Лекция 1. Предмет и задачи кристаллографии. Основные этапы развития. Основные свойства кристаллических тел.
Предмет и задачи кристаллографии. Понятие кристаллического состояния и кристаллической решетки. Основные свойства кристаллических тел.
Введение.
Кристаллография это наука не только о кристаллах, но и о процессах их образования, их внешней форме, внутреннем строении и физических свойствах.
Поэтому именно кристаллография связывает многие разделы материаловедения со смежными фундаментальными науками, такими как физика, химия, геометрия.
Практически все научные и технические достижения последнего времени непосредственно связаны с кристаллографией. Сюда можно отнести рентгеноструктурный метод исследования, электронную микроскопию, открытие квазикристаллов, явление высокотемпературной сверхпроводимости, компьютерную микроэлектронику,и т.д.
В отличие от других наук, занимающихся изучением поликристаллического состояния вещества, кристаллография изучает в основном свойства отдельных кристаллов – монокристаллов. «Кристалл» - «кристаллос» («прозрачный лед», греч.).
Кристаллография является:
· фундаментальной наукой, так как включает в себя поиск и обнаружение неизвестных ранее явлений и закономерностей, нахождение объектов с неизвестными ранее свойствами, теоретическое обобщение, объяснение и предсказание явлений, свойств, развитие новых методов исследований;
· прикладной наукой, так как результаты кристаллографических исследований широко используются для решения конкретных задач: создание новых приборов, материалов, освоение новых производственных процессов, технологий, совершенствование методов измерений и т. д.
Основными разделами современной кристаллографии являются:
· геометрическая кристаллография, содержащая общую геометрическую теорию строения кристаллов, изучающая симметрию и морфологию кристаллов;
· кристаллохимия (структурная кристаллография), изучающая внутреннее строение и состав;
· кристаллогенезис, изучающий вопросы образования кристаллов;
· кристаллофизика рассматривающая электрические, оптические, механические и др. свойства и зависимость их от симметрии и состава.
Основные задачи кристаллографии:
1. описание кристаллических многогранников и кристаллических структур методами симметрии;
2. определение межатомных и межплоскостных расстояний в кристаллических структурах;
3. описание симметрии и анизотропии физических свойств кристаллов;
4. определение пространственного расположения атомов в кристаллических структурах;
5. расчет размеров металлических и ионных радиусов;
6. установление связей между кристаллохимическими параметрами и типами кристаллических структур, прогнозирование характера межатомного взаимодействия в металлических сплавах;
7. описание ориентационных соотношений и атомных механизмов полиморфных превращений, эпитаксиальных явлений и двойникования в металлических фазах;
8. анализ типов дислокаций в кристаллах, составление уравнений дислокационных реакций в типичных металлических структурах и т.д.
Основные этапы развития науки о кристаллах.
1669 г. - Дата рождения кристаллографии как науки Николай Стенон (Нильс Стенсен) – датский естествоиспытатель «О твердом, естественно содержащемся в твердом»: кристаллы различной формы одного и того же вещества (минерала) имеют неизменные углы между соответствующими гранями.
1740 г. – М.В. Ломоносов – русский математик, физик и философ в своей диссертационной работе «О рождении кристаллов селитры» объяснил постоянство углов плотнейшей укладкой шарообразных частиц – корпускул.
1783 г. – Жан Б. Роме де Лиль – французский минеролог в труде «Кристаллография»: «Грани кристалла могут изменяться по своей форме и относительным размерам, но их взаимные наклоны постоянны и неизменны для каждого рода кристаллов».
1743—1822 – Рене Жюст Гаюи – французский аббат, профессор минералогии и кристаллографии, почетный член Петербургской Академии наук – предположил, что кристалл представляет собой «кладку» из множества мельчайших одинаковых кирпичиков, названных им интегральными молекулами - закон рациональности отношений параметров
1780—1856 – X. Вейс – немецкий кристаллограф и минеролог – закон зон (поясов), устанавливающего связь между положением граней и ребер кристалла.
1848г. – Огюст Браве – французский инженер – ввел понятие пространственной решетки – трехмерной периодичности расположения материальных частиц в геометрически однородных телах; дал вывод 32 классов симметрии для конечных фигур.
1855 г. – вывел 14 типов пространственных решеток, известных теперь как 14 типов решеток Браве, заложив этим основу современной структурной кристаллографии.
1867 г. Аксель Вильгельмович Гадолин – профессор Петербургского артиллерийского училища, академик – показал, что в кристаллах набор элементов симметрии ограничен (в них невозможны оси 5-го и выше 6-го порядков), дал вывод 32 кристаллографических видов (групп) симметрии.
1855 г. Евграф Степанович Федоров (1853—1919) – русский кристаллограф – оригинальный вывод 32 классов симметрии (точечных групп) в работе «Начала учения о фигурах»,
1890 г. – вывел 230 способов размещения материальных частиц в кристаллах, 230 пространственных групп симметрии, называемых федоровскими.
1853—1928 – Артур Шенфлис немецкий математик чуть позже Федорова пришел к тому же числу (230) пространственных групп симметрии.
1887—1970 Алексей Васильевич Шубников – академик, отец современной кристаллофизики:
- ввел понятие о симметрии математических величин,
- по-новому сформулировал основные законы, устанавливающие связь симметрии кристаллов и явлений,
- впервые применил понятия антисимметрии в кристаллофизике.
1.3. Кристаллическое состояние вещества.Элементы симметрии кристаллических многогранников
Основные типы структурных состояний твердого тела:
1. Монокристалл
2. Поликристалл
3. Аморфная структура
Главной особенностью кристаллического состояния вещества, отличающей его от жидкостей, газов и аморфных тел является трехмерная упорядоченная периодичность расположения элементарных частиц (атомов, ионов, молекул) в пространстве, что определяет правильную геометрическую внешнюю форму.
Т.о. кристалл представляют собой твердое тело в форме многогранника, имеющее в трех направлениях определенный порядок расположения частиц.
Из представления трехмерной периодичности в расположении составляющих кристалл одинаковых материальных частиц возникает абстрактный геометрический образ – пространственная решетка. В каждой пространственной решётке можно выделить некоторый повторяющийся элемент её структуры, или, иначе говоря, элементарную ячейку. Элементарная ячейка — фигура наименьшего размера, последовательным переносом которой можно построить весь кристалл. Пространственные, т.е. объёмные, а не плоские элементарные ячейки – это "кирпичики", прикладыванием которых друг к другу в пространстве строится кристалл.
Элементарная ячейка – элементарный параллелепипед, закономерная повторяемость которого образует пространственную решетку (рис. 1.1 а). Элементарная ячейка характеризуется следующими параметрами: углами (α, β, γ) между направлениями, принятыми за координатные оси (Х,Y,Z) и отрезками (а, b, c) (рис.1.1а)
Ряд – совокупность узлов, расположенных вдоль прямой и повторяющихся через равные промежутки. Ряды соответствуют ребрам кристаллов и отождествляются с линиями схождения двух плоских сеток (рис. 1.1 б, в).
Плоская сетка – совокупность узлов, расположенных в одной плоскости и находящихся в вершинах параллелограммов.
Данный элемент пространственной решетки соответствует граням кристаллов (рис. 1в). Следует также отметить, что грани кристалла соответствуют таким плоским сеткам, которые имеют наибольшую ретикулярную плотность. Под ретикулярной плотностью понимается число узлов, приходящихся на единицу площади плоской сетки или единицу длины ряда пространственной решетки.
Узлы – материальные частицы, соответствующие вершинам многогранников, иными словами, это точки схождения нескольких рядов (рис. 1.1 б, A0-An).
Пространственная решетка представляет собой совокупность материальных частиц, расположенных в соответствующих точках бесконечного множества параллелепипедов, которые полностью заполняют пространство, будучи равными, параллельно ориентированными и смежными гранями (рис. 1.1 г).
Рис. 1.1 a) элементарная ячейка; б) ряд пространственной решетки (узлы A0-An);
в) плоская сетка; г) пространственная решетка
Помимо кристаллических веществ, в которых, как уже было сказано выше, размещением материальных частиц «управляет» пространственная решетка, существуют твердые тела, в которых материальные частицы располагаются менее упорядоченно, в них отсутствует трехмерная периодичность в расположении материальных частиц, такие тела называют аморфными (рис. 1.2а).
По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям или к газам, прочность аморфных тел, как правило, ниже кристаллических.
Примерами аморфных тел служат стекла, капрон,сургуч, смолы и др.
Внутреннее строение кристаллических твердых тел (рис. 1.2б) является наиболее устойчивым и отражает равновесное состояние вещества, поэтому зачастую стекла переходят в кристаллическое состояние, обратной картины (при той же температуре) не наблюдается.
Рис.1.2. Характер расположения материальных частиц в аморфных (а) и кристаллических (б) телах.
Различие между кристаллическими телами и аморфными особенно резко проявляется в их отношении к нагреванию.
Кристаллические вещества плавятся при строго определенной температуре и постоянной температуре происходит переход из жидкого состояния в твердое, аморфные тела не имеют определенной точки плавления, а значит, и не имеют установленной температуры кристаллизации.
Из трехмерно - периодического упорядоченного внутреннего строения следуют и макроскопические свойства кристаллов: однородность, анизотропность, способность самоограняться.
Однородным считается тело, в котором на конечных расстояниях от любой его внутренней точки в любых параллельных направлениях найдутся другие, эквивалентные ей не только в физическом отношении, но и геометрически.
Анизотропность – это способность кристаллов проявлять различные свойства в разных направлениях. Поскольку многие физические свойства кристаллов, такие как твердость, теплопроводность, показатели преломления, спайность и др., зависят от межатомных расстояний, а следовательно, от типа и силы химических связей между атомами, то в разных направлениях в кристаллическом веществе они проявляются по-разному.
В способности самоограняться, т.е. при определенных условиях принимать естественную многогранную форму, что определяется правильным внутренним строением кристалла. Это свойство отличает кристаллическое вещество от аморфного. Любой кусочек кристалла, попав в соответствующую среду, например, в пересыщенный раствор того же состава, начнет покрываться гранями, в то время как аморфное вещество останется без изменения.
Т.о. кристаллы - твердые, однородные, анизотропные вещества, способные в определенных условиях самоограняться.
КРИСТАЛЛ (как геометрическая фигура) – выпуклый многогранник элементами которого являются (рис. 1.3):
· Грань - плоская поверхность, ограничивающая кристалл
· Ребро - линия пересечения двух граней кристалла
· Вершина - точка пересечения ребер кристалла
Рис. 1.3 Кристалл как геометрическая фигура.
Контрольные вопросы
1 Что является предметом и каковы задачи кристаллографии?
2 Назовите основные этапы исторического развития кристаллографии,
как науки.
3 Какими свойствами характеризуется кристаллическое состояние
вещества?
4. Что называется кристаллом?