Un cristal este diferit de un solid amorf. Corpuri cristaline și amorfe: structură și proprietăți. Numărul de coordonare c.n.

Solidele sunt corpuri cristaline și amorfe. Cristalul este așa cum se numea gheața în antichitate. Și apoi au început să numească cuarțul un cristal și au considerat aceste minerale ca fiind gheață pietrificată. Cristalele sunt naturale și sunt folosite în industria de bijuterii, optică, inginerie radio și electronică, ca suport pentru elemente în instrumente de ultraprecizie, ca material abraziv ultra dur.

Corpurile cristaline se caracterizează prin duritate și au o poziție strict regulată în spațiu a moleculelor, ionilor sau atomilor, rezultând formarea unei rețele (structurii) cristaline periodice tridimensionale. În exterior, acest lucru este exprimat printr-o anumită simetrie a formei unui corp solid și anumite proprietăți fizice ale acestuia. În forma lor externă, corpurile cristaline reflectă simetria inerentă „împachetarii” interne a particulelor. Aceasta determină egalitatea unghiurilor dintre fețele tuturor cristalelor formate din aceeași substanță.

În ele, distanțele de la centru la centru dintre atomii vecini vor fi, de asemenea, egale (dacă sunt situate pe aceeași linie dreaptă, atunci această distanță va fi aceeași pe toată lungimea liniei). Dar pentru atomii care se află pe o linie dreaptă cu o direcție diferită, distanța dintre centrele atomilor va fi diferită. Această împrejurare explică anizotropia. Anizotropia este principala diferență dintre corpurile cristaline și cele amorfe.

Peste 90% din solide pot fi clasificate ca cristale. În natură, ele există sub formă de monocristale și policristale. Monocristalele sunt monocristale, ale căror fețe sunt reprezentate prin poligoane regulate; Ele se caracterizează prin prezența unei rețele cristaline continue și anizotropia proprietăților fizice.

Policristalele sunt corpuri formate din multe cristale mici, „crescute împreună” oarecum haotic. Policristalele sunt metale, zahăr, pietre, nisip. În astfel de corpuri (de exemplu, un fragment de metal), anizotropia nu apare de obicei din cauza aranjamentului aleatoriu a elementelor, deși anizotropia este caracteristică unui cristal individual al acestui corp.

Alte proprietăți ale corpurilor cristaline: temperatură strict definită (prezența punctelor critice), rezistență, elasticitate, conductivitate electrică, conductivitate magnetică, conductivitate termică.

Amorf - fără formă. Acesta este modul în care acest cuvânt este tradus literal din greacă. Corpurile amorfe sunt create de natură. De exemplu, chihlimbar, ceară.Oamenii sunt implicați în crearea corpurilor amorfe artificiale - sticlă și rășini (artificiale), parafină, materiale plastice (polimeri), colofoniu, naftalina, var. nu au din cauza aranjamentului haotic al moleculelor (atomi, ioni) în structura corpului. Prin urmare, pentru orice corp amorf ele sunt izotrope - la fel în toate direcțiile. Pentru corpurile amorfe nu există un punct critic de topire; ele se înmoaie treptat când sunt încălzite și se transformă în lichide vâscoase. Corpurilor amorfe li se atribuie o poziție intermediară (de tranziție) între lichide și corpurile cristaline: la temperaturi scăzute se întăresc și devin elastice, în plus, se pot diviza în bucăți informe la impact. La temperaturi ridicate, aceleași elemente prezintă plasticitate, devenind lichide vâscoase.

Acum știi ce sunt corpurile cristaline!

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Postat pe http://www.allbest.ru/

Introducere

Capitolul 1. Corpuri cristaline şi amorfe

1.1 Cristale ideale

1.2 Monocristale și agregate cristaline

1.3 Policristale

Capitolul 2. Elemente de simetrie a cristalelor

Capitolul 3. Tipuri de defecte la solide

3.1 Defecte punctuale

3.2 Defecte liniare

3.3 Defecte de suprafață

3.4 Defecte volumetrice

Capitolul 4. Obținerea cristalelor

Capitolul 5. Proprietățile cristalelor

Concluzie

Bibliografie

Introducere

Cristalele sunt una dintre cele mai frumoase și mai misterioase creații ale naturii. În prezent, știința cristalografiei studiază diversitatea cristalelor. Ea dezvăluie semne de unitate în această diversitate, studiază proprietățile și structura atât a cristalelor simple, cât și a agregatelor cristaline. Cristalografia este o știință care studiază cuprinzător materia cristalină. Această lucrare este, de asemenea, dedicată cristalelor și proprietăților lor.

În prezent, cristalele sunt utilizate pe scară largă în știință și tehnologie, deoarece au proprietăți speciale. Asemenea domenii de utilizare a cristalelor precum semiconductori, supraconductori, electronica cuantică și multe altele necesită o înțelegere profundă a dependenței proprietăților fizice ale cristalelor de compoziția și structura lor chimică.

În prezent, sunt cunoscute metode pentru creșterea artificială a cristalelor. Un cristal poate fi cultivat într-un pahar obișnuit; acest lucru necesită doar o anumită soluție și grija cu care este necesar să aveți grijă de cristalul în creștere.

Există o mare varietate de cristale în natură și există, de asemenea, multe forme diferite de cristale. În realitate, este aproape imposibil să oferim o definiție care să se aplice tuturor cristalelor. Aici, rezultatele analizei cu raze X a cristalelor pot fi folosite pentru a ajuta. Razele X fac posibilă simțirea atomilor în interiorul unui corp cristalin și determinarea locației lor spațiale. Ca rezultat, s-a constatat că absolut toate cristalele sunt construite din particule elementare situate în ordine strictă în interiorul corpului cristalin.

În toate structurile cristaline, fără excepție, mulți atomi identici pot fi distinși de atomi, localizați ca nodurile unei rețele spațiale. Pentru a ne imagina o astfel de zăbrele, să umplem mental spațiul cu multe paralelipipede egale, orientate paralel și care se ating de-a lungul fețelor întregi. Cel mai simplu exemplu al unei astfel de clădiri este o zidărie din cărămizi identice. Dacă selectăm punctele corespunzătoare din interiorul cărămizilor, de exemplu, centrele sau vârfurile acestora, atunci vom obține un model al unei rețele spațiale. Toate corpurile cristaline, fără excepție, sunt caracterizate de o structură reticulat.

Cristalele se numesc " toate solidele în care particulele constitutive (atomi, ioni, molecule) sunt aranjate strict regulat ca nodurile rețelelor spațiale". Această definiție este cât se poate de aproape de adevăr; este potrivită pentru orice corpuri cristaline omogene: bile (o formă de cristal care nu are fețe, margini sau vârfuri proeminente), granule și figuri cu fața plană.

Capitolul 1.Corpuri cristaline și amorfe

Pe baza proprietăților lor fizice și a structurii moleculare, solidele sunt împărțite în două clase - solide amorfe și cristaline.

O trăsătură caracteristică a corpurilor amorfe este izotropia lor, adică. independența tuturor proprietăților fizice (mecanice, optice etc.) față de direcție. Moleculele și atomii din solidele izotrope sunt aranjați aleatoriu, formând doar mici grupuri locale care conțin mai multe particule (ordine pe distanță scurtă). În structura lor, corpurile amorfe sunt foarte apropiate de lichide.

Exemple de corpuri amorfe includ sticla, diverse rășini întărite (chihlimbar), materiale plastice etc. Dacă un corp amorf este încălzit, acesta se înmoaie treptat, iar tranziția la o stare lichidă are un interval semnificativ de temperatură.

În corpurile cristaline, particulele sunt aranjate într-o ordine strictă, formând structuri spațiale care se repetă periodic pe întregul volum al corpului. Pentru a reprezenta vizual astfel de structuri, spațiale rețele cristaline, la nodurile cărora se află centrele atomilor sau moleculelor unei substanțe date.

În fiecare rețea spațială, se poate distinge un element structural de dimensiune minimă, care se numește celulă unitară.

Orez. 1. Tipuri de rețele cristaline: 1 - rețea cubică simplă; 2 - rețea cubică centrată pe față; 3 - rețea cubică centrată pe corp; 4 - rețea hexagonală

Într-o rețea cubică simplă, particulele sunt situate la vârfurile cubului. Într-o rețea centrată pe față, particulele sunt situate nu numai la vârfurile cubului, ci și la centrele fiecăreia dintre fețele sale. Într-o rețea cubică centrată pe corp, o particulă suplimentară este situată în centrul fiecărei celule cubice.

Trebuie amintit că particulele din cristale sunt strâns împachetate, astfel încât distanța dintre centrele lor este aproximativ egală cu dimensiunea particulelor. În imaginea rețelelor cristaline este indicată doar poziția centrelor particulelor.

1. 1 Cristale perfecte

Forma geometrică corectă a cristalelor a atras atenția cercetătorilor chiar și în primele etape ale dezvoltării cristalografiei și a dat naștere la crearea anumitor ipoteze despre structura lor internă.

Dacă luăm în considerare un cristal ideal, nu vom găsi nicio încălcare în el; toate particulele identice sunt situate în rânduri paralele identice. Dacă aplicăm trei translații elementare care nu se află în același plan într-un punct arbitrar și le repetăm ​​la nesfârșit în spațiu, obținem o rețea spațială, i.e. sistem tridimensional de noduri echivalente. Astfel, într-un cristal ideal, aranjamentul particulelor de material este caracterizat de o periodicitate tridimensională strictă. Și pentru a vă face o idee clară a modelelor asociate cu structura internă corectă geometric a cristalelor, în clasele de laborator de cristalografie folosesc de obicei modele de cristale formate ideal sub formă de poliedre convexe cu fețe plate și margini drepte. De fapt, fețele cristalelor reale nu sunt perfect plane, deoarece pe măsură ce cresc devin acoperite cu tuberculi, rugozități, șanțuri, gropi de creștere, vicinale (fețe care se abat total sau parțial de la poziția lor ideală), spirale de creștere sau dizolvare, etc.

Cristal perfect- acesta este un model fizic, care este un monocristal infinit care nu conține impurități sau defecte structurale. Diferența dintre cristalele reale și cele ideale se datorează caracterului finit al dimensiunilor lor și prezenței defectelor. Prezența unor defecte (de exemplu, impurități, limite intercristaline) în cristale reale poate fi aproape complet evitată folosind metode speciale de creștere, recoacere sau purificare. Cu toate acestea, la o temperatură T>0K, cristalele au întotdeauna o concentrație finită de locuri libere (activate termic) și atomi interstițiali, al căror număr în echilibru scade exponențial odată cu scăderea temperaturii.

Substanțele cristaline pot exista sub formă de monocristale sau probe policristaline.

Un singur cristal este un solid în care o structură regulată acoperă întregul volum al substanței. Cristalele simple se găsesc în natură (cuarț, diamant, smarald) sau sunt produse artificial (rubin).

Probele policristaline constau dintr-un număr mare de cristale mici, orientate aleator, de dimensiuni diferite, care pot fi interconectate prin anumite forțe de interacțiune.

1. 2 Monocristalaliaje și agregate cristaline

Monocristal- un cristal omogen separat care are o rețea cristalină continuă și uneori are anizotropie a proprietăților fizice. Forma exterioară a unui singur cristal este determinată de rețeaua sa cristalină atomică și de condițiile (în principal viteza și uniformitatea) de cristalizare. Un singur cristal crescut lent capătă aproape întotdeauna o tăietură naturală bine definită; în condiții de neechilibru (rata medie de creștere) de cristalizare, tăietura apare slab. Cu o viteză și mai mare de cristalizare, în loc de un singur cristal, se formează policristale omogene și agregate policristaline, constând din multe cristale simple mici orientate diferit. Exemple de cristale simple naturale fațetate includ cristale simple de cuarț, sare gemă, spate de Islandă, diamant și topaz. Monocristalele din materiale semiconductoare și dielectrice crescute în condiții speciale sunt de mare importanță industrială. În special, monocristalele de siliciu și aliajele artificiale ale elementelor din grupa III (a treia) cu elemente din grupa V (a cincea) din tabelul periodic (de exemplu, arseniura de galiu GaAs) sunt baza electronicii moderne cu stare solidă. Monocristalele de metale și aliajele lor nu au proprietăți speciale și practic nu sunt utilizate. Monocristalele de substanțe ultrapure au aceleași proprietăți, indiferent de metoda de preparare a acestora. Cristalizarea are loc în apropierea punctului de topire (condensare) din stări gazoase (de exemplu, îngheț și fulgi de zăpadă), lichide (cel mai adesea) și solide amorfe cu degajare de căldură. Cristalizarea din gaz sau lichid are un mecanism de purificare puternic: compoziția chimică a monocristalelor crescute lent este aproape ideală. Aproape toți contaminanții rămân (se acumulează) în lichid sau gaz. Acest lucru se întâmplă deoarece, pe măsură ce rețeaua cristalină crește, are loc o selecție spontană a atomilor necesari (molecule pentru cristale moleculare) nu numai în funcție de proprietățile lor chimice (valență), ci și în funcție de dimensiune.

Tehnologia modernă nu mai duce lipsă de setul limitat de proprietăți ale cristalelor naturale (în special pentru crearea laserelor semiconductoare), iar oamenii de știință au venit cu o metodă pentru a crea substanțe asemănătoare cristalelor cu proprietăți intermediare prin creșterea alternantă a straturilor ultra-subțiri de cristale cu cristale similare. parametrii rețelei.

Spre deosebire de alte stări de agregare, starea cristalină este diversă. Moleculele din aceeași compoziție pot fi ambalate în cristale în moduri diferite. Proprietățile fizice și chimice ale substanței depind de metoda de ambalare. Astfel, substanțele cu aceeași compoziție chimică au adesea proprietăți fizice diferite. O astfel de diversitate nu este tipică pentru o stare lichidă, dar imposibilă pentru o stare gazoasă.

Dacă luăm, de exemplu, sare obișnuită de masă, este ușor să vedem cristale individuale chiar și fără microscop.

Dacă vrem să subliniem că avem de-a face cu un singur cristal separat, atunci îl numim un singur cristal, pentru a sublinia că vorbim de o acumulare de multe cristale se folosește termenul agregat cristalin. Dacă cristalele individuale dintr-un agregat cristalin aproape nu sunt fațetate, acest lucru se poate explica prin faptul că cristalizarea a început simultan în multe puncte ale substanței și viteza sa a fost destul de mare. Cristalele în creștere sunt un obstacol unul pentru celălalt și împiedică tăierea corectă a fiecăruia dintre ele.

În această lucrare vom vorbi în principal despre monocristale și, deoarece sunt componente ale agregatelor cristaline, proprietățile lor vor fi similare cu proprietățile agregatelor.

1. 3 Policristale

Policristal- un agregat de cristale mici de orice substanță, numite uneori cristalite sau granule de cristal din cauza formei lor neregulate. Multe materiale de origine naturală și artificială (minerale, metale, aliaje, ceramică etc.) sunt policristaline.

Proprietăți și obținere. Proprietățile policristalelor sunt determinate de proprietățile granulelor cristaline care îl compun, de dimensiunea medie a acestora, care variază de la 1-2 microni până la câțiva milimetri (în unele cazuri până la câțiva metri), de orientarea cristalografică a boabelor și de structura limitelor de cereale. Dacă boabele sunt orientate aleatoriu și dimensiunile lor sunt mici în comparație cu dimensiunea policristului, atunci anizotropia proprietăților fizice caracteristice cristalelor simple nu apare în policrist. Dacă un policristal are o orientare cristalografică predominantă a granulelor, atunci policristalul este texturat și, în acest caz, are anizotropie a proprietăților. Prezența granițelor afectează în mod semnificativ proprietățile fizice, în special mecanice, ale policristalelor, deoarece împrăștierea electronilor de conducție, fononilor, frânarea dislocațiilor etc. are loc la granițe.

Policristalele se formează în timpul cristalizării, transformărilor polimorfe și ca urmare a sinterizării pulberilor cristaline. Un policristal este mai puțin stabil decât un singur cristal; prin urmare, în timpul recoacerii prelungite a unui policristal, are loc recristalizarea (creșterea predominantă a boabelor individuale în detrimentul altora), ducând la formarea de blocuri cristaline mari.

capitolul 2. Elemente de simetrie cristalină

Conceptele de simetrie și asimetrie au apărut în știință încă din cele mai vechi timpuri ca un criteriu estetic mai degrabă decât definiții strict științifice. Înainte de apariția ideii de simetrie, matematica, fizica și știința naturii în general semănau cu insule separate de idei, teorii și legi care erau izolate fără speranță unele de altele și chiar contradictorii. Simetria caracterizează și marchează epoca sintezei, când fragmente disparate de cunoștințe științifice se contopesc într-o singură imagine holistică a lumii. Una dintre principalele tendințe în acest proces este matematizarea cunoștințelor științifice.

Simetria este de obicei considerată nu doar ca o imagine fundamentală a cunoștințelor științifice, stabilind conexiuni interne între sisteme, teorii, legi și concepte, dar o atribuie și unor atribute la fel de fundamentale precum spațiul și timpul, mișcarea. În acest sens, simetria determină structura lumii materiale și a tuturor componentelor ei. Simetria are un caracter cu mai multe fațete și mai multe niveluri. De exemplu, în sistemul cunoștințelor fizice, simetria este considerată la nivelul fenomenelor, legi care descriu aceste fenomene și principiile care stau la baza acestor legi, iar în matematică - atunci când descriu obiecte geometrice. Simetria poate fi clasificată astfel:

· structural;

· geometric;

· dinamic, descriere, respectiv, cristalografic,

aspectele matematice și fizice ale acestui concept.

Cele mai simple simetrii pot fi reprezentate geometric în spațiul nostru tridimensional obișnuit și, prin urmare, sunt vizuale. Astfel de simetrii sunt asociate cu operații geometrice care aduc corpul în cauză în coincidență cu el însuși. Ei spun că simetria se manifestă în imuabilitatea (invarianța) unui corp sau sistem în raport cu o anumită operație. De exemplu, o sferă (fără semne pe suprafața sa) este invariantă în orice rotație. Aceasta arată simetria sa. O sferă cu un semn, de exemplu, sub forma unui punct, coincide cu ea însăși numai atunci când este rotită, după care marca de pe ea revine la poziția inițială. Spațiul nostru tridimensional este izotrop. Aceasta înseamnă că, ca o sferă fără semne, coincide cu ea însăși la orice rotație. Spațiul este indisolubil legat de materie. Prin urmare, Universul nostru este și izotrop. Spatiul este si el omogen. Aceasta înseamnă că acesta (și Universul nostru) are simetrie în raport cu operația de schimbare. Timpul are aceeași simetrie.

Pe lângă simetriile simple (geometrice), în fizică sunt întâlnite pe scară largă așa-numitele simetrii dinamice foarte complexe, adică simetrii asociate nu cu spațiul și timpul, ci cu un anumit tip de interacțiune. Nu sunt vizuale și chiar și cele mai simple dintre ele, de exemplu, așa-numitele simetrii de gabarit, este dificil de explicat fără a folosi o teorie fizică destul de complexă. Unele legi de conservare corespund, de asemenea, simetriilor gauge în fizică. De exemplu, simetria gauge a potențialelor electromagnetice duce la legea conservării sarcinii electrice.

În cursul practicii sociale, omenirea a acumulat multe fapte care indică atât ordine strictă, echilibru între părți ale întregului, cât și încălcări ale acestei ordini. În acest sens, se pot distinge următoarele cinci categorii de simetrie:

· simetrie;

· asimetrie;

· disimetrie;

· antisimetrie;

· supersimetrie.

Asimetrie . Asimetria este asimetrie, adică. o stare în care nu există simetrie. Dar Kant a mai spus că negația nu este niciodată o simplă excepție sau absența conținutului pozitiv corespunzător. De exemplu, mișcarea este o negație a stării sale anterioare, o schimbare a unui obiect. Mișcarea neagă odihna, dar odihna nu este absența mișcării, deoarece există foarte puține informații și această informație este eronată. Nu există lipsă de odihnă, la fel cum nu există mișcare, deoarece acestea sunt două părți ale aceleiași esențe. Odihna este un alt aspect al mișcării.

De asemenea, nu există o absență completă a simetriei. O figură care nu are un element de simetrie se numește asimetrică. Dar, strict vorbind, nu este așa. În cazul figurilor asimetrice, dezordinea de simetrie este pur și simplu adusă la capăt, dar nu la absența completă a simetriei, deoarece aceste figuri sunt încă caracterizate de un număr infinit de axe de ordinul întâi, care sunt și ele elemente de simetrie.

Asimetria este asociată cu absența tuturor elementelor de simetrie dintr-un obiect. Un astfel de element este indivizibil în părți. Un exemplu este mâna omului. Asimetria este o categorie opusă simetriei, care reflectă dezechilibrele existente în lumea obiectivă asociate cu schimbarea, dezvoltarea și restructurarea unor părți ale întregului. Așa cum vorbim despre mișcare, adică unitatea mișcării și odihnei, tot așa simetria și asimetria sunt două opuse polare ale lumii obiective. În natura reală nu există simetrie și asimetrie pură. Ei sunt mereu în unitate și în luptă continuă.

La diferite niveluri de dezvoltare a materiei, există fie simetrie (ordine relativă), fie asimetrie (o tendință de a perturba pacea, mișcarea, dezvoltarea), dar aceste două tendințe sunt întotdeauna unite și lupta lor este absolută. Reale, chiar și cele mai perfecte cristale sunt departe de cristalele de formă ideală și simetrie ideală considerate în cristalografie în structura lor. Ele conțin abateri semnificative de la simetria ideală. Au și elemente de asimetrie: dislocații, vacante, care le afectează proprietățile fizice.

Definițiile simetriei și asimetriei indică natura universală, generală a simetriei și asimetriei ca proprietăți ale lumii materiale. Analiza conceptului de simetrie în fizică și matematică (cu rare excepții) tinde să absolutizeze simetria și să interpreteze asimetria ca absența simetriei și a ordinii. Antipodul simetriei apare ca un concept pur negativ, dar demn de atenție. Un interes semnificativ pentru asimetrie a apărut la mijlocul secolului al XIX-lea în legătură cu experimentele lui L. Pasteur în studiul și separarea stereoizomerilor.

Disimetrie . Disimetria este simetrie internă, sau deranjată, adică. obiectului îi lipsesc unele elemente de simetrie. De exemplu, râurile care curg de-a lungul meridianelor pământului au un mal mai înalt decât celălalt (în emisfera nordică, malul drept este mai înalt decât cel stâng, iar în emisfera sudică, invers). Potrivit lui Pasteur, o figură disimetrică este una care nu poate fi combinată cu imaginea în oglindă prin simpla suprapunere. Cantitatea de simetrie a unui obiect disimetric poate fi arbitrar mare. Disimetria în sensul cel mai larg al înțelegerii sale ar putea fi definită ca orice formă de aproximare de la un obiect infinit simetric la unul infinit asimetric.

Antisimetrie . Antisimetria se numește simetrie opusă sau simetria contrariilor. Este asociat cu o schimbare a semnului figurii: particule - antiparticule, convexitate - concavitate, negru - alb, tensiune - compresie, înainte - înapoi etc. Acest concept poate fi explicat prin exemplul a două perechi de mănuși alb-negru. Dacă dintr-o bucată de piele sunt cusute două perechi de mănuși alb-negru, ale căror două fețe sunt vopsite în alb și, respectiv, negru, atunci ele pot fi distinse în funcție de dreapta - stânga, de culoare - întuneric și alb, în cu alte cuvinte, pe baza informatismului de semne și a unui alt semn. Operația de antisimetrie constă în operații de simetrie obișnuite, însoțite de o modificare a celui de-al doilea atribut al figurii.

Supersimetrie În ultimele decenii ale secolului al XX-lea, a început să se dezvolte un model de supersimetrie, care a fost propus de teoreticienii ruși Gelfand și Lichtman. Mai simplu spus, ideea lor a fost că, așa cum există dimensiuni obișnuite ale spațiului și timpului, trebuie să existe dimensiuni suplimentare care pot fi măsurate în așa-numitele numere Grassmann. După cum spunea S. Hawking, nici măcar scriitorii de science fiction nu s-au gândit la nimic atât de ciudat ca dimensiunile Grassmann. În aritmetica noastră obișnuită, dacă numărul 4 înmulțit cu 6 este același cu 6 înmulțit cu 4. Dar lucrul ciudat despre numerele Grassmann este că dacă X este înmulțit cu Y, atunci este egal cu minus Y înmulțit cu X. Simți că Cât de departe este aceasta de ideile noastre clasice despre natură și metodele de a o descrie?

Simetria poate fi considerată și prin forme de mișcare sau așa-numitele operații de simetrie. Se pot distinge următoarele operații de simetrie:

· reflexia intr-un plan de simetrie (reflexia in oglinda);

rotație în jurul axei de simetrie ( simetria rotationala);

· reflexia la centrul de simetrie (inversiunea);

transfer ( difuzat) figuri la distanta;

· rotiri de șuruburi;

· simetria permutării.

Reflecția în planul de simetrie . Reflecția este cel mai faimos și cel mai des întâlnit tip de simetrie în natură. Oglinda reproduce exact ceea ce „vede”, dar ordinea luată în considerare este inversată: mâna dreaptă a dublului tău va fi de fapt mâna lui stângă, deoarece degetele sunt aranjate în ordine inversă. Toată lumea este probabil familiarizată cu filmul „Regatul oglinzilor strâmbe” din copilărie, unde numele tuturor personajelor erau citite în ordine inversă. Simetria oglinzii poate fi găsită peste tot: în frunzele și florile plantelor, arhitectură, ornamente. Corpul uman, dacă vorbim doar despre aspectul său, are simetrie în oglindă, deși nu tocmai strictă. Mai mult, simetria oglinzii este inerentă în corpurile aproape tuturor ființelor vii și o astfel de coincidență nu este deloc întâmplătoare. Importanța conceptului de simetrie a oglinzii poate fi cu greu supraestimată.

Orice lucru care poate fi împărțit în două jumătăți asemănătoare oglinzii are simetrie în oglindă. Fiecare dintre jumătăți servește ca o imagine în oglindă a celeilalte, iar planul care le separă se numește planul reflexiei oglinzii sau pur și simplu planul oglinzii. Acest plan poate fi numit element de simetrie, iar operația corespunzătoare poate fi numită operație de simetrie . Întâlnim în fiecare zi modele simetrice tridimensionale: acestea sunt multe clădiri rezidențiale moderne și, uneori, blocuri întregi, cutii și cutii îngrămădite în depozite; atomii unei substanțe în stare cristalină formează o rețea cristalină - un element tridimensional. simetrie. În toate aceste cazuri, locația corectă permite utilizarea economică a spațiului și asigură stabilitatea.

Un exemplu remarcabil de simetrie a oglinzii în literatură este expresia „schimbătoare”: „Și trandafirul a căzut pe laba lui Azor”. . În această linie, centrul simetriei oglinzii este litera „n”, față de care toate celelalte litere (fără a ține cont de spațiile dintre cuvinte) sunt situate în ordine opusă reciproc.

Simetria rotațională . Aspectul modelului nu se va schimba dacă este rotit la un anumit unghi în jurul axei sale. Simetria care apare în acest caz se numește simetrie rotațională . Un exemplu este jocul pentru copii „pinwheel” cu simetrie de rotație. În multe dansuri, figurile se bazează pe mișcări de rotație, adesea executate doar într-o singură direcție (adică fără reflectare), de exemplu, dansuri rotunde.

Frunzele și florile multor plante prezintă simetrie radială. Aceasta este o simetrie în care o frunză sau o floare, întorcându-se în jurul axei de simetrie, se transformă în sine. În secțiunile transversale ale țesuturilor care formează rădăcina sau tulpina unei plante, simetria radială este clar vizibilă. Inflorescențele multor flori au, de asemenea, simetrie radială.

Reflecția în centrul de simetrie . Un exemplu de obiect cu cea mai mare simetrie, care caracterizează această operație de simetrie, este o minge. Formele sferice sunt destul de răspândite în natură. Sunt frecvente în atmosferă (picături de ceață, nori), hidrosferă (diverse microorganisme), litosferă și spațiu. Sporii și polenul plantelor, picăturile de apă eliberate în stare de imponderabilitate pe o navă spațială au o formă sferică. La nivel metagalactic, cele mai mari structuri sferice sunt galaxiile sferice. Cu cât un grup de galaxii este mai dens, cu atât este mai aproape de o formă sferică. Grupurile de stele sunt de asemenea sferice.

Translația sau transferul unei figuri la distanță . Translația sau transferul paralel al unei figuri pe o distanță este orice tipar care se repetă nelimitat. Poate fi unidimensional, bidimensional, tridimensional. Translația în aceleași direcții sau în direcții opuse formează un model unidimensional. Translația în două direcții neparalele formează un model bidimensional. Pardoseli, modele de tapet, panglici de dantelă, poteci pavate cu cărămizi sau plăci, figurile cristaline formează modele care nu au limite naturale. La studierea tiparelor folosite în tipărirea cărților s-au descoperit aceleași elemente de simetrie ca și în proiectarea pardoselilor cu gresie. Bordurile ornamentale sunt asociate cu muzica. În muzică, elementele de construcție simetrică includ operațiile de repetiție (traducere) și inversare (reflecție). Aceste elemente de simetrie se găsesc în granițe. Deși majoritatea muzicii nu este strict simetrică, multe piese muzicale se bazează pe operații de simetrie. Ele sunt vizibile mai ales în cântecele pentru copii, care, aparent, sunt atât de ușor de reținut. Operațiile de simetrie se găsesc în muzica din Evul Mediu și Renaștere, în muzica epocii baroc (adesea într-o formă foarte sofisticată). Pe vremea lui I.S. Bach, când simetria era un principiu important al compoziției, s-a răspândit un fel de joc de puzzle muzical. Una dintre ele a fost să rezolve misterioasele „canoane”. Kanon este o formă de muzică polifonică bazată pe realizarea unei teme conduse de o voce în alte voci. Compozitorul ar propune o temă, iar ascultătorii ar trebui să ghicească operațiile de simetrie pe care intenționa să le folosească în repetarea temei.

Natura stabilește puzzle-uri de tip opus: ni se oferă un canon completat și trebuie să găsim regulile și motivele care stau la baza modelelor și simetriei existente și invers, să căutăm modele care apar atunci când repetă un motiv în conformitate cu reguli diferite. Prima abordare duce la studiul structurii materiei, artei, muzicii și gândirii. A doua abordare ne confruntă cu problema designului sau a planului, care a preocupat artiști, arhitecți, muzicieni și oameni de știință încă din cele mai vechi timpuri.

Rotiri elicoidale . Translația poate fi combinată cu reflexia sau rotația, ceea ce creează noi operații de simetrie. O rotație cu un anumit număr de grade, însoțită de o translație pe o distanță de-a lungul axei de rotație, generează simetria elicoială - simetria unei scări spiralate. Un exemplu de simetrie elicoidală este aranjarea frunzelor pe tulpina multor plante. Capul de floarea-soarelui are lastari dispusi in spirale geometrice, desfasurandu-se din centru spre exterior. Cei mai tineri membri ai spiralei sunt în centru. În astfel de sisteme, se pot observa două familii de spirale, care se desfășoară în direcții opuse și se intersectează la unghiuri apropiate de liniile drepte. Dar oricât de interesante și atractive sunt manifestările de simetrie din lumea plantelor, există încă multe secrete care controlează procesele de dezvoltare. În urma lui Goethe, care a vorbit despre tendința naturii spre o spirală, putem presupune că această mișcare se realizează de-a lungul unei spirale logaritmice, de fiecare dată plecând de la un punct central, fix și combinând mișcarea de translație (întinderea) cu o rotație.

Simetria comutației . Extinderea în continuare a numărului de simetrii fizice este asociată cu dezvoltarea mecanicii cuantice. Unul dintre tipurile speciale de simetrie în microcosmos este simetria permutării. Se bazează pe indistingubilitatea fundamentală a microparticulelor identice, care nu se mișcă de-a lungul unor traiectorii specifice, iar pozițiile lor sunt estimate în funcție de caracteristicile probabilistice asociate cu pătratul modulului funcției de undă. Simetria comutației constă în faptul că atunci când particulele cuantice sunt „rearanjate”, caracteristicile probabilistice nu se schimbă; modulul pătrat al funcției de undă este o valoare constantă.

Simetria asemănării . Un alt tip de simetrie este simetria similarității, asociată cu creșterea sau scăderea simultană a unor părți similare ale figurii și a distanțelor dintre ele. Un exemplu de acest tip de simetrie este păpușa matrioșca. O astfel de simetrie este foarte răspândită în natura vie. Este demonstrat de toate organismele în creștere.

Problemele de simetrie joacă un rol decisiv în fizica modernă. Legile dinamice ale naturii sunt caracterizate de anumite tipuri de simetrie. În sens general, simetria legilor fizice înseamnă invarianța lor față de anumite transformări. De asemenea, trebuie remarcat faptul că tipurile de simetrie luate în considerare au anumite limite de aplicabilitate. De exemplu, simetria dreapta și stânga există doar în regiunea interacțiunilor electromagnetice puternice, dar este încălcată în cele slabe. Invarianța izotopică este valabilă numai atunci când se iau în considerare forțele electromagnetice. Pentru a aplica conceptul de simetrie, puteți introduce o anumită structură care ia în considerare patru factori:

· obiect sau fenomen care este studiat;

· transformarea în raport cu care se consideră simetria;

· Invarianța oricăror proprietăți ale unui obiect sau fenomen, exprimând simetria în cauză. Legătura dintre simetria legilor fizice și legile de conservare;

· limite de aplicabilitate a diferitelor tipuri de simetrie.

Studiul proprietăților de simetrie ale sistemelor sau legilor fizice necesită utilizarea unei analize matematice speciale, în primul rând conceptele de teoria grupurilor, care este în prezent cel mai dezvoltată în fizica stării solide și cristalografie.

capitolul 3. Tipuri de defecte la solide

Toate solidele reale, atât monocristaline cât și policristaline, conțin așa-numitele defecte structurale, tipurile, concentrațiile și comportamentul cărora sunt foarte diverse și depind de natura, condițiile de obținere a materialelor și natura influențelor externe. Majoritatea defectelor create de influențele externe sunt instabile termodinamic, iar starea sistemului în acest caz este excitată (neechilibru). Astfel de influențe externe pot fi temperatura, presiunea, iradierea cu particule și cuante de înaltă energie, introducerea de impurități, întărirea de fază în timpul transformărilor polimorfe și de altă natură, efecte mecanice etc. Trecerea la o stare de echilibru poate avea loc în diferite moduri și, de regulă, se realizează printr-o serie de stări metastabile.

Defectele de aceleași tipuri, interacționând cu defecte de același tip sau de alt tip, pot anihila sau forma noi asociații de defecte. Aceste procese sunt însoțite de o scădere a energiei sistemului.

Pe baza numărului de direcții N în care se extinde încălcarea aranjamentului periodic al atomilor din rețeaua cristalină, cauzată de un defect dat, se disting defectele:

· Punct (zero-dimensional, N=0);

· Linear (unidimensional, N=1);

· Suprafață (bidimensională, N=2);

· Volumul (tridimensional, N=3);

Acum vom lua în considerare fiecare defect în detaliu.

3.1 Defecte punctuale

La zero-dimensional (sau punct) defectele de cristal includ toate defectele care sunt asociate cu deplasarea sau înlocuirea unui grup mic de atomi, precum și cu impuritățile. Ele apar în timpul încălzirii, dopajului, în timpul creșterii cristalelor și ca urmare a expunerii la radiații. Ele pot fi introduse și ca urmare a implantării. Proprietățile unor astfel de defecte și mecanismele formării lor au fost cel mai bine studiate, inclusiv mișcarea, interacțiunea, anihilarea și evaporarea.

· Vacant - un atom liber, neocupat, nod al rețelei cristaline.

· Atom interstițial propriu - un atom al elementului principal situat în poziția interstițială a celulei unitare.

· Substituția atomului de impuritate - înlocuirea unui atom de un tip cu un atom de alt tip într-un nod al rețelei cristaline. Pozițiile de substituție pot conține atomi care diferă relativ puțin în mărime și proprietăți electronice de atomii de bază.

· Atom de impuritate interstițială - atomul de impuritate este situat în interstițiile rețelei cristaline. În metale, impuritățile interstițiale sunt de obicei hidrogen, carbon, azot și oxigen. În semiconductori, acestea sunt impurități care creează niveluri profunde de energie în bandgap, cum ar fi cuprul și aurul din siliciu.

Complexele constând din mai multe defecte punctiforme sunt adesea observate în cristale, de exemplu, un defect Frenkel (vacant + atom interstițial propriu), bivacant (vacant + post vacant), centru A (vacant + atom de oxigen în siliciu și germaniu), etc.

Termodinamica defectelor punctuale. Defectele punctiforme cresc energia cristalului, deoarece o anumită cantitate de energie a fost cheltuită pentru a forma fiecare defect. Deformarea elastică provoacă o fracțiune foarte mică din energia de formare a locurilor libere, deoarece deplasările ionilor nu depășesc 1%, iar energia de deformare corespunzătoare este zecimi de eV. În timpul formării unui atom interstițial, deplasările ionilor vecini pot atinge 20% din distanța interatomică, iar energia corespunzătoare de deformare elastică a rețelei poate atinge câțiva eV. Partea principală a formării unui defect punctual este asociată cu o încălcare a periodicității structurii atomice și a forțelor de legătură dintre atomi. Un defect punctual într-un metal interacționează cu întregul gaz de electroni. Îndepărtarea unui ion pozitiv dintr-un loc este echivalentă cu introducerea unei sarcini negative punctuale; electronii de conducere sunt respinși de această sarcină, ceea ce determină o creștere a energiei lor. Calculele teoretice arată că energia de formare a unui loc vacant în rețeaua fcc de cupru este de aproximativ 1 eV, iar cea a unui atom interstițial este de la 2,5 la 3,5 eV.

În ciuda creșterii energiei cristalului în timpul formării propriilor defecte punctuale, acestea pot fi în echilibru termodinamic în rețea, deoarece formarea lor duce la o creștere a entropiei. La temperaturi ridicate, creșterea termenului de entropie TS a energiei libere datorită formării defectelor punctuale compensează creșterea energiei cristaline totale U, iar energia liberă se dovedește a fi minimă.

Concentrarea de echilibru a posturilor vacante:

Unde E 0 - energia de formare a unui post vacant, k- constanta Boltzmann, T- temperatura absolută. Aceeași formulă este valabilă pentru atomii interstițiali. Formula arată că concentrația locurilor vacante ar trebui să depindă puternic de temperatură. Formula de calcul este simplă, dar valorile cantitative exacte pot fi obținute numai prin cunoașterea valorii energetice a formării defectelor. Este foarte greu de calculat teoretic această valoare, așa că trebuie să ne mulțumim doar cu estimări aproximative.

Deoarece energia formării defectelor este inclusă în exponent, această diferență provoacă o diferență uriașă în concentrația de locuri libere și atomi interstițiali. Astfel, la 1000 °C în cupru, concentrația de atomi interstițiali este de numai 10-39, ceea ce este cu 35 de ordine de mărime mai mică decât concentrația de locuri libere la această temperatură. În ambalajele dense, care sunt caracteristice majorității metalelor, este foarte dificil să se formeze atomii interstițiali, iar locurile libere din astfel de cristale sunt principalele defecte punctuale (fără a se număra atomii de impurități).

Migrarea defectelor punctuale. Atomii supuși mișcării vibraționale schimbă continuu energie. Datorită caracterului aleatoriu al mișcării termice, energia este distribuită neuniform între diferiți atomi. La un moment dat, un atom poate primi un asemenea exces de energie de la vecinii săi, încât va ocupa o poziție vecină în rețea. Așa are loc migrarea (mișcarea) defectelor punctiforme în cea mai mare parte a cristalelor.

Dacă unul dintre atomii din jurul unui loc vacant se mută într-un loc vacant, atunci locul vacant se va muta în mod corespunzător la locul său. Actele elementare consecutive de deplasare a unui anumit loc vacant sunt efectuate de diferiți atomi. Figura arată că într-un strat de bile (atomi) strâns împachetate, pentru a muta una dintre bile într-un loc liber, aceasta trebuie să depărteze bilele 1 și 2. În consecință, pentru a se deplasa dintr-o poziție dintr-un nod, unde energia atomului este minimă, la un nod vacant adiacent, unde energia este, de asemenea, minimă, atomul trebuie să treacă printr-o stare cu energie potențială crescută și să depășească bariera energetică. Pentru aceasta, este necesar ca atomul să primească de la vecinii săi un exces de energie, pe care îl pierde în timp ce „strânge” într-o nouă poziție. Înălțimea barierei energetice E m se numește energia de activare a migrației postului vacant.

Sursele și absorbantele defectelor punctuale. Principala sursă și absorbție a defectelor punctuale sunt defectele liniare și de suprafață. În monocristalele mari perfecte, descompunerea unei soluții solide suprasaturate a propriilor defecte punctuale este posibilă cu formarea așa-numitelor. microdefecte.

Complexe de defecte punctiforme. Cel mai simplu complex de defecte punctuale este o bivacanță (divacanță): două locuri libere situate în locuri adiacente ale rețelei. Complexele formate din doi sau mai mulți atomi de impurități, precum și atomii de impurități și propriile lor defecte punctuale, joacă un rol major în metale și semiconductori. În special, astfel de complexe pot afecta în mod semnificativ rezistența, proprietățile electrice și optice ale solidelor.

3.2 Defecte liniare

Defectele unidimensionale (liniare) sunt defecte de cristal, a căror dimensiune într-o direcție este mult mai mare decât parametrul rețelei, iar în celelalte două - comparabile cu acesta. Defectele liniare includ luxațiile și disclinațiile. Definiție generală: dislocarea este limita unei zone de forfecare incompletă într-un cristal. Dislocațiile sunt caracterizate printr-un vector de forfecare (vector Burgers) și un unghi μ între acesta și linia de dislocare. Când μ = 0, dislocarea se numește dislocare șurub; la c=90° - marginea; la alte unghiuri este amestecat și apoi poate fi descompus în componente elicoidale și de margine. Luxațiile apar în timpul creșterii cristalelor; în timpul deformării sale plastice şi în multe alte cazuri. Distribuția și comportamentul lor sub influențe externe determină cele mai importante proprietăți mecanice, în special, cum ar fi rezistența, ductilitatea, etc. Disclinația este limita regiunii de rotație incompletă a cristalului. Caracterizat printr-un vector de rotație.

3.3 Defecte de suprafață

Principalul defect reprezentativ al acestei clase este suprafața cristalului. Alte cazuri sunt limitele de granule ale unui material, inclusiv limitele cu unghi mic (reprezentând asociații de dislocații), planuri de înfrățire, interfețe de fază etc.

3.4 Defecte volumetrice

Acestea includ grupuri de posturi vacante care formează pori și canale; particule depuse pe diverse defecte (decorare), de exemplu, bule de gaz, bule de lichid mamă; acumulări de impurități sub formă de sectoare (clepsidre) și zone de creștere. De regulă, aceștia sunt pori sau incluziuni de faze de impurități. Sunt un conglomerat de multe defecte. Origine: perturbarea regimurilor de creștere a cristalelor, descompunerea unei soluții solide suprasaturate, contaminarea probelor. În unele cazuri (de exemplu, în timpul întăririi prin precipitare), defecte volumetrice sunt introduse special în material pentru a modifica proprietățile fizice ale acestuia.

Capitolul 4. Primitfara cristale

Dezvoltarea științei și tehnologiei a dus la faptul că multe pietre prețioase sau pur și simplu cristale rar întâlnite în natură au devenit foarte necesare pentru fabricarea pieselor de dispozitive și mașini, pentru cercetarea științifică. Cererea pentru multe cristale a crescut atât de mult încât a fost imposibil să o satisfacă prin extinderea scarei producției de vechi și căutarea de noi zăcăminte naturale.

În plus, multe ramuri ale tehnologiei și în special cercetarea științifică necesită din ce în ce mai mult monocristale de puritate chimică foarte ridicată, cu o structură cristalină perfectă. Cristalele găsite în natură nu îndeplinesc aceste cerințe, deoarece cresc în condiții care sunt departe de a fi ideale.

Astfel, a apărut sarcina de a dezvolta o tehnologie pentru producerea artificială a monocristalelor din multe elemente și compuși chimici.

Dezvoltarea unei metode relativ simple de a face o „bijuterie” duce la faptul că aceasta încetează să mai fie prețioasă. Acest lucru se explică prin faptul că cele mai multe pietre prețioase sunt cristale de elemente chimice și compuși larg răspândiți în natură. Astfel, diamantul este un cristal de carbon, rubinul și safirul sunt cristale de oxid de aluminiu cu diverse impurități.

Să luăm în considerare principalele metode de creștere a cristalelor simple. La prima vedere, poate părea că cristalizarea dintr-o topitură este foarte simplă. Este suficient să încălziți substanța peste punctul său de topire, să obțineți o topitură și apoi să o răciți. În principiu, acesta este modul corect, dar dacă nu se iau măsuri speciale, atunci în cel mai bun caz veți ajunge la o probă policristalină. Și dacă experimentul este efectuat, de exemplu, cu cuarț, sulf, seleniu, zahăr, care, în funcție de viteza de răcire a topiturii lor, se pot solidifica într-o stare cristalină sau amorfă, atunci nu există nicio garanție că un corp amorf. nu vor fi obținute.

Pentru a crește un singur cristal, răcirea lentă nu este suficientă. Este necesar să se răcească mai întâi o zonă mică a topiturii și să se obțină o „nucleare” a unui cristal în ea, apoi, răcind secvențial topitura din jurul „nucleației”, permite cristalului să crească pe întregul volum al topi. Acest proces poate fi realizat prin coborârea lentă a unui creuzet care conține topitura printr-o deschidere a unui cuptor cu tuburi verticale. Cristalul se nucleează în partea de jos a creuzetului, deoarece intră mai întâi în regiunea temperaturilor mai scăzute, apoi crește treptat pe întregul volum al topiturii. Fundul creuzetului este special făcut îngust, îndreptat spre un con, astfel încât în ​​el să poată fi localizat un singur nucleu cristalin.

Această metodă este adesea folosită pentru a cultiva cristale de zinc, argint, aluminiu, cupru și alte metale, precum și clorură de sodiu, bromură de potasiu, fluorură de litiu și alte săruri utilizate în industria optică. Într-o zi poți crește un cristal de sare gemă cântărind aproximativ un kilogram.

Dezavantajul metodei descrise este contaminarea cristalelor cu materialul creuzetului. proprietatea de simetrie a defectului de cristal

Metoda fără creuzet de creștere a cristalelor dintr-o topitură, care este folosită pentru a crește, de exemplu, corindon (rubine, safire), nu are acest dezavantaj. Cea mai fină pulbere de oxid de aluminiu din boabe cu dimensiunea de 2-100 microni este turnată într-un curent subțire din buncăr, trece printr-o flacără de oxigen-hidrogen, se topește și cade sub formă de picături pe o tijă de material refractar. Temperatura tijei este menținută ușor sub punctul de topire al oxidului de aluminiu (2030°C). Picăturile de oxid de aluminiu se răcesc pe el și formează o crustă de masă de corindon sinterizat. Mecanismul ceasului coboară încet (10-20 mm/h) tija, iar pe ea crește treptat un cristal de corindon netăiat, în formă de para inversată, așa-numita boule.

Ca și în natură, obținerea cristalelor din soluție se reduce la două metode. Prima dintre acestea constă în evaporarea lentă a solventului dintr-o soluție saturată, iar a doua în scăderea lentă a temperaturii soluției. A doua metodă este mai des folosită. Ca solvenți se folosesc apa, alcoolii, acizii, sărurile topite și metalele. Un dezavantaj al metodelor de creștere a cristalelor din soluție este posibilitatea contaminării cristalelor cu particule de solvent.

Cristalul crește din acele zone ale soluției suprasaturate care îl înconjoară imediat. Ca urmare, soluția din apropierea cristalului se dovedește a fi mai puțin suprasaturată decât departe de acesta. Deoarece o soluție suprasaturată este mai grea decât una saturată, există întotdeauna un flux ascendent de soluție „utilizată” deasupra suprafeței cristalului în creștere. Fără o astfel de agitare a soluției, creșterea cristalelor ar înceta rapid. Prin urmare, soluția este adesea amestecată suplimentar sau cristalul este fixat pe un suport rotativ. Acest lucru vă permite să creșteți cristale mai avansate.

Cu cât rata de creștere este mai mică, cu atât cristalele obținute sunt mai bune. Această regulă se aplică tuturor metodelor de cultivare. Cristalele de zahăr și sare de masă pot fi obținute cu ușurință dintr-o soluție apoasă acasă. Dar, din păcate, nu toate cristalele pot fi cultivate atât de ușor. De exemplu, producția de cristale de cuarț din soluție are loc la o temperatură de 400°C și o presiune de 1000 at.

Capitolul 5. Proprietățile cristalelor

Privind diferite cristale, vedem că toate au formă diferită, dar fiecare dintre ele reprezintă un corp simetric. Într-adevăr, simetria este una dintre principalele proprietăți ale cristalelor. Numim corpuri simetrice dacă sunt formate din părți egale, identice.

Toate cristalele sunt simetrice. Aceasta înseamnă că în fiecare poliedru cristalin se pot găsi planuri de simetrie, axe de simetrie, centre de simetrie și alte elemente de simetrie, astfel încât părți identice ale poliedrului să se potrivească. Să introducem un alt concept legat de simetrie - polaritatea.

Fiecare poliedru cristalin are un anumit set de elemente de simetrie. Setul complet al tuturor elementelor de simetrie inerente unui cristal dat se numește clasă de simetrie. Numărul lor este limitat. S-a dovedit matematic că există 32 de tipuri de simetrie în cristale.

Să luăm în considerare mai detaliat tipurile de simetrie dintr-un cristal. În primul rând, cristalele pot avea axe de simetrie de numai 1, 2, 3, 4 și 6 ordine. Evident, axele de simetrie ale ordinului 5, 7 și superior nu sunt posibile, deoarece cu o astfel de structură, rândurile și rețelele atomice nu vor umple spațiul continuu; între pozițiile de echilibru ale atomilor vor apărea goluri și goluri. Atomii nu vor fi în pozițiile cele mai stabile, iar structura cristalină se va prăbuși.

Într-un poliedru cristalin puteți găsi diferite combinații de elemente de simetrie - unele au puține, altele au multe. Conform simetriei, în primul rând de-a lungul axelor de simetrie, cristalele sunt împărțite în trei categorii.

Cea mai înaltă categorie include cristalele cele mai simetrice; pot avea mai multe axe de simetrie de ordinul 2, 3 și 4, fără axe de ordinul al 6-lea, pot avea plane și centre de simetrie. Aceste forme includ cub, octaedru, tetraedru etc. Toate au o caracteristică comună: sunt aproximativ aceleași în toate direcțiile.

Cristalele din categoria mijlocie pot avea axe de 3, 4 și 6 ordine, dar doar câte unul. Pot exista mai multe axe de ordinul 2; sunt posibile planuri de simetrie și centre de simetrie. Formele acestor cristale: prisme, piramide etc. Caracteristică comună: o diferență accentuată de-a lungul și de-a lungul axei principale de simetrie.

Cristalele din cea mai înaltă categorie includ: diamant, cuarț, germaniu, siliciu, cupru, aluminiu, aur, argint, staniu gri, wolfram, fier. La categoria de mijloc: grafit, rubin, cuarț, zinc, magneziu, staniu alb, turmalină, beril. La cel mai mic: gips, mica, sulfat de cupru, sare Rochelle etc. Desigur, această listă nu a enumerat toate cristalele existente, ci doar cele mai cunoscute dintre ele.

Categoriile sunt la rândul lor împărțite în șapte sisteme. Tradus din greacă, „syngony” înseamnă „unghi similar”. Cristalele cu axe de simetrie identice și, prin urmare, cu unghiuri de rotație similare în structură, sunt combinate într-un sistem de cristal.

Proprietățile fizice ale cristalelor depind cel mai adesea de structura și compoziția lor chimică.

În primul rând, merită menționat două proprietăți de bază ale cristalelor. Una dintre ele este anizotropia. Acest termen înseamnă o schimbare a proprietăților în funcție de direcție. În același timp, cristalele sunt corpuri omogene. Omogenitatea unei substanțe cristaline constă în faptul că cele două secțiuni ale sale de aceeași formă și aceeași orientare au proprietăți identice.

Să vorbim mai întâi despre proprietățile electrice. În principiu, proprietățile electrice ale cristalelor pot fi luate în considerare folosind exemplul metalelor, deoarece metalele, în una dintre stările lor, pot fi agregate cristaline. Electronii, mișcându-se liber în metal, nu se pot stinge; aceasta necesită energie. Dacă energia radiantă este cheltuită în acest caz, efectul abstracției electronilor determină așa-numitul efect fotoelectric. Un efect similar este observat în cristalele simple. Un electron rupt de pe orbita moleculară, rămas în interiorul cristalului, provoacă conductivitate metalică în acesta din urmă (efect fotoelectric intern). În condiții normale (fără iradiere), astfel de conexiuni nu sunt conductori de curent electric.

Comportamentul undelor de lumină în cristale a fost studiat de E. Bertolin, care a fost primul care a observat că undele se comportă nestandard la trecerea printr-un cristal. Într-o zi, Bertalin schița unghiurile diedrice ale spatelui Islandei, apoi a pus cristalul pe desene, apoi omul de știință a văzut pentru prima dată că fiecare linie se bifurca. S-a convins de mai multe ori că toate cristalele spate bifurcă lumina, abia atunci Bertalin a scris un tratat „Experimente cu un cristal birefringent islandez, care a dus la descoperirea unei refracții minunate și extraordinare” (1669). Omul de știință a trimis rezultatele experimentelor sale unor oameni de știință și academii din mai multe țări. Lucrările au fost acceptate cu deplină neîncredere. Academia Engleză de Științe a alocat un grup de oameni de știință pentru a testa această lege (Newton, Boyle, Hooke etc.). Această comisie autorizată a recunoscut fenomenul ca fiind accidental, iar legea ca inexistentă. Rezultatele experimentelor lui Bertalin au fost uitate.

Doar 20 de ani mai târziu, Christiaan Huygens a confirmat corectitudinea descoperirii lui Bertalin și a descoperit el însuși birefringența în cuarț. Mulți oameni de știință care au studiat ulterior această proprietate au confirmat că nu numai Islanda spart, ci și multe alte cristale bifurcă lumina.

...

Documente similare

Structură cristalină. Rolul, subiectul și sarcinile fizicii stării solide. Corpuri cristaline și amorfe. Tipuri de rețele cristaline. Tipuri de legături în cristale. Structuri cristaline ale solidelor. Cristale lichide. Defecte de cristal.

prelegere, adăugată 13.03.2007


Conceptul și principalele trăsături ale stării condensate a materiei, procese caracteristice. Corpuri cristaline și amorfe. Esența și caracteristicile anizotropiei cristaline. Caracteristici distinctive ale policristalelor și polimerilor. Proprietățile termice și structura cristalelor.

curs de prelegeri, adăugat 21.02.2009


Proprietățile generale ale unui corp solid, starea acestuia. Stări localizate și delocalizate ale unui corp solid, trăsături distinctive. Esență, tipuri de legături chimice în solide. Descrieri locale și non-locale în rețele nedistorsionate. Defecte punctuale.

tutorial, adăugat 21/02/2009


Cristalele sunt solide reale. Termodinamica defectelor punctiforme din cristale, migrarea acestora, sursele și chiuvetele. Studiul dislocarii, un defect liniar al structurii cristaline a solidelor. Defecte bidimensionale și tridimensionale. Solide amorfe.

raport, adăugat la 01.07.2015


Fizica stării solide este unul dintre pilonii pe care se sprijină societatea tehnologică modernă. Structura fizică a solidelor. Simetria și clasificarea cristalelor. Caracteristici de deformare și stres. Defecte de cristal, modalități de a crește rezistența.

prezentare, adaugat 02.12.2010


Adăugarea elementelor de simetrie discontinuă. Reflexie consistentă în două planuri paralele de simetrie. Suma planului de simetrie și translația perpendiculară pe acesta. Caracteristici ale acțiunii vectorului de translație pe axele perpendiculare pe acesta.

prezentare, adaugat 23.09.2013


Stări cristaline și amorfe ale solidelor, cauze ale defectelor punctiforme și liniare. Nuclearea și creșterea cristalelor. Producția artificială de pietre prețioase, soluții solide și cristale lichide. Proprietățile optice ale cristalelor lichide colesterice.

rezumat, adăugat 26.04.2010


Proprietățile fotoelectrice ale probelor de semiconductori neomogene. Structura energetică a unui contact ohmic în prezența capcanelor de electroni distribuite neuniform. Proprietățile fotoelectrice ale cristalelor procesate într-o descărcare de gaz.

teză, adăugată 18.03.2008


Defecte ale cristalelor reale, principiul de funcționare al tranzistoarelor bipolare. Distorsiunea rețelei cristaline în soluții solide interstițiale și substituționale. Fenomene de suprafață în semiconductori. Parametrii tranzistorului și coeficientul de transfer al curentului emițătorului.

test, adaugat 22.10.2009


Legăturile de hidrogen în apă, principalele sale criterii. Proprietăți anormale ale apei. Conceptul de electroliză și electroliți. Electrocristalizarea și legile ei. Dinamica unei rețele de legături de hidrogen în timpul electrocristalizării apei. Gheață cristalină și amorfa.

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

Toată lumea poate împărți cu ușurință corpurile în solide și lichide. Cu toate acestea, această împărțire se va baza doar pe semne externe. Pentru a afla ce proprietăți au solidele, le vom încălzi. Unele corpuri vor începe să ardă (lemn, cărbune) - acestea sunt substanțe organice. Altele se vor înmuia (rășina) chiar și la temperaturi scăzute - acestea sunt amorfe. Un grup special de solide este format din cele pentru care dependența temperaturii de timpul de încălzire este prezentată în Figura 12. Acestea sunt solide cristaline. Acest comportament al corpurilor cristaline atunci când sunt încălzite se explică prin structura lor internă. Corpuri de cristal- acestea sunt corpuri ale căror atomi și molecule sunt aranjați într-o anumită ordine, iar această ordine se păstrează pe o distanță destul de mare. Aranjarea periodică spațială a atomilor sau ionilor dintr-un cristal se numește rețea cristalină. Punctele rețelei cristaline în care se află atomii sau ionii se numesc noduri de rețea.

Corpurile cristaline sunt fie monocristale, fie policristale. Monocristal are o singură rețea cristalină pe întregul său volum.

Anizotropie monocristalele constă în dependența proprietăților lor fizice de direcție. Policristal Este o combinație de monocristale mici, orientate diferit (granule) și nu are anizotropie de proprietăți. Majoritatea solidelor au o structură policristalină (minerale, aliaje, ceramică).

Principalele proprietăți ale corpurilor cristaline sunt: ​​siguranța punctului de topire, elasticitatea, rezistența, dependența proprietăților de ordinea de aranjare a atomilor, adică de tipul rețelei cristaline.

Amorf sunt substanțe care nu au nicio ordine în aranjarea atomilor și moleculelor pe întregul volum al acestei substanțe. Spre deosebire de substanțele cristaline, substanțele amorfe izotrop. Aceasta înseamnă că proprietățile sunt aceleași în toate direcțiile. Trecerea de la starea amorfă la starea lichidă are loc treptat; nu există un punct de topire specific. Corpurile amorfe nu au elasticitate, sunt plastice. Diverse substanțe sunt în stare amorfă: sticlă, rășini, materiale plastice etc.

Elasticitate- proprietatea corpurilor de a-și restabili forma și volumul după încetarea forțelor exterioare sau a altor cauze care au determinat deformarea corpurilor. În funcție de natura deplasării particulelor unui corp solid, deformațiile care apar la schimbarea formei acestuia se împart în: tensiune - compresie, forfecare, torsiune și încovoiere. Pentru deformațiile elastice este valabilă legea lui Hooke, conform căreia deformațiile elastice sunt direct proporționale cu influențele externe care le provoacă. Pentru deformarea la tracțiune-compresie, legea lui Hooke are forma: , unde este efortul mecanic, este alungirea relativă, este alungirea absolută, este modulul lui Young (modulul elastic). Elasticitatea se datorează interacțiunii și mișcării termice a particulelor care alcătuiesc substanța.

În funcție de proprietățile fizice și structura moleculară, există două clase principale de solide - cristaline și amorfe.

Definiția 1

Corpurile amorfe au o astfel de caracteristică precum izotropia. Acest concept înseamnă că sunt relativ independente de proprietățile optice, mecanice și de alte proprietăți fizice și de direcția în care forțele externe acționează asupra lor.

Caracteristica principală a corpurilor afmorice este aranjarea haotică a atomilor și moleculelor, care se adună doar în grupuri locale mici, nu mai mult de câteva particule în fiecare.

Această proprietate aduce corpurile amorfe mai aproape de lichide. Astfel de solide includ chihlimbar și alte rășini dure, diferite tipuri de plastic și sticlă. Sub influența temperaturilor ridicate, corpurile amorfe se înmoaie, dar este necesară o căldură puternică pentru a le transforma în lichid.

Toate corpurile cristaline au o structură internă clară. Grupuri de particule în aceeași ordine sunt repetate periodic pe întregul volum al unui astfel de corp. Pentru a vizualiza o astfel de structură, se folosesc de obicei rețele cristaline spațiale. Ele constau dintr-un anumit număr de noduri care formează centrele moleculelor sau atomilor unei anumite substanțe. De obicei, o astfel de rețea este construită din ioni care fac parte din moleculele dorite. Astfel, în sarea de masă, structura internă este formată din ioni de sodiu și clor, combinați în perechi în molecule. Astfel de corpuri cristaline sunt numite ionice.

Figura 3. 6. 1 . Rețea cristalină de sare de masă.

Definiția 2

În structura fiecărei substanțe, se poate distinge o componentă minimă - celulă unitară.

Întreaga rețea din care este compus corpul cristalin poate fi compusă prin translația (transferul paralel) a unei astfel de celule în anumite direcții.

Numărul de tipuri de rețele cristaline nu este infinit. Există în total 230 de specii, dintre care majoritatea sunt create artificial sau găsite în materiale naturale. Rețelele structurale pot lua forma unor cuburi centrate pe corp (de exemplu, pentru fier), cuburi centrate pe față (pentru aur, cupru) sau o prismă cu șase fețe (magneziu, zinc).

La rândul lor, corpurile cristaline sunt împărțite în policristale și monocristale. Majoritatea substanțelor aparțin policristalelor, deoarece sunt formați din așa-numitele cristalite. Acestea sunt cristale mici topite împreună și orientate aleatoriu. Substanțele monocristaline sunt relativ rare, chiar și printre materialele artificiale.

Definiția 3

Policristalele au proprietatea de izotropie, adică aceleași proprietăți în toate direcțiile.

Structura policristalină a corpului este clar vizibilă la microscop, iar pentru unele materiale, cum ar fi fonta, chiar și cu ochiul liber.

Definiția 4

Polimorfism– este capacitatea unei substanțe de a exista în mai multe faze, adică modificări ale cristalelor care diferă unele de altele prin proprietăți fizice.

Procesul de trecere la o altă modificare este numit tranziție polimorfă.

Un exemplu de astfel de fenomen ar putea fi transformarea grafitului în diamant, care în condiții industriale are loc la presiune ridicată (până la 100.000 de atmosfere) și temperaturi ridicate.
(până la 2000 K).

Pentru a studia structura rețelei a unui singur cristal sau a probei policristaline, se utilizează difracția cu raze X.

Rețelele cristaline simple sunt prezentate în figura de mai jos. Trebuie luat în considerare faptul că distanța dintre particule este atât de mică încât este comparabilă cu dimensiunea particulelor în sine. Pentru claritate, diagramele arată doar pozițiile centrelor.

Figura 3. 6. 2. Rețele cristaline simple: 1 – rețea cubică simplă; 2 – rețea cubică centrată pe față; 3 – rețea cubică centrată pe corp; 4 – rețea hexagonală.

Cel mai simplu este rețeaua cubică: o astfel de structură este formată din cuburi cu particule la vârfuri. O rețea centrată pe fețe are particule nu numai la vârfuri, ci și pe fețe. De exemplu, rețeaua cristalină a sării de masă constă din două rețele centrate pe fețe, imbricate una în cealaltă. O rețea centrată pe corp are particule suplimentare în centrul fiecărui cub.

Grilajele metalice au o caracteristică importantă. Ionii unei substanțe sunt menținuți în loc prin interacțiunea cu un gaz de electroni liberi. Așa-numitul gaz de electroni este format din unul sau mai mulți electroni cedați de atomi. Astfel de electroni liberi se pot mișca pe întregul volum al cristalului.

Figura 3. 6. 3. Structura unui cristal metalic.

Dacă observați o eroare în text, vă rugăm să o evidențiați și să apăsați Ctrl+Enter

Ca lichid, dar și formă. Sunt predominant în stare cristalină.
Cristale- acestea sunt corpuri solide ale căror atomi sau molecule ocupă anumite poziții ordonate în spațiu. Prin urmare, cristalele au margini plate. De exemplu, un grăunte de sare de masă obișnuită are margini plate care formează unghiuri drepte între ele ( Fig.12.1).

Acest lucru poate fi văzut examinând sarea cu o lupă. Și cât de corectă geometric este forma unui fulg de nea! De asemenea, reflectă corectitudinea geometrică a structurii interne a unui solid cristalin - gheață ( Fig.12.2).

Anizotropia cristalelor. Cu toate acestea, forma exterioară corectă nu este singura sau chiar cea mai importantă consecință a structurii ordonate a cristalului. Principalul lucru este dependența proprietăților fizice ale cristalului de direcția aleasă în cristal.
În primul rând, este izbitoare rezistența mecanică diferită a cristalelor în diferite direcții. De exemplu, o bucată de mică se exfoliază cu ușurință într-o direcție în plăci subțiri ( Fig.12.3), dar este mult mai dificil să o rupi în direcția perpendiculară pe plăci.

De asemenea, un cristal de grafit se exfoliază cu ușurință într-o direcție. Când scrieți cu un creion, această delaminare are loc continuu și pe hârtie rămân straturi subțiri de grafit. Acest lucru se întâmplă deoarece rețeaua cristalină de grafit are o structură stratificată. Straturile sunt formate dintr-o serie de rețele paralele formate din atomi de carbon ( Fig.12.4). Atomii sunt localizați la vârfurile hexagoanelor regulate. Distanța dintre straturi este relativ mare - de aproximativ 2 ori lungimea laturii hexagonului, astfel încât legăturile dintre straturi sunt mai puțin puternice decât legăturile din interiorul lor.

Multe cristale conduc căldura și electricitatea în mod diferit în direcții diferite. Proprietățile optice ale cristalelor depind și de direcție. Astfel, un cristal de cuarț refractează lumina în mod diferit în funcție de direcția razelor incidente asupra acestuia.
Dependența proprietăților fizice de direcția în interiorul cristalului se numește anizotropie. Toate corpurile cristaline sunt anizotrope.
Monocristale și policristale. Metalele au o structură cristalină. Metalele sunt folosite în principal astăzi pentru fabricarea de unelte, diverse mașini și mecanisme.
Dacă luați o bucată de metal relativ mare, atunci la prima vedere structura sa cristalină nu apare în niciun fel nici în aspectul acestei piese, nici în proprietățile ei fizice. Metalele în starea lor normală nu prezintă anizotropie.
Ideea aici este că metalul constă de obicei dintr-un număr mare de cristale mici topite împreună. La microscop sau chiar cu o lupă este ușor să le vezi, mai ales pe o fractură de metal proaspăt ( Fig.12.5). Proprietățile fiecărui cristal depind de direcție, dar cristalele sunt orientate aleatoriu unul față de celălalt. Ca rezultat, într-un volum semnificativ mai mare decât volumul cristalelor individuale, toate direcțiile din interiorul metalelor sunt egale și proprietățile metalelor sunt aceleași în toate direcțiile.

Se numește un solid format dintr-un număr mare de cristale mici policristalin. Se numesc cristale simple monocristale.
Luând mari precauții, este posibil să crească un cristal mare de metal - un singur cristal.
În condiții normale, un corp policristalin se formează ca urmare a faptului că creșterea multor cristale care au început continuă până când acestea vin în contact unele cu altele, formând un singur corp.
Policristalele includ nu numai metale. O bucată de zahăr, de exemplu, are și o structură policristalină.
Majoritatea solidelor cristaline sunt policristale, deoarece constau din multe cristale intercrescute. Cristale simple - cristalele simple au o formă geometrică regulată, iar proprietățile lor sunt diferite în direcții diferite (anizotropie).

???
1. Sunt toate corpurile cristaline anizotrope?
2. Lemnul este anizotrop. Este un corp cristalin?
3. Dați exemple de solide monocristaline și policristaline nemenționate în text.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizica clasa a X-a

Conținutul lecției notele de lecție sprijinirea metodelor de accelerare a prezentării lecției cadru tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autotestare, instruiri, cazuri, întrebări teme pentru acasă întrebări de discuție întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, poze, grafice, tabele, diagrame, umor, anecdote, glume, benzi desenate, pilde, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole trucuri pentru pătuțurile curioși manuale dicționar de bază și suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment dintr-un manual, elemente de inovație în lecție, înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul; recomandări metodologice; program de discuții Lecții integrate

Dacă aveți corecții sau sugestii pentru această lecție,