단결정으로, 그 면은 정다각형으로 표현됩니다. 이는 연속적인 결정 격자의 존재와 물리적 특성의 이방성이 특징입니다.

다결정은 다소 혼란스럽게 "함께 자라는" 많은 작은 결정으로 구성된 몸체입니다. 다결정은 금속, 설탕, 돌, 모래입니다. 이러한 몸체(예: 금속 조각)에서는 이방성이 이 몸체의 개별 결정의 특징이지만 일반적으로 요소의 무작위 배열로 인해 이방성이 나타나지 않습니다.

결정체의 기타 특성: 엄격하게 정의된 온도(임계점 존재), 강도, 탄성, 전기 전도도, 자기 전도도, 열 전도도.

무정형 - 모양이 없는 것. 이것이 바로 이 단어가 그리스어에서 문자 그대로 번역된 방식입니다. 비정질체는 자연적으로 생성됩니다. 예를 들어, 호박, 왁스 인간은 유리 및 수지(인공), 파라핀, 플라스틱(고분자), 로진, 나프탈렌, var 등 인공 무정형체 생성에 관여합니다. 신체 구조에서 분자(원자, 이온)의 혼란스러운 배열로 인해 존재하지 않습니다. 따라서 모든 비정질체의 경우 등방성이며 모든 방향에서 동일합니다. 무정형체의 경우 중요한 녹는점이 없으며, 가열하면 점차 부드러워지고 점성 액체로 변합니다. 비정질체는 액체와 결정체 사이의 중간(과도기) 위치에 지정됩니다. 저온에서는 단단해지고 탄력이 생기며, 충격을 받으면 형태 없는 조각으로 쪼개질 수 있습니다. 고온에서는 이러한 동일한 요소가 가소성을 나타내어 점성 액체가 됩니다.

이제 결정체가 무엇인지 알았습니다!

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소개

1장. 결정체와 비정질체

1.1 이상적인 결정

1.2 단결정 및 결정질 집합체

1.3 다결정

2장. 결정의 대칭 요소

3장. 고체 결함의 유형

3.1 점결함

3.2 선형 결함

3.3 표면 결함

3.4 체적 결함

4장. 크리스탈 획득

제5장. 결정의 성질

결론

서지

소개

크리스탈은 가장 아름답고 신비로운 자연의 창조물 중 하나입니다. 현재 결정학에서는 결정의 다양성을 연구하고 있습니다. 그녀는 이러한 다양성 속에서 통일성의 징후를 드러내고 단결정과 결정질 집합체의 특성과 구조를 연구합니다. 결정학은 결정물질을 종합적으로 연구하는 과학이다. 이 연구는 또한 결정과 그 특성에 관한 것이기도 합니다.

현재 결정은 특별한 특성을 가지고 있기 때문에 과학 기술에 널리 사용됩니다. 반도체, 초전도체, 양자 전자공학 등 결정을 사용하는 분야에서는 결정의 화학적 조성과 구조에 대한 결정의 물리적 특성의 의존성에 대한 깊은 이해가 필요합니다.

현재 인공적으로 결정을 성장시키는 방법이 알려져 있습니다. 크리스탈은 일반 유리에서 성장할 수 있으며, 이를 위해서는 특정 용액과 성장하는 크리스탈을 관리하는 데 필요한 주의가 필요합니다.

자연에는 매우 다양한 결정이 있으며, 결정의 형태도 다양합니다. 현실적으로 모든 결정에 적용되는 정의를 제공하는 것은 거의 불가능합니다. 여기에서는 결정의 X선 분석 결과가 도움이 될 수 있습니다. X선을 사용하면 결정체 내부의 원자를 느끼고 원자의 공간적 위치를 확인할 수 있습니다. 그 결과, 절대적으로 모든 결정은 결정체 내부에 엄격한 순서로 위치한 기본 입자로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다.

모든 결정 구조에서는 예외 없이 많은 동일한 원자가 공간 격자의 노드처럼 위치한 원자와 구별될 수 있습니다. 그러한 격자를 상상하기 위해, 전체 면을 따라 평행하고 평행한 많은 동일한 평행육면체로 공간을 정신적으로 채워 봅시다. 그러한 건물의 가장 간단한 예는 동일한 벽돌로 만든 벽돌입니다. 벽돌 내부의 해당 점(예: 중심 또는 꼭지점)을 선택하면 공간 격자 모델을 얻을 수 있습니다. 예외 없이 모든 결정체는 격자 구조를 특징으로 합니다.

크리스탈은 " 구성 입자(원자, 이온, 분자)가 공간 격자의 노드처럼 엄격하게 규칙적으로 배열되어 있는 모든 고체". 이 정의는 가능한 한 진실에 가깝습니다. 부울(면, 가장자리, 돌출 꼭지점이 없는 결정 형태), 입자 및 평면 형상과 같은 모든 균질한 결정체에 적합합니다.

1장.결정질 및 비정질체

물리적 특성과 분자 구조에 따라 고체는 비정질 고체와 결정질 고체의 두 가지 클래스로 나뉩니다.

비정질체의 특징은 등방성입니다. 모든 물리적 특성(기계적, 광학적 등)이 방향으로부터 독립됩니다. 등방성 고체의 분자와 원자는 무작위로 배열되어 여러 입자(단거리 순서)를 포함하는 작은 국소 그룹만 형성합니다. 구조상 무정형 몸체는 액체에 매우 가깝습니다.

비정질체의 예로는 유리, 각종 경화수지(호박색), 플라스틱 등이 있습니다. 비정질체를 가열하면 서서히 부드러워지고, 액체 상태로 변하는 데에는 상당한 온도 범위가 필요합니다.

결정체에서 입자는 엄격한 순서로 배열되어 몸체 전체 부피에 걸쳐 공간적으로 주기적으로 반복되는 구조를 형성합니다. 이러한 구조를 시각적으로 표현하기 위해 공간적으로 결정 격자, 주어진 물질의 원자 또는 분자 중심이 위치한 노드에 있습니다.

각 공간 격자에서 최소 크기의 구조 요소를 구별할 수 있습니다. 단위 세포.

쌀. 1. 결정 격자의 유형: 1 - 단순 입방 격자; 2 - 면심 입방 격자; 3 - 체심 입방 격자; 4 - 육각형 격자

단순 입방 격자에서 입자는 입방체의 꼭지점에 위치합니다. 면심 격자에서 입자는 입방체의 꼭지점뿐만 아니라 각 면의 중심에도 위치합니다. 체심 입방 격자에서는 각 입방 단위 셀의 중심에 추가 입자가 위치합니다.

결정의 입자는 단단히 포장되어 중심 사이의 거리가 입자의 크기와 거의 동일하다는 점을 기억해야 합니다. 결정 격자 이미지에서는 입자 중심의 위치만 표시됩니다.

1. 1개의 완벽한 수정

결정의 정확한 기하학적 모양은 결정학 개발 초기 단계에서도 연구자들의 관심을 끌었으며 내부 구조에 대한 특정 가설을 만들었습니다.

이상적인 결정을 고려하면 위반 사항이 발견되지 않으며 모든 동일한 입자가 동일한 평행 행에 위치합니다. 동일한 평면에 있지 않은 세 가지 기본 이동을 임의의 지점에 적용하고 이를 공간에서 끝없이 반복하면 공간 격자를 얻습니다. 등가 노드의 3차원 시스템. 따라서 이상적인 결정에서는 물질 입자의 배열이 엄격한 3차원 주기성을 특징으로 합니다. 그리고 결정의 기하학적으로 정확한 내부 구조와 관련된 패턴에 대한 명확한 아이디어를 얻기 위해 결정학 실험실 수업에서는 일반적으로 평평한면과 직선 모서리를 가진 볼록한 다면체 형태로 이상적으로 형성된 결정 모델을 사용합니다. 사실, 실제 결정의 면은 완벽하게 평평하지 않습니다. 왜냐하면 결정이 성장함에 따라 결절, 거칠기, 홈, 성장 구덩이, 인접면(이상적인 위치에서 완전히 또는 부분적으로 벗어난 면), 성장 또는 용해의 나선형, 등. .

완벽한 크리스탈- 불순물이나 구조적 결함을 포함하지 않는 무한한 단결정인 물리적 모델입니다. 실제 결정과 이상적인 결정의 차이는 크기의 유한성과 결함의 존재 때문입니다. 실제 결정의 일부 결함(예: 불순물, 결정간 경계)의 존재는 특별한 성장, 어닐링 또는 정제 방법을 사용하여 거의 완전히 피할 수 있습니다. 그러나 온도 T>0K에서 결정은 항상 유한한 농도의 (열적으로 활성화된) 공극과 격자간 원자를 가지며, 평형 상태에 있는 그 수는 온도가 감소함에 따라 기하급수적으로 감소합니다.

결정질 물질은 단결정 또는 다결정 샘플의 형태로 존재할 수 있습니다.

단결정은 규칙적인 구조가 물질의 전체 부피를 덮고 있는 고체입니다. 단결정은 자연(석영, 다이아몬드, 에메랄드)에서 발견되거나 인공적으로 생산(루비)됩니다.

다결정 샘플은 특정 상호 작용력에 의해 상호 연결될 수 있는 다양한 크기의 무작위 방향의 작은 결정으로 구성됩니다.

1. 2 단결정합금 및 결정질 골재

단결정- 연속적인 결정 격자를 가지며 때로는 물리적 특성의 이방성을 갖는 별도의 균질 결정. 단결정의 외부 형상은 원자 결정 격자와 결정화 조건(주로 속도 및 균일성)에 따라 결정됩니다. 천천히 성장하는 단결정은 거의 항상 잘 정의된 자연 컷을 획득하며, 결정화의 비평형 조건(평균 성장 속도)에서는 컷이 약하게 나타납니다. 훨씬 더 빠른 결정화 속도에서는 단결정 대신 균일한 다결정과 다결정 집합체가 형성되며, 이는 서로 다른 방향의 작은 단결정으로 구성됩니다. 면처리된 천연 단결정의 예로는 석영 단결정, 암염, 아이슬란드 스파, 다이아몬드 및 토파즈가 있습니다. 특수한 조건에서 성장한 반도체 및 유전체 재료의 단결정은 산업적으로 매우 중요합니다. 특히, 실리콘 단결정과 주기율표의 V족(5번째) 원소(예: GaAs 갈륨 비소)와 III족(세 번째) 원소의 인공 합금은 현대 고체 전자 장치의 기초입니다. 금속 단결정 및 그 합금은 특별한 특성을 가지지 않으며 실제로 사용되지 않습니다. 초순수 물질의 단결정은 제조 방법에 관계없이 동일한 특성을 갖습니다. 결정화는 열 방출과 함께 기체(예: 서리 및 눈송이), 액체(대부분) 및 고체 비정질 상태의 녹는점(응축) 근처에서 발생합니다. 가스 또는 액체의 결정화에는 강력한 정화 메커니즘이 있습니다. 천천히 성장하는 단결정의 화학적 조성은 거의 이상적입니다. 거의 모든 오염물질은 액체나 기체에 남아(축적) 있습니다. 이는 결정 격자가 성장함에 따라 화학적 특성(원가)뿐만 아니라 크기에 따라 필요한 원자(분자 결정의 분자)가 자발적으로 선택되기 때문에 발생합니다.

현대 기술은 더 이상 천연 결정의 제한된 특성 세트(특히 반도체 레이저 생성)가 부족하지 않으며, 과학자들은 유사한 결정을 가진 결정의 초박막 층을 교대로 성장시켜 중간 특성을 갖는 결정과 같은 물질을 생성하는 방법을 고안했습니다. 격자 매개변수.

다른 응집 상태와 달리 결정 상태는 다양합니다. 동일한 조성의 분자는 다양한 방식으로 결정으로 포장될 수 있습니다. 물질의 물리적, 화학적 특성은 포장 방법에 따라 다릅니다. 따라서 동일한 화학적 조성을 가진 물질은 실제로 다른 물리적 특성을 갖는 경우가 많습니다. 이러한 다양성은 액체 상태에서는 일반적이지 않지만 기체 상태에서는 불가능합니다.

예를 들어 일반 식염을 사용하면 현미경 없이도 개별 결정을 쉽게 볼 수 있습니다.

우리가 하나의 분리된 결정을 다루고 있다는 점을 강조하고 싶다면 이를 다음과 같이 부릅니다. 단결정,우리가 많은 결정의 축적에 대해 이야기하고 있다는 것을 강조하기 위해 이 용어가 사용됩니다. 결정질 골재. 결정성 집합체의 개별 결정이 면처리되지 않은 경우 이는 물질의 여러 지점에서 동시에 결정화가 시작되고 속도가 상당히 빠르다는 사실로 설명될 수 있습니다. 성장하는 결정은 서로를 방해하며 각각의 결정이 올바르게 절단되는 것을 방해합니다.

본 연구에서는 주로 단결정에 대해 이야기할 것이며, 이는 결정질 집합체의 구성요소이므로 그 특성은 집합체의 특성과 유사할 것입니다.

1. 3개의 다결정

다결정- 모든 물질의 작은 결정의 집합체. 불규칙한 모양으로 인해 결정자 또는 결정립이라고도 함. 천연 및 인공 기원의 많은 재료(광물, 금속, 합금, 세라믹 등)는 다결정입니다.

속성 및 가져오기. 다결정의 특성은 이를 구성하는 결정질 입자의 특성, 1~2 마이크론에서 수 밀리미터(경우에 따라 최대 수 미터) 범위의 평균 크기, 입자의 결정학적 방향 및 결정립계의 구조. 결정립의 방향이 무작위이고 그 크기가 다결정의 크기에 비해 작은 경우, 단결정의 물리적 성질의 이방성은 다결정에 나타나지 않습니다. 다결정이 지배적인 결정립 방향을 갖는 경우 다결정은 질감이 있고 이 경우 특성의 이방성을 갖습니다. 입자 경계의 존재는 전도 전자, 포논의 산란, 전위 제동 등이 경계에서 발생하기 때문에 다결정의 물리적, 특히 기계적 특성에 큰 영향을 미칩니다.

다결정은 결정화, 다형성 변형 및 결정질 분말의 소결 결과로 형성됩니다. 다결정은 단결정보다 안정성이 낮기 때문에 다결정이 장기간 어닐링되는 동안 재결정화가 발생하여(다른 입자를 희생하여 개별 입자가 우세하게 성장) 큰 결정 블록이 형성됩니다.

제 2 장. 크리스탈 대칭 요소

대칭과 비대칭의 개념은 엄밀한 과학적 정의보다는 미학적 기준으로 고대부터 과학에 등장했습니다. 대칭이라는 개념이 등장하기 전에는 일반적으로 수학, 물리학, 자연과학이 서로 절망적으로 고립되고 심지어 모순되기까지 하는 사상, 이론, 법칙으로 이루어진 별개의 섬과 비슷했습니다. 대칭은 과학 지식의 서로 다른 단편들이 하나의 전체적인 세계 그림으로 합쳐지는 종합의 시대를 특징짓고 표시합니다. 이 과정의 주요 추세 중 하나는 과학 지식의 수학화입니다.

대칭은 일반적으로 시스템, 이론, 법칙 및 개념 사이의 내부 연결을 설정하는 과학적 지식의 기본 그림으로 간주될 뿐만 아니라 이를 공간과 시간, 움직임과 같은 근본적인 속성으로 간주합니다. 이런 의미에서 대칭은 물질 세계와 모든 구성 요소의 구조를 결정합니다. 대칭은다면적이고 다단계적인 성격을 가지고 있습니다. 예를 들어, 물리적 지식 시스템에서 대칭은 현상 수준, 이러한 현상을 설명하는 법칙, 이러한 법칙의 기본 원리, 수학에서 기하학적 객체를 설명할 때 고려됩니다. 대칭은 다음과 같이 분류될 수 있습니다.

· 구조적;

· 기하학적;

· 동적, 설명, 각각 결정학,

이 개념의 수학적, 물리적 측면.

가장 단순한 대칭은 일반적인 3차원 공간에서 기하학적으로 표현될 수 있으므로 시각적입니다. 이러한 대칭은 문제의 신체를 그 자체와 일치시키는 기하학적 작업과 관련이 있습니다. 그들은 특정 작업과 관련하여 신체나 시스템의 불변성(불변성)에서 대칭성이 나타난다고 말합니다. 예를 들어 표면에 어떤 표시도 없는 구는 어떤 회전에서도 변하지 않습니다. 이것은 대칭성을 보여줍니다. 예를 들어 점 형태의 표시가 있는 구는 회전할 때만 자체와 일치하며 그 후에는 표시가 원래 위치로 돌아갑니다. 우리의 3차원 공간은 등방성입니다. 이는 표시가 없는 구처럼 어떤 회전에서도 자체적으로 일치한다는 것을 의미합니다. 공간은 물질과 불가분의 관계가 있습니다. 그러므로 우리 우주도 등방성이다. 공간도 동질적이다. 이는 우주(그리고 우리 우주)가 이동 작업과 관련하여 대칭을 이루고 있음을 의미합니다. 시간은 동일한 대칭을 가지고 있습니다.

단순한 (기하학적) 대칭 외에도 매우 복잡한 소위 동적 대칭이 물리학에서 널리 발견됩니다. 즉, 공간과 시간이 아닌 특정 유형의 상호 작용과 관련된 대칭입니다. 그것들은 시각적이지 않으며 심지어 가장 단순한 것, 예를 들어 소위 게이지 대칭, 다소 복잡한 물리 이론을 사용하지 않고는 설명하기가 어렵습니다. 일부 보존법칙은 물리학의 게이지 대칭에도 해당합니다. 예를 들어, 전자기 전위의 게이지 대칭은 전하 보존 법칙으로 이어집니다.

사회적 실천 과정에서 인류는 엄격한 질서, 전체 부분 간의 균형, 이러한 질서 위반을 나타내는 많은 사실을 축적했습니다. 이와 관련하여 다음과 같은 다섯 가지 대칭 범주를 구분할 수 있습니다.

· 대칭;

· 비대칭;

· 불균형;

· 비대칭;

· 초대칭.

어울리지 않음 . 비대칭은 비대칭입니다. 대칭이 없는 상태. 그러나 칸트는 또한 부정은 결코 단순한 예외나 상응하는 긍정적인 내용의 부재가 아니라고 말했습니다. 예를 들어, 움직임은 이전 상태의 부정, 즉 대상의 변화입니다. 움직임은 휴식을 거부하지만 휴식은 움직임의 부재가 아닙니다. 정보가 거의 없고 이 정보가 잘못되었기 때문입니다. 움직임이 없는 것처럼 안식의 부재도 없습니다. 이는 동일한 본질의 양면이기 때문입니다. 휴식은 움직임의 또 다른 측면입니다.

대칭이 완전히 없는 것도 아닙니다. 대칭 요소가 없는 도형을 비대칭이라고 합니다. 그러나 엄밀히 말하면 그렇지 않습니다. 비대칭 도형의 경우 대칭 무질서가 단순히 종료되지만 완전히 대칭이 없는 것은 아닙니다. 왜냐하면 이러한 도형은 여전히 ​​대칭 요소이기도 한 무한한 수의 1차 축을 특징으로 하기 때문입니다.

비대칭은 물체에 대칭 요소가 모두 없는 것과 관련이 있습니다. 이러한 요소는 여러 부분으로 나눌 수 없습니다. 대표적인 것이 인간의 손이다. 비대칭성은 대칭과 반대되는 범주로, 전체의 일부가 변경, 발전 및 재구성되는 것과 관련된 객관적 세계에 존재하는 불균형을 반영합니다. 우리가 움직임, 즉 움직임과 정지의 통일성을 의미하는 것처럼 대칭과 비대칭도 객관적 세계의 두 가지 정반대입니다. 실제 자연에는 순수한 대칭과 비대칭이 없습니다. 그들은 언제나 단결하고 끊임없이 투쟁하고 있습니다.

물질 발달의 다양한 수준에는 대칭(상대적 질서) 또는 비대칭(평화, 운동, 발전을 방해하는 경향)이 있지만 이 두 경향은 항상 통합되어 있으며 그들의 투쟁은 절대적입니다. 실제 가장 완벽한 결정이라 할지라도 결정학에서 구조적으로 고려되는 이상적인 모양과 이상적인 대칭의 결정과는 거리가 멀습니다. 이상적인 대칭과 상당한 차이가 있습니다. 또한 물리적 특성에 영향을 미치는 전위, 공석과 같은 비대칭 요소도 있습니다.

대칭과 비대칭의 정의는 물질 세계의 속성인 대칭과 비대칭의 보편적이고 일반적인 특성을 나타냅니다. 물리학과 수학에서 대칭 개념 분석(드문 예외 있음)은 대칭을 절대화하고 비대칭을 대칭과 질서가 없는 것으로 해석하는 경향이 있습니다. 대칭의 대척점은 순전히 부정적인 개념으로 보이지만 주목할 가치가 있습니다. L. Pasteur의 입체이성질체 연구 및 분리 실험과 관련하여 19세기 중반에 비대칭성에 대한 상당한 관심이 생겼습니다.

불균형 . 비대칭성은 내부적이거나 혼란스러운 대칭입니다. 물체에 대칭 요소가 일부 부족합니다. 예를 들어, 지구의 자오선을 따라 흐르는 강은 한 둑이 다른 둑보다 높습니다(북반구에서는 오른쪽 둑이 왼쪽보다 높고 남반구에서는 그 반대). 파스퇴르에 따르면, 비대칭 도형은 단순 중첩으로는 거울상과 결합할 수 없는 도형입니다. 비대칭 개체의 대칭 정도는 임의로 높을 수 있습니다. 가장 넓은 의미의 비대칭성은 무한히 대칭적인 물체에서 무한히 비대칭적인 물체에 이르기까지 모든 형태의 근사로 정의될 수 있습니다.

비대칭 . 반대칭은 반대 대칭 또는 반대 대칭이라고 합니다. 입자-반입자, 볼록-오목, 검정-흰색, 장력-압축, 앞으로-뒤로 등 그림 기호의 변화와 관련이 있습니다. 이 개념은 검은색과 흰색 장갑 두 쌍의 예를 통해 설명할 수 있습니다. 두 쌍의 검은 색과 흰색 장갑을 가죽 조각으로 꿰매고 그 양면이 각각 흰색과 검은 색으로 칠해진 경우 우파-좌파, 색상-검은 색과 흰색을 기준으로 구별 할 수 있습니다. 즉, 기호 정보주의와 기타 기호를 기반으로 한 것입니다. 반대칭 연산은 그림의 두 번째 속성이 변경되는 일반적인 대칭 연산으로 구성됩니다.

초대칭 20세기 마지막 수십 년 동안 러시아 이론가 겔판트(Gelfand)와 리히트만(Lichtman)이 제안한 초대칭 모델이 개발되기 시작했습니다. 간단히 말해서, 그들의 생각은 공간과 시간의 일반적인 차원이 있는 것처럼 소위 그라스만 수(Grassmann number)로 측정할 수 있는 추가 차원이 있어야 한다는 것이었습니다. S. Hawking이 말했듯이 SF 작가들조차도 Grassmann 차원만큼 이상한 것을 생각해 본 적이 없습니다. 일반적인 산술에서 숫자 4에 6을 곱한 값은 6에 4를 곱한 것과 같습니다. 그러나 그라스만 수의 이상한 점은 X에 Y를 곱하면 마이너스 Y에 X를 곱한 것과 같다는 것입니다. 이것은 자연에 대한 우리의 고전적인 생각과 그것을 묘사하는 방법과 얼마나 멀리 떨어져 있습니까?

대칭은 움직임의 형태나 소위 대칭 작업을 통해서도 고려될 수 있습니다. 다음과 같은 대칭 작업을 구별할 수 있습니다.

· 대칭면에서의 반사(거울에서의 반사);

대칭축을 중심으로 한 회전 ( 회전 대칭);

· 대칭 중심에서의 반사(반전);

옮기다 ( 방송) 멀리서 수치;

· 나사 회전;

· 순열 대칭.

대칭면에서의 반사 . 반사는 자연에서 가장 유명하고 가장 자주 발견되는 대칭 유형입니다. 거울은 자신이 "보는" 것을 정확하게 재현하지만 고려되는 순서는 반대입니다. 손가락이 반대 순서로 배열되어 있으므로 분신의 오른손은 실제로는 왼손이 됩니다. 모든 캐릭터의 이름이 역순으로 읽혀지는 영화 "비뚤어진 거울의 왕국"은 어린 시절부터 누구나 익숙 할 것입니다. 거울 대칭은 식물의 잎과 꽃, 건축물, 장식품 등 어디에서나 찾을 수 있습니다. 인체는 외모에 대해서만 이야기하면 거울 대칭을 가지고 있지만 아주 엄격하지는 않습니다. 더욱이 거울 대칭은 거의 모든 생명체의 몸에 내재되어 있으며 그러한 우연은 결코 우연이 아닙니다. 거울 대칭 개념의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.

거울처럼 생긴 두 부분으로 나누어질 수 있는 모든 것은 거울대칭을 가지고 있습니다. 각 반쪽은 다른 쪽의 거울 이미지 역할을 하며, 이를 분리하는 평면을 거울 반사 평면 또는 간단히 거울 평면이라고 합니다. 이 평면을 대칭요소라 하고, 이에 해당하는 연산을 대칭 연산이라 할 수 있다. . 우리는 매일 3차원 대칭 패턴을 접합니다. 이는 많은 현대 주거용 건물이며 때로는 창고에 쌓여 있는 전체 블록, 상자 및 상자입니다. 결정 상태의 물질 원자는 결정 격자를 형성합니다. 대칭. 이 모든 경우에 올바른 위치는 공간을 경제적으로 활용하고 안정성을 보장합니다.

문학에서 거울 대칭의 주목할만한 예는 "체인지링(changeling)" 문구입니다: "그리고 장미가 아조르의 발에 떨어졌습니다." . 이 줄에서 거울 대칭의 중심은 문자 "n"이며, 다른 모든 문자(단어 사이의 공백을 고려하지 않음)는 서로 반대 순서로 위치합니다.

회전대칭 . 축을 중심으로 특정 각도로 회전하면 패턴의 모양이 변경되지 않습니다. 이때 나타나는 대칭을 회전대칭이라고 합니다. . 예를 들어 회전 대칭을 갖춘 어린이 게임 "바람개비"가 있습니다. 많은 춤에서 형상은 회전 동작을 기반으로 하며, 예를 들어 둥근 춤과 같이 종종 한 방향으로만(즉, 반사 없이) 수행됩니다.

많은 식물의 잎과 꽃은 방사형 대칭을 나타냅니다. 이것은 대칭축을 중심으로 회전하는 잎이나 꽃이 그 자체로 변하는 대칭입니다. 식물의 뿌리나 줄기를 형성하는 조직의 단면에서는 방사형 대칭이 명확하게 보입니다. 많은 꽃의 꽃차례도 방사상 대칭을 이루고 있습니다.

대칭 중심에서의 반사 . 이 대칭 작업을 특징으로 하는 가장 높은 대칭 개체의 예는 공입니다. 구형 형태는 본질적으로 매우 널리 퍼져 있습니다. 이는 대기(안개 물방울, 구름), 수권(다양한 미생물), 암석권 및 우주에서 흔히 발견됩니다. 식물의 포자와 꽃가루, 우주선에 무중력 상태로 방출되는 물방울은 구형 모양을 가지고 있습니다. 메타은하 수준에서 가장 큰 구형 구조는 구형 은하입니다. 은하단의 밀도가 높을수록 구형에 가까워집니다. 성단도 구형입니다.

먼 거리에 있는 그림의 번역 또는 전송 . 거리에 따른 그림의 평행 이동 또는 번역은 무제한으로 반복되는 패턴입니다. 1차원, 2차원, 3차원이 될 수 있습니다. 동일하거나 반대 방향으로의 이동은 1차원 패턴을 형성합니다. 평행하지 않은 두 방향의 평행 이동은 2차원 패턴을 형성합니다. 쪽모이 세공 마루 바닥, 벽지 패턴, 레이스 리본, 벽돌이나 타일로 포장된 길, 결정체 모양은 자연적인 경계가 없는 패턴을 형성합니다. 책 인쇄에 사용된 패턴을 연구할 때 타일 바닥 디자인에서와 동일한 대칭 요소가 발견되었습니다. 장식적인 테두리는 음악과 관련이 있습니다. 음악에서 대칭 구성 요소에는 반복(번역) 및 반전(반영) 작업이 포함됩니다. 경계에서 발견되는 것은 이러한 대칭 요소입니다. 대부분의 음악은 엄밀히 대칭은 아니지만 많은 음악이 대칭 작업을 기반으로 합니다. 특히 기억하기 쉬운 동요에서 눈에 띕니다. 대칭 작업은 중세와 르네상스 음악, 바로크 시대 음악(종종 매우 정교한 형식)에서 발견됩니다. I.S. 바흐는 대칭이 작곡의 중요한 원칙이었을 때 일종의 음악 퍼즐 게임이 널리 퍼졌습니다. 그 중 하나는 신비한 "대포"를 해결하는 것이 었습니다. 카논(Kanon)은 한 성부가 다른 성부로 주제를 연주하는 것을 기반으로 한 다성 음악의 한 형태입니다. 작곡가는 주제를 제안하고, 청취자는 그가 주제를 반복할 때 사용하려는 대칭의 작동을 추측해야 합니다.

자연은 반대 유형의 퍼즐을 설정합니다. 우리에게는 완성된 표준이 제공되며 기존 패턴과 대칭의 기초가 되는 규칙과 동기를 찾아야 하며, 그 반대로도 다른 규칙에 따라 동기를 반복할 때 발생하는 패턴을 찾아야 합니다. 첫 번째 접근 방식은 물질, 예술, 음악 및 사고의 구조에 대한 연구로 이어집니다. 두 번째 접근 방식은 고대부터 예술가, 건축가, 음악가 및 과학자들이 관심을 가져왔던 디자인 또는 계획의 문제에 직면합니다.

나선형 회전 . 변환은 반사 또는 회전과 결합되어 새로운 대칭 작업을 생성할 수 있습니다. 회전축을 따라 거리에 따른 이동과 함께 특정 각도만큼 회전하면 나선형 계단의 대칭인 나선형 대칭이 생성됩니다. 나선형 대칭의 예는 많은 식물 줄기의 잎 배열입니다. 해바라기 머리에는 기하학적인 나선형으로 배열된 새싹이 있으며 중앙에서 바깥쪽으로 풀립니다. 나선형의 막내 멤버가 중앙에 있습니다. 이러한 시스템에서는 반대 방향으로 풀리고 직선에 가까운 각도로 교차하는 두 개의 나선 계열을 볼 수 있습니다. 그러나 식물 세계에서 대칭의 표현이 아무리 흥미롭고 매력적이더라도 발달 과정을 제어하는 ​​​​비밀은 여전히 ​​많이 있습니다. 나선을 향한 자연의 경향에 대해 말한 괴테를 따라 우리는 이 움직임이 로그 나선을 따라 수행된다고 가정할 수 있으며, 매번 중앙 고정점에서 시작하여 병진 운동(스트레칭)과 회전을 결합합니다.

정류 대칭 . 물리적 대칭성의 추가 확장은 양자역학의 발전과 관련이 있습니다. 소우주의 특별한 유형의 대칭 중 하나는 순열 대칭입니다. 이는 특정 궤적을 따라 이동하지 않는 동일한 미세 입자의 근본적인 구별 불가능성에 기반을 두고 있으며 파동 함수 계수의 제곱과 관련된 확률적 특성에 따라 그 위치를 추정합니다. 정류 대칭성은 양자 입자가 "재배열"될 때 확률적 특성이 변하지 않고 파동 함수의 제곱 계수가 일정한 값이라는 사실에 있습니다.

유사성의 대칭 . 또 다른 유형의 대칭은 유사성 대칭으로, 그림의 유사한 부분과 그 사이의 거리가 동시에 증가하거나 감소하는 것과 관련됩니다. 이런 종류의 대칭의 예는 마트료시카 인형입니다. 이러한 대칭은 살아있는 자연에 매우 널리 퍼져 있습니다. 그것은 성장하는 모든 유기체에 의해 입증됩니다.

대칭 문제는 현대 물리학에서 결정적인 역할을 합니다. 자연의 동적 법칙은 특정 유형의 대칭이 특징입니다. 일반적인 의미에서 물리법칙의 대칭성은 특정 변환에 대한 불변성을 의미합니다. 고려된 대칭 유형에는 특정 적용 한계가 있다는 점에도 유의해야 합니다. 예를 들어, 오른쪽과 왼쪽의 대칭은 강한 전자기 상호 작용이 있는 영역에서만 존재하지만 약한 전자기 상호 작용에서는 깨집니다. 동위원소 불변성은 전자기력을 고려할 때만 유효합니다. 대칭 개념을 적용하기 위해 다음 네 가지 요소를 고려하는 특정 구조를 도입할 수 있습니다.

· 연구 중인 대상이나 현상;

· 대칭을 고려한 변형;

· 물체나 현상의 속성이 불변하며 문제의 대칭성을 표현합니다. 물리 법칙과 보존 법칙의 대칭성 사이의 연결;

· 다양한 대칭 유형의 적용 한계.

물리적 시스템 또는 법칙의 대칭 특성을 연구하려면 특수 수학적 분석, 주로 현재 고체 물리학 및 결정학에서 가장 많이 개발된 그룹 이론의 개념을 사용해야 합니다.

3 장. 고체의 결함 유형

단결정이든 다결정이든 모든 실제 고체에는 소위 구조적 결함, 유형, 농도 및 거동이 매우 다양하며 특성, 재료 획득 조건 및 외부 영향의 특성에 따라 달라집니다. 외부 영향으로 인해 생성된 대부분의 결함은 열역학적으로 불안정하며 이 경우 시스템 상태는 여기(비평형) 상태입니다. 이러한 외부 영향은 온도, 압력, 입자 및 고에너지 양자 조사, 불순물 도입, 다형성 및 기타 변환 중 상 경화, 기계적 효과 등이 될 수 있습니다. 평형 상태로의 전환은 다양한 방식으로 발생할 수 있으며, 일반적으로 일련의 준안정 상태를 통해 실현됩니다.

동일한 유형의 결함은 동일하거나 다른 유형의 결함과 상호 작용하여 소멸되거나 새로운 결함 연관성을 형성할 수 있습니다. 이러한 프로세스에는 시스템 에너지 감소가 동반됩니다.

주어진 결함으로 인해 결정 격자의 원자 배열이 주기적으로 위반되는 방향 N의 수에 따라 결함이 구별됩니다.

· 점(0차원, N=0);

· 선형(1차원, N=1);

· 표면(2차원, N=2);

· 부피(3차원, N=3);

이제 각 결함을 자세히 살펴보겠습니다.

3.1 점결함

0차원으로(또는 가리키다) 결정 결함에는 불순물뿐만 아니라 작은 원자 그룹의 변위 또는 대체와 관련된 모든 결함이 포함됩니다. 이는 가열, 도핑, 결정 성장 중 및 방사선 노출의 결과로 발생합니다. 이식의 결과로 도입될 수도 있습니다. 이러한 결함의 특성과 그 형성 메커니즘은 운동, 상호 작용, 소멸 및 증발을 포함하여 가장 잘 연구되었습니다.

· 공석(Vacancy) - 자유롭고 비어 있는 원자, 결정 격자의 노드.

· 고유격자원자(Proper interstitialatom) - 단위세포의 격자간 위치에 위치한 주원소의 원자.

· 불순물 원자 치환 - 결정 격자의 노드에서 한 유형의 원자를 다른 유형의 원자로 대체합니다. 치환 위치에는 기본 원자와 크기 및 전자 특성이 상대적으로 거의 다른 원자가 포함될 수 있습니다.

· 격자간 불순물 원자 - 불순물 원자는 결정 격자의 간극에 위치합니다. 금속에서 격자간 불순물은 일반적으로 수소, 탄소, 질소 및 산소입니다. 반도체에서 이는 실리콘의 구리 및 금과 같이 밴드갭에 깊은 에너지 준위를 생성하는 불순물입니다.

Frenkel 결함(공극 + 자체 격자형 원자), 이중 공극(공극 + 공극), A-센터(실리콘 및 게르마늄의 공극 + 산소 원자) 등과 같은 여러 점 결함으로 구성된 복합체도 결정에서 종종 관찰됩니다.

점 결함의 열역학.점 결함은 각 결함을 형성하는 데 일정량의 에너지가 소비되므로 결정의 에너지를 증가시킵니다. 이온 변위는 1%를 초과하지 않고 해당 변형 에너지는 eV의 10분의 1이기 때문에 탄성 변형은 공극 형성 에너지의 매우 작은 부분을 유발합니다. 격자간 원자가 형성되는 동안 이웃 이온의 변위는 원자간 거리의 20%에 도달할 수 있으며, 격자의 해당 탄성 변형 에너지는 수 eV에 도달할 수 있습니다. 점 결함 형성의 주요 부분은 원자 구조의 주기성 및 원자 간의 결합력 위반과 관련이 있습니다. 금속의 점 결함은 전체 전자 가스와 상호 작용합니다. 사이트에서 양이온을 제거하는 것은 점 음전하를 도입하는 것과 같습니다. 전도 전자는 이 전하로부터 반발되어 에너지가 증가합니다. 이론적 계산에 따르면 구리 fcc 격자의 공극 형성 에너지는 약 1eV이고 격자간 원자의 에너지는 2.5~3.5eV입니다.

자체 점 결함이 형성되는 동안 결정 에너지가 증가함에도 불구하고 형성으로 인해 엔트로피가 증가하므로 격자에서 열역학적 평형을 이룰 수 있습니다. 온도가 상승하면 점결함 형성으로 인한 자유에너지의 엔트로피 항 TS의 증가가 전체 결정에너지 U의 증가를 보상하고 자유에너지는 최소가 되는 것으로 나타난다.

공석의 균형 집중도:

어디 이자형 0 - 하나의 공석 형성 에너지, 케이- 볼츠만 상수, 티- 절대온도. 동일한 공식이 격자간 원자에도 유효합니다. 공식은 공석의 농도가 온도에 크게 의존해야 함을 보여줍니다. 계산식은 간단하지만, 결함 형성 에너지 값을 알아야만 정확한 정량적 값을 얻을 수 있다. 이 값을 이론적으로 계산하는 것은 매우 어려우므로 대략적인 추정치로만 만족해야 합니다.

결함 형성 에너지가 지수에 포함되므로 이러한 차이로 인해 공극 및 격자간 원자의 농도에 큰 차이가 발생합니다. 따라서 구리의 1000°C에서 격자간 원자의 농도는 10×39에 불과하며, 이는 이 온도에서의 공극 농도보다 35배 정도 적습니다. 대부분의 금속의 특징인 치밀한 패킹에서는 격자간 원자가 형성되기가 매우 어려우며 이러한 결정의 빈 공간이 주요 결함입니다(불순물 원자는 제외).

점 결함 마이그레이션.진동 운동을 하는 원자는 지속적으로 에너지를 교환합니다. 열 운동의 무작위성으로 인해 에너지는 서로 다른 원자 사이에 고르지 않게 분포됩니다. 어느 시점에서 원자는 이웃으로부터 너무 많은 에너지를 받아 격자에서 이웃 위치를 차지할 수 있습니다. 이것이 대량의 결정에서 점결함의 이동(이동)이 일어나는 방식입니다.

공극을 둘러싼 원자 중 하나가 공석으로 이동하면 공석도 그에 따라 해당 위치로 이동합니다. 특정 공석을 변위하는 연속적인 기본 행위는 다른 원자에 의해 수행됩니다. 그림은 밀집된 공(원자)의 층에서 공 중 하나를 빈 곳으로 이동하려면 공 1과 2를 서로 떨어뜨려 이동해야 함을 보여줍니다. 원자의 에너지가 최소이고 에너지도 최소인 인접한 빈 노드까지 원자는 위치 에너지가 증가된 상태를 통과하고 에너지 장벽을 극복해야 합니다. 이를 위해서는 원자가 이웃으로부터 과도한 에너지를 받아야 하며, 이는 새로운 위치로 "압착"하는 동안 손실됩니다. 에너지 장벽의 높이는 E m이라고 불립니다. 빈자리 이주 활성화 에너지.

점 결함의 소스 및 싱크.점 결함의 주요 원인과 흡수원은 선형 결함과 표면 결함입니다. 크고 완벽한 단결정에서는 소위 점 결함이 있는 과포화 고용체의 분해가 가능합니다. 미세 결함.

점 결함의 복합체.점 결함의 가장 단순한 복합체는 이중 공석(divacancy)입니다. 즉, 인접한 격자 사이트에 위치한 두 개의 공석입니다. 2개 이상의 불순물 원자로 구성된 복합체와 불순물 원자 및 자체 점결함은 금속 및 반도체에서 중요한 역할을 합니다. 특히, 이러한 복합체는 고체의 강도, 전기적 및 광학적 특성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

3.2 선형 결함

1차원(선형) 결함은 결정 결함으로, 한 방향의 크기는 격자 매개변수보다 훨씬 크고 다른 두 방향의 크기는 이와 유사합니다. 선형 결함에는 전위와 디스크라이닝이 포함됩니다. 일반 정의: 전위는 결정의 불완전한 전단 영역의 경계입니다. 전위는 전단 벡터(버거 벡터)와 전단 벡터와 전위 선 사이의 각도 μ로 특징지어집니다. μ = 0일 때 전위를 나사 전위라고 합니다. c=90°에서 - 가장자리; 다른 각도에서는 혼합되어 나선형 및 모서리 구성 요소로 분해될 수 있습니다. 결정 성장 중에 전위가 발생합니다. 소성 변형 및 기타 여러 경우에 발생합니다. 외부 영향에 따른 분포와 거동은 특히 강도, 연성 등과 같은 가장 중요한 기계적 특성을 결정합니다. 디스크리네이션은 결정에서 불완전 회전 영역의 경계입니다. 회전 벡터가 특징입니다.

3.3 표면 결함

이 클래스의 주요 대표적인 결함은 결정 표면입니다. 다른 경우로는 낮은 각도 경계(전위 연관을 나타냄), 트위닝 평면, 위상 인터페이스 등을 포함한 재료의 결정립 경계가 있습니다.

3.4 체적 결함

여기에는 기공과 채널을 형성하는 공석 클러스터가 포함됩니다. 다양한 결함(장식), 예를 들어 기포, 모액 기포에 침착된 입자; 섹터(모래시계) 및 성장 영역 형태의 불순물 축적. 일반적으로 이는 불순물 상이 포함된 기공 또는 내포물입니다. 그들은 많은 결함을 지닌 대기업입니다. 원인: 결정 성장 체제의 붕괴, 과포화 고용체의 분해, 시료의 오염. 어떤 경우에는(예: 석출 경화 중) 물리적 특성을 수정하기 위해 재료에 체적 결함이 특별히 도입됩니다.

제4장 접수크리스탈 없음

과학과 기술의 발전으로 인해 자연에서 거의 발견되지 않는 많은 보석이나 단순한 결정이 과학 연구를 위한 장치 및 기계 부품 제조에 매우 필요해졌습니다. 많은 결정체에 대한 수요가 너무 증가하여 오래된 결정의 생산 규모를 확대하고 새로운 천연 광상을 찾아 이를 충족하는 것이 불가능했습니다.

또한 많은 기술 분야, 특히 과학 연구에서는 완벽한 결정 구조를 갖춘 매우 높은 화학적 순도의 단결정이 점점 더 필요해지고 있습니다. 자연에서 발견되는 결정은 이상적이지 않은 조건에서 자라기 때문에 이러한 요구 사항을 충족하지 못합니다.

따라서 많은 원소와 화합물의 단결정을 인공적으로 생산하는 기술을 개발하는 과제가 발생했습니다.

"보석"을 만드는 상대적으로 간단한 방법의 개발은 그것이 더 이상 소중하지 않다는 사실로 이어집니다. 이것은 대부분의 보석이 자연에 널리 퍼져 있는 화학 원소와 화합물의 결정체라는 사실에 의해 설명됩니다. 따라서 다이아몬드는 탄소 결정이고, 루비와 사파이어는 다양한 불순물이 포함된 산화알루미늄 결정입니다.

단결정을 성장시키는 주요 방법을 고려해 봅시다. 언뜻 보면 용융물에서 결정화가 매우 간단해 보일 수 있습니다. 물질을 녹는점 이상으로 가열하고 용융물을 얻은 다음 냉각하면 충분합니다. 원칙적으로 이것이 올바른 방법이지만 특별한 조치를 취하지 않으면 기껏해야 다결정 샘플이 될 것입니다. 예를 들어 용융물의 냉각 속도에 따라 결정질 또는 무정형 상태로 응고될 수 있는 석영, 황, 셀레늄, 설탕을 사용하여 실험을 수행하는 경우 무정형 몸체가 보장되지 않습니다. 획득되지 않습니다.

하나의 단결정을 성장시키기 위해서는 천천히 냉각하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 먼저 용융물의 작은 영역 하나를 냉각하고 그 안에 결정의 "핵 생성"을 얻은 다음 "핵 생성"을 둘러싼 용융물을 순차적으로 냉각하여 결정이 전체 부피에 걸쳐 성장할 수 있도록 해야 합니다. 녹다. 이 공정은 수직 관상로의 구멍을 통해 용융물이 담긴 도가니를 천천히 낮추는 방식으로 수행할 수 있습니다. 결정은 먼저 낮은 온도 영역으로 들어간 다음 점차적으로 용융물의 전체 부피에 걸쳐 성장하기 때문에 도가니 바닥에서 핵이 생성됩니다. 도가니의 바닥은 특별히 좁게 만들어져 원뿔 모양으로 뾰족해져서 단 하나의 결정핵만 들어갈 수 있습니다.

이 방법은 아연, 은, 알루미늄, 구리 및 기타 금속의 결정뿐만 아니라 광학 산업에 사용되는 염화나트륨, 브롬화 칼륨, 불화 리튬 및 기타 염의 결정을 성장시키는 데 종종 사용됩니다. 하루 만에 약 1kg의 암염 결정을 성장시킬 수 있습니다.

설명된 방법의 단점은 도가니 물질에 의한 결정의 오염입니다. 결정 결함 대칭성

예를 들어 커런덤(루비, 사파이어)을 성장시키는 데 사용되는 용융물에서 결정을 성장시키는 도가니 없는 방법에는 이러한 단점이 없습니다. 2-100 미크론 크기의 알갱이에서 나온 가장 미세한 산화알루미늄 분말은 호퍼에서 얇은 흐름으로 쏟아져 산소-수소 화염을 통과한 후 녹아서 방울 형태로 내화물 막대에 떨어집니다. 막대의 온도는 산화알루미늄의 녹는점(2030°C)보다 약간 낮게 유지됩니다. 산화 알루미늄 방울이 냉각되어 소결된 커런덤 덩어리의 껍질을 형성합니다. 시계 메커니즘은 천천히(10-20mm/h) 막대를 낮추고, 소위 불이라고 불리는 거꾸로 된 배 모양의 자르지 않은 커런덤 결정이 그 위에 점차적으로 자랍니다.

자연에서와 마찬가지로 용액에서 결정을 얻는 방법에는 두 가지 방법이 있습니다. 첫 번째는 포화 용액에서 용매를 천천히 증발시키는 것이고, 두 번째는 용액의 온도를 천천히 낮추는 것입니다. 두 번째 방법이 더 자주 사용됩니다. 물, 알코올, 산, 용융염 및 금속이 용매로 사용됩니다. 용액으로부터 결정을 성장시키는 방법의 단점은 결정이 용매 입자로 오염될 가능성이 있다는 것입니다.

결정은 그것을 바로 둘러싸고 있는 과포화 용액 영역에서 성장합니다. 결과적으로, 결정 근처의 용액은 멀리 있는 것보다 덜 과포화되는 것으로 나타났습니다. 과포화 용액은 포화 용액보다 무겁기 때문에 성장하는 결정의 표면 위로 항상 "사용된" 용액이 위쪽으로 흐릅니다. 용액을 저어주지 않으면 결정 성장이 빠르게 중단됩니다. 따라서 용액을 추가로 교반하거나 결정을 회전 홀더에 고정하는 경우가 많습니다. 이를 통해 더욱 발전된 크리스탈을 성장시킬 수 있습니다.

성장 속도가 낮을수록 더 좋은 결정을 얻을 수 있습니다. 이 규칙은 모든 재배 방법에 적용됩니다. 설탕과 식염 결정은 집에서 수용액으로 쉽게 얻을 수 있습니다. 그러나 불행하게도 모든 결정이 그렇게 쉽게 성장할 수 있는 것은 아닙니다. 예를 들어, 용액으로부터 석영 결정의 생성은 400°C의 온도와 1000의 압력에서 발생합니다.

제5장. 결정의 성질

다양한 결정체를 보면 모양은 모두 다르지만 각각 대칭적인 몸체를 나타내고 있음을 알 수 있습니다. 실제로 대칭은 결정의 주요 특성 중 하나입니다. 동일하고 동일한 부분으로 구성된 몸체를 대칭이라고 부릅니다.

모든 결정은 대칭입니다. 이는 각 결정 다면체에서 대칭면, 대칭축, 대칭 중심 및 기타 대칭 요소를 찾을 수 있어 다면체의 동일한 부분이 서로 맞춰질 수 있음을 의미합니다. 대칭과 관련된 또 다른 개념인 극성을 소개하겠습니다.

각 결정 다면체에는 특정 대칭 요소 세트가 있습니다. 주어진 결정에 내재된 모든 대칭 요소의 전체 세트를 대칭 클래스라고 합니다. 그 수는 제한되어 있습니다. 결정에는 32가지 유형의 대칭이 있다는 것이 수학적으로 입증되었습니다.

결정의 대칭 유형을 더 자세히 고려해 보겠습니다. 우선, 결정은 1, 2, 3, 4 및 6차의 대칭축을 가질 수 있습니다. 분명히, 5차, 7차 및 그 이상의 차수의 대칭 축은 불가능합니다. 왜냐하면 그러한 구조에서는 원자 행과 네트워크가 공간을 연속적으로 채우지 않고 원자의 평형 위치 사이에 공극과 간격이 나타나기 때문입니다. 원자는 가장 안정적인 위치에 있지 않고 결정 구조가 붕괴됩니다.

결정질 다면체에서는 대칭 요소의 다양한 조합을 찾을 수 있습니다. 일부는 적고 다른 것들은 많습니다. 대칭에 따르면, 주로 대칭축을 따라 결정은 세 가지 범주로 나뉩니다.

가장 높은 범주에는 가장 대칭적인 결정이 포함되며, 2차, 3차, 4차의 여러 대칭 축이 있을 수 있고 6차 축은 없으며 평면과 대칭 중심이 있을 수 있습니다. 이러한 모양에는 정육면체, 팔면체, 사면체 등이 포함됩니다. 모두 공통된 특징을 가지고 있습니다. 모든 방향에서 거의 동일합니다.

중간 범주의 수정은 3, 4, 6차 축을 가질 수 있지만 한 번에 하나만 가질 수 있습니다. 2차 축이 여러 개 있을 수 있으며 대칭 평면과 대칭 중심이 가능합니다. 이 결정의 모양은 프리즘, 피라미드 등입니다. 일반적인 특징: 주 대칭축을 따라 뚜렷한 차이가 있습니다.

가장 높은 카테고리의 결정에는 다이아몬드, 석영, 게르마늄, 실리콘, 구리, 알루미늄, 금, 은, 회색 주석, 텅스텐, 철이 포함됩니다. 중간 카테고리: 흑연, 루비, 석영, 아연, 마그네슘, 백주석, 전기석, 녹주석. 가장 낮은 것 : 석고, 운모, 황산구리, 로셸 염 등. 물론 이 목록에는 기존의 모든 결정이 나열되지는 않았지만 가장 유명한 결정만 나열되어 있습니다.

카테고리는 다시 7개의 시스템으로 나뉩니다. 그리스어로 번역된 "syngony"는 "비슷한 각도"를 의미합니다. 동일한 대칭축을 갖고 따라서 구조에서 유사한 회전 각도를 갖는 결정이 결정 시스템으로 결합됩니다.

결정의 물리적 특성은 결정의 구조와 화학적 조성에 따라 가장 자주 달라집니다.

첫째, 결정의 두 가지 기본 특성을 언급할 가치가 있습니다. 그 중 하나가 이방성입니다. 방향에 따라 성질이 변하는 것을 의미하는 용어입니다. 동시에 결정은 균질한 몸체입니다. 결정질 물질의 균질성은 동일한 모양과 방향의 두 부분이 동일한 특성을 갖는다는 사실로 구성됩니다.

먼저 전기적 특성에 대해 이야기해 봅시다. 원칙적으로 결정의 전기적 특성은 금속의 예를 사용하여 고려할 수 있습니다. 왜냐하면 금속은 그 상태 중 하나에서 결정 집합체일 수 있기 때문입니다. 금속 내에서 자유롭게 움직이는 전자는 밖으로 나갈 수 없으므로 에너지가 필요합니다. 이 경우 복사 에너지가 소비되면 전자 추출 효과로 인해 소위 광전 효과가 발생합니다. 단결정에서도 유사한 효과가 관찰됩니다. 분자 궤도에서 떨어져 나와 결정 내부에 남아 있는 전자는 후자에 금속 전도성을 유발합니다(내부 광전 효과). 정상적인 조건(조사 없음)에서 이러한 연결은 전류 전도체가 아닙니다.

결정 내 광파의 거동은 E. Bertolin에 의해 연구되었으며, 그는 결정을 통과할 때 파동이 비표준적으로 거동한다는 것을 처음으로 발견했습니다. 어느 날 Bertalin은 아이슬란드 스파의 2면체 각도를 스케치한 다음 그림에 크리스탈을 올려 놓았고, 과학자는 처음으로 각 선이 두 갈래로 갈라지는 것을 보았습니다. 그는 모든 스파 결정이 빛을 분기한다고 여러 번 확신했고, 그 후에야 Bertalin은 "복굴절 아이슬란드 결정을 사용한 실험으로 인해 놀랍고 특별한 굴절이 발견되었습니다"(1669)라는 논문을 썼습니다. 과학자는 자신의 실험 결과를 여러 국가의 개별 과학자와 학계에 보냈습니다. 작품은 완전한 불신으로 받아 들여졌습니다. 영국 과학 아카데미(English Academy of Sciences)는 이 법칙을 테스트하기 위해 과학자 그룹(뉴턴, 보일, 후크 등)을 할당했습니다. 이 권위 있는 위원회는 이 현상이 우연이고 법이 존재하지 않는 것으로 인식했습니다. Bertalin의 실험 결과는 잊혀졌습니다.

불과 20년 후 크리스티안 호이겐스(Christiaan Huygens)는 베르탈린의 발견이 정확하다는 것을 확인했고 그 자신도 석영에서 복굴절을 발견했습니다. 이후에 이 특성을 연구한 많은 과학자들은 아이슬란드 스파링뿐만 아니라 다른 많은 결정들도 빛을 분기한다는 것을 확인했습니다.

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불연속 대칭 요소 추가. 두 개의 평행한 대칭면에서 일관된 반사입니다. 대칭면과 대칭면에 수직인 평행이동의 합입니다. 수직 축에 대한 변환 벡터의 동작 특성.

프레젠테이션, 2013년 9월 23일에 추가됨


고체의 결정질 및 비정질 상태, 점 및 선형 결함의 원인. 결정의 핵형성과 성장. 보석, 고용체 및 액정의 인공 생산. 콜레스테릭 액정의 광학적 특성.

초록, 2010년 4월 26일에 추가됨


불균일 반도체 샘플의 광전 특성. 고르지 않게 분포된 전자 트랩이 있는 경우의 저항 접촉의 에너지 구조. 가스 방전에서 처리된 결정의 광전 특성.

논문, 2008년 3월 18일에 추가됨


바이폴라 트랜지스터의 작동 원리인 실제 결정의 결함입니다. 격자간 및 치환 고용체에서 결정 격자의 왜곡. 반도체의 표면 현상. 트랜지스터 매개변수 및 이미터 전류 전달 계수.

테스트, 2009년 10월 22일에 추가됨


물 속의 수소 결합이 주요 기준입니다. 물의 변칙적인 성질. 전기분해와 전해질의 개념. 전기결정화와 그 법칙. 물의 전기결정화 중 수소결합 네트워크의 역학. 결정질 및 비정질 얼음.

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

누구나 쉽게 몸을 고체와 액체로 나눌 수 있습니다. 그러나 이 구분은 외부 표시에만 근거합니다. 고체가 어떤 특성을 가지고 있는지 알아보기 위해 고체를 가열해 보겠습니다. 일부 신체 (목재, 석탄)가 타기 시작합니다. 이들은 유기 물질입니다. 다른 것들은 낮은 온도에서도 연화(수지)됩니다. 이들은 무정형입니다. 특별한 고체 그룹은 가열 시간에 대한 온도의 의존성이 그림 12에 제시된 고체로 구성됩니다. 이들은 결정성 고체입니다. 가열 시 결정체의 이러한 거동은 내부 구조로 설명됩니다. 수정체- 원자와 분자가 특정 순서로 배열되어 있는 몸체이며, 이 순서는 상당히 먼 거리에 걸쳐 유지됩니다. 결정 내의 원자 또는 이온의 공간적주기 배열을이라고합니다. 결정 격자. 원자나 이온이 위치하는 결정 격자의 지점을 격자 노드라고 합니다.

결정체는 단결정이거나 다결정입니다. 단결정전체 부피에 걸쳐 단결정 격자를 가지고 있습니다.

이방성단결정은 방향에 대한 물리적 특성의 의존성에 있습니다. 다결정작고 방향이 다른 단결정(알갱이)의 조합으로 특성의 이방성이 없습니다. 대부분의 고체는 다결정 구조(광물, 합금, 세라믹)를 가지고 있습니다.

결정체의 주요 특성은 융점의 확실성, 탄성, 강도, 원자 배열 순서, 즉 결정 격자 유형에 대한 특성의 의존성입니다.

무정형이 물질의 전체 부피에 걸쳐 원자와 분자의 배열에 순서가 없는 물질입니다. 결정질 물질과 달리 비정질 물질은 등방성. 이는 속성이 모든 방향에서 동일하다는 것을 의미합니다. 무정형 상태에서 액체로의 전이는 점진적으로 발생하며 특정 융점은 없습니다. 비정질체는 탄력성이 없으며 플라스틱입니다. 유리, 수지, 플라스틱 등 다양한 물질이 비정질 상태입니다.

탄력- 외력이 중단되거나 신체 변형을 초래한 기타 이유로 인해 신체의 모양과 부피가 복원되는 특성입니다. 고체 입자의 변위 특성에 따라 모양이 변할 때 발생하는 변형은 인장-압축, 전단, 비틀림 및 굽힘으로 구분됩니다. 탄성 변형의 경우 탄성 변형이 이를 유발하는 외부 영향에 정비례한다는 Hooke의 법칙이 유효합니다. 인장-압축 변형의 경우 Hooke의 법칙은 다음과 같은 형식을 갖습니다. 여기서 는 기계적 응력, 는 상대 신장, 는 절대 신장, 는 영률(탄성 계수)입니다. 탄성은 물질을 구성하는 입자의 상호 작용과 열 이동으로 인해 발생합니다.

물리적 특성과 분자 구조에 따라 고체에는 결정질과 비정질이라는 두 가지 주요 종류가 있습니다.

정의 1

비정질 몸체는 등방성과 같은 특징을 가지고 있습니다. 이 개념은 광학적, 기계적 및 기타 물리적 특성과 외부 힘이 작용하는 방향에 상대적으로 독립적이라는 것을 의미합니다.

무형체의 주요 특징은 원자와 분자의 혼란스러운 배열로, 각각 몇 개의 입자를 넘지 않는 작은 로컬 그룹에만 모입니다.

이 특성은 비정질체를 액체에 더 가깝게 만듭니다. 이러한 고체에는 호박색 및 기타 경질 수지, 다양한 유형의 플라스틱 및 유리가 포함됩니다. 고온의 영향으로 무정형 물체가 부드러워지지만 이를 액체로 변환하려면 강한 열이 필요합니다.

모든 결정체는 명확한 내부 구조를 가지고 있습니다. 동일한 순서의 입자 그룹은 해당 몸체의 전체 부피에 걸쳐 주기적으로 반복됩니다. 이러한 구조를 시각화하기 위해 일반적으로 공간 결정 격자가 사용됩니다. 이는 특정 물질의 분자 또는 원자의 중심을 형성하는 특정 수의 노드로 구성됩니다. 일반적으로 이러한 격자는 원하는 분자의 일부인 이온으로 구성됩니다. 따라서 식염의 내부 구조는 나트륨과 염소 이온이 쌍으로 결합되어 분자로 구성됩니다. 이러한 결정체를 이온성이라고 합니다.

그림 3. 6. 1 . 식탁용 소금의 결정 격자.

정의 2

각 물질의 구조에서 하나의 최소 구성 요소를 구별할 수 있습니다. 단위 세포.

결정체를 구성하는 전체 격자는 이러한 셀이 특정 방향으로 병진(병렬 이동)되어 구성될 수 있습니다.

결정 격자의 종류는 무한하지 않습니다. 총 230종이 있는데, 대부분이 인공적으로 생성되거나 천연재료에서 발견된 것이다. 구조 격자는 몸체 중심 입방체(예: 철의 경우), 면 중심 입방체(금, 구리의 경우) 또는 6면이 있는 프리즘(마그네슘, 아연)의 형태를 취할 수 있습니다.

차례로 결정체는 다결정과 단결정으로 나뉩니다. 대부분의 물질은 다결정에 속합니다. 그들은 소위 결정으로 구성됩니다. 이들은 서로 융합되어 무작위로 방향이 지정된 작은 결정입니다. 단결정 물질은 인공 물질 중에서도 상대적으로 드물다.

정의 3

다결정은 등방성(isotropy)의 성질, 즉 모든 방향에서 동일한 성질을 갖는다.

몸체의 다결정 구조는 현미경으로 명확하게 볼 수 있으며, 주철과 같은 일부 재료의 경우 육안으로도 볼 수 있습니다.

정의 4

다형성– 물질이 여러 단계로 존재하는 능력입니다. 물리적 특성이 서로 다른 결정 변형.

다른 수정으로 전환하는 프로세스를 호출합니다. 다형성 전이.

그러한 현상의 예는 산업 조건에서 고압(최대 100,000기압) 및 고온에서 발생하는 흑연이 다이아몬드로 변환되는 것입니다.
(최대 2000K).

단결정 또는 다결정 샘플의 격자 구조를 연구하기 위해 X선 회절이 사용됩니다.

간단한 결정 격자가 아래 그림에 나와 있습니다. 입자 사이의 거리가 너무 작아서 입자 자체의 크기와 비슷하다는 점을 고려해야 합니다. 명확성을 위해 다이어그램에는 중심 위치만 표시됩니다.

그림 3. 6. 2. 단순 결정 격자: 1 - 단순 입방 격자; 2 - 면심 입방 격자; 3 – 체심 입방 격자; 4 – 육각형 격자.

가장 간단한 것은 입방 격자입니다. 이러한 구조는 정점에 입자가 있는 입방체로 구성됩니다. 면 중심 격자에는 꼭지점뿐만 아니라 면에도 입자가 있습니다. 예를 들어, 식용 소금의 결정 격자는 서로 중첩된 두 개의 면 중심 격자로 구성됩니다. 체심 격자는 각 입방체의 중심에 추가 입자를 갖습니다.

금속 격자에는 한 가지 중요한 특징이 있습니다. 물질의 이온은 자유 전자 가스와의 상호 작용에 의해 제자리에 유지됩니다. 소위 전자 가스는 원자에 의해 포기된 하나 이상의 전자에 의해 형성됩니다. 이러한 자유 전자는 결정의 전체 부피를 통해 이동할 수 있습니다.

그림 3. 6. 삼. 금속 결정의 구조.

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액체와 비슷하지만 형태도 있습니다. 그들은 주로 결정질 상태에 있습니다.
크리스탈- 원자나 분자가 공간에서 특정하고 질서 있는 위치를 차지하는 고체입니다. 따라서 결정의 가장자리는 편평합니다. 예를 들어, 일반 식탁용 소금 알갱이는 서로 직각을 이루는 편평한 모서리를 가지고 있습니다( 그림 12.1).

이는 돋보기로 소금을 관찰하면 알 수 있습니다. 그리고 눈송이의 모양이 얼마나 기하학적으로 정확합니까! 이는 또한 결정질 고체-얼음의 내부 구조의 기하학적 정확성을 반영합니다( 그림 12.2).

결정의 이방성. 그러나 정확한 외부 형태는 결정의 질서 있는 구조의 유일하거나 가장 중요한 결과는 아닙니다. 가장 중요한 것은 결정에서 선택된 방향에 대한 결정의 물리적 특성의 의존성.
우선, 서로 다른 방향에서 결정의 서로 다른 기계적 강도가 놀랍습니다. 예를 들어, 운모 조각은 한 방향으로 쉽게 박리되어 얇은 판( 그림 12.3), 그러나 판에 수직인 방향으로 부수는 것이 훨씬 더 어렵습니다.

흑연 결정은 또한 한 방향으로 쉽게 박리됩니다. 연필로 글씨를 쓰면 이러한 박리가 지속적으로 발생하고 얇은 흑연층이 종이에 남게 됩니다. 이는 흑연 결정 격자가 층상 구조를 갖기 때문에 발생합니다. 층은 탄소 원자( 그림 12.4). 원자는 정육각형의 꼭지점에 위치합니다. 층 사이의 거리는 육각형 측면 길이의 약 2배로 상대적으로 넓기 때문에 층 사이의 결합은 층 내부의 결합보다 덜 강합니다.

많은 결정체는 열과 전기를 서로 다른 방향으로 다르게 전도합니다. 결정의 광학적 특성은 방향에 따라 달라집니다. 따라서 수정은 입사되는 광선의 방향에 따라 빛을 다르게 굴절시킵니다.
결정 내부 방향에 대한 물리적 특성의 의존성을 호출합니다. 이방성. 모든 결정체는 이방성입니다.
단결정과 다결정.금속은 결정 구조를 가지고 있습니다. 오늘날 도구, 다양한 기계 및 메커니즘 제조에 주로 사용되는 금속입니다.
상대적으로 큰 금속 조각을 사용하면 언뜻 보면 결정 구조가 이 조각의 모양이나 물리적 특성에 전혀 나타나지 않습니다. 정상 상태의 금속은 이방성을 나타내지 않습니다.
여기서 중요한 점은 금속은 일반적으로 서로 융합된 수많은 작은 결정으로 구성된다는 것입니다. 현미경이나 돋보기를 사용해도 쉽게 볼 수 있으며, 특히 새로운 금속 골절의 경우 더욱 그렇습니다( 그림 12.5). 각 결정의 특성은 방향에 따라 다르지만 결정은 서로에 대해 무작위로 방향이 지정됩니다. 결과적으로 개별 결정의 부피보다 훨씬 큰 부피에서는 금속 내부의 모든 방향이 동일하며 금속의 특성은 모든 방향에서 동일합니다.

다수의 작은 결정으로 이루어진 고체를 고체라고 한다. 다결정. 단결정이라고 불린다. 단결정.
세심한 주의를 기울임으로써 커다란 금속 결정, 즉 단결정을 성장시키는 것이 가능합니다.
정상적인 조건에서는 시작된 많은 결정의 성장이 서로 접촉하여 단일체를 형성할 때까지 계속된다는 사실의 결과로 다결정체가 형성됩니다.
다결정에는 금속만 포함되는 것이 아닙니다. 예를 들어 설탕 조각도 다결정 구조를 가지고 있습니다.
대부분의 결정성 고체는 내부성장된 많은 결정으로 구성되어 있으므로 다결정입니다. 단결정 - 단결정은 규칙적인 기하학적 모양을 가지며 방향에 따라 특성이 다릅니다(이방성).

???
1. 모든 결정체는 이방성인가?
2. 목재는 이방성입니다. 결정체인가요?
3. 본문에 언급되지 않은 단결정 및 다결정 고체의 예를 들어보십시오.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, 물리학 10학년

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