Кристаллических систем (сингоний) и 14 решеток Браве

Кубическая система (3). Кубическая система содержит те решетки Бравэ, точечная группа которых совпадает с группой симметрии куба (рис.8). Три решетки Бравэ с неэквивалентными пространственными группами обладают кубической точечной группой: простая кубическая, объемно-центрированная кубическая и гранецентрированная кубическая.

Рассмотрим объемно-центрированную кубическую (о. ц. к) решетку, которая получается, если к простой кубической решетке (ее узлы обозначены как А) добавить по точке В в центр каждого куба (рис.9).

Если исходная простая кубическая решетка порождается основными векторами

, , ,

где , , – три ортогональных единичных вектора, направленных вдоль осей x, y, z соответственно, то в качестве тройки основных векторов для о.ц.к. решетки можно выбрать векторы (рис. 10)

, ,

Существует и более симметричный набор (рис. 11):

, , .

Примитивная ячейка, построенная на этих векторах, представлена на рис. 12. Ее объем в два раза меньше объема условной ячейки. Более наглядный вид той же ячейки представлен на рис. 13, здесь понятно, что она представляет собой ромбоэдр (параллелепипед с одинаковыми ребрами, равными половине объемной диагонали условной ячейки о.ц.к.).

Примитивную ячейку о.ц.к. можно выбрать в виде ячейки Вигнера - Зейтца. На рис. 14 окружающий ее куб представляет собой условную о. ц. к. ячейку, в центре и в вершинах которой расположены точки решетки. Шестиугольные грани рассекают пополам отрезки прямых, соединяющие центральную точку с вершинами куба (эти отрезки изображены сплошными линиями). Квадратные грани рассекают пополам отрезки прямых, соединяющие центральную точку с центральными точками каждой из шести соседних кубических ячеек (на фигуре эти линии не показаны).

Рассмотрим гранецентрированную кубическую (г. ц. к.) решетку Браве. Чтобы построить г. ц. к. решетку Браве, нужно добавить к простой кубической решетке на рис.8 по одной дополнительной точке в центре каждой грани.

Она состоит из четырех взаимопроникающих простых кубических решеток, расположенных таким образом, как показано на рис. 15.

Симметричный набор основных векторов (рис. 16) для г.ц.к. решетки имеет вид:

, , .

Построенная на этих векторах примитивная элементарная ячейка – ромбоэдр с шестью гранями в форме ромбов, все ребра которого равны половине диагонали грани условной ячейки г.ц.к. ( /2а) (углы между и , и , и равны 60^о). Она обладает более низкой симметрией, чем условная ячейка г.ц.к. на рис.8 и ее объем в 4 раза меньше объема условной ячейки.

Ячейка Вигнера - Зейтца для г.ц.к. решетки представлена на рис. 18. Окружающий ее куб не является условной кубической ячейкой, показанной на рис. 8, точки решетки расположены в центре этого куба и в центре каждого из 12 его ребер. Каждая из 12 (конгруэнтных) граней перпендикулярна прямой, соединяющей центральную точку с центром ребра.

Г. ц. к. и о. ц, к. решетки Бравэ особенно важны потому, что именно такими кристаллическими решетками (с одним атомом или ионом в каждом узле решетки)тобладает большинство твердых тел. Кристаллов с простой кубической решеткой, однако, чрезвычайно мало — из элементов при нормальных условиях ею обладает только α-фаза полония.

Тетрагональная система (2). Чтобы понизить симметрию куба, можно взять его за противоположные грани и вытянуть в прямую призму с квадратным основанием, но с высотой, не равной сторонам квадрата (рис.8). Группа симметрии такого объекта есть тетрагональная группа. Растягивая подобным образом простую кубическую решетку, можно получить простую тетрагональную решетку Бравэ. Последняя определяется как решетка Бравэ, порождаемая тройкой взаимно перпендикулярных основных векторов, из которых лишь два имеют равную длину. Третью ось называют с-осью. Растягивая аналогичным образом объемноцентрированную и гранецентрированную кубические решетки, удается получить лишь одну решетку тетрагональной системы — центрированную тетрагональную.

Ромбическая система (4). Переходя к менее симметричным деформациям куба, мы можем понизить тетрагональную симметрию, преобразовав в прямоугольники квадратные грани. В результате получается объект с тремя взаимно перпендикулярными ребрами неравной длины (рис.8), группу симметрии которого называют ромбической.

Ромбическая система представлена четырьмя решетками Бравэ: простой, базоцентрированной, объемноцентрированной и гранецентрированной.

Моноклинная система (2). Ромбическую симметрию можно понизить, превратив прямоугольные грани, перпендикулярные с-оси на рис.8, в произвольные параллелограммы. Получающийся объект (рис.8), имеет моноклинную группу симметрии. Моноклинная система состоит из простой и объемноцентрированной решеток Бравэ.

Триклинная система (1). Если наклонить с-ось в простой моноклинной системе так, чтобы она более не была перпендикулярна двум другим осям, получим в объект (рис.8), который не должен удовлетворять никаким ограничениям, кроме требования параллельности противоположных граней. Искажая таким путем любую из моноклинных решеток Бравэ, можно построить триклинную решетку Бравэ. Эта решетка Бравэ порождается тройкой основных векторов, не связанных какими-либо соотношениями, следовательно, она представляет собой решетку Бравэ с минимальной симметрией. Все же триклинная группа не является группой объекта без всякой симметрии, поскольку решетка Бравэ всегда инвариантна относительно инверсии с центром в любой точке решетки. Это, однако, единственная симметрия, требуемая общим определением решетки Бравэ, а следовательно, единственная операция, входящая в триклинную точечную группу.

Тригональная система (1). Тригональная точечная группа описывает симметрию объекта, который получается, если растянуть куб вдоль объемной диагонали (рис.8). В результате такого искажения любой из трех кубических решеток Бравэ возникает ромбоэдрическая (или тригональная) решетка Бравэ. Она порождается тремя основными векторами равной длины, образующими равные углы друг с другом.

Наконец, последняя из систем не имеет отношения к кубу.

Гексагональная система (1). Гексагональная точечная группа получается, если потянуть за диагонально отстоящие друг от друга ребра простой решетки тетрагональной системы, при этом квадрат в основании тетрагональной решетки (рис.8) растянется в ромб с острым углом 60⁰. Решетка — примитивная. Для того чтобы подчеркнуть принадлежность данной элементарной ячейки к гексагональной системе, часто добавляют к ней еще две ячейки, повернутые относительно друг друга на 120°, получая, таким образом, утроенную «ячейку» в форме гексагональной призмы (рис. 19).

Расположить одинаковые твердые шары в пространстве так, чтобы объем, остающийся между ними, был минимален, можно двумя способами.

Первый слой уложим так, чтобы каждый шар соприкасался с шестью другими. Шары второго слоя помещаются над междоузлиями нижнего слоя через одно междоузлие (рис. 20). Если шары третьего слоя поместить прямо над шарами первого слоя, т. е. в узлах типа а, а шары в четвертом — прямо над шарами второго слоя и т. д., то мы получим гексагональную структуру с плотной упаковкой (г. п. у.).

Если же, однако, шары третьего слоя находятся прямо над теми междоузлиями первого слоя, которые не были накрыты сверху шарами второго слоя, т. е. вузлах типа б, шары четвертого слоя помещены прямо над шарами первого и шары пятого слоя — над шарами второго и т.д., то мы получаем г. ц. к. структуру (с направленной вертикально пространственной диагональю куба), ее также называют кубической структурой с плотной упаковкой (рис. 21).

Часть общего объема, запятая твердыми шарами, составляет 0,74 как для кубической, так и для гексагональной структур с плотной упаковкой.

Дата добавления: 2014-12-08