Celula unitară a unei rețele cristaline: definiție și tipuri

Celula unitară a rețelei cristaline este utilizată pentru a descrie microstructura materialelor. Multe proprietăți fizice și chimice ale materiei: duritatea, punctul de topire, conductivitatea electrică și termică, plasticitatea și altele depind de parametrii săi. Tipurile acestor structuri elementare au fost descrise încă din secolul al XIX-lea. Una dintre aceste varietăți este celula primitivă. Pentru a defini o celulă elementară în structura unui material, trebuie îndeplinite o serie de condiții.

Rețeaua cristalină

Toate solidele pot fi clasificate în două tipuri, amorfe și cristaline, în funcție de structura lor internă. O trăsătură distinctivă a din aceasta din urmă este structura organizată specifică a particulelor.

O rețea cristalină este un model tridimensional simplificat al cristalelor solide, care este utilizat pentru a analiza proprietățile acestora în fizică, chimie, biologie, mineralogie și alte științe. Are un aspect de plasă. În nodurile sale se află atomi de substanță. Această serie de puncte are o ordine specifică, care se repetă în mod regulat, specifică fiecărui tip de substanță.

Ce este o celulă elementară?

Celula unitară a unei rețele este cea mai mică unitate a unui solid, care permite caracterizarea proprietăților sale. Ea servește ca bază a rețelei și se repetă de nenumărate ori în rețea.

Acest model este utilizat pentru a simplifica descrierea vizuală a structurii interne structura cristalină. Acesta utilizează un sistem de 3 axe de coordonate cristalografice care diferă de cele ortogonale obișnuite prin faptul că sunt segmente finite de o anumită dimensiune. Unghiurile dintre axe pot fi de 90° sau indirecte.

Dacă umpleți dens un anumit volum cu celule unitare, puteți obține un monocristal perfect. În practică, policristalele care constau din mai multe structuri regulate delimitate spațial sunt mai frecvente.

Tipuri

În știință există 14 tipuri de celule de rețea elementară cu geometrie unică. Ele au fost descrise pentru prima dată de fizicianul francez Auguste Bravais în 1848. Este considerat fondatorul cristalografiei.

Aceste tipuri de structuri elementare ale rețelei cristaline sunt grupate în 7 categorii, numite syngonii, în funcție de raportul dintre lungimile laturilor și egalitatea unghiurilor:

• cubic;
• tetragonal;
• ortorombic;
• romboedrică
• hexagonal;
• triclinic.

Cea mai simplă și cea mai comună dintre acestea în natură este prima categorie, care la rândul ei este împărțită în 3 tipuri de rețele:

• cubică simplă. Toate particulele (și pot fi atomi, electricitate particule încărcate sau molecule) se află la vârfurile unui cub. Aceste particule sunt identice. Fiecare celulă unitară conține 1 atom (8 vârfuri × 1/8 dintr-un atom = 1).
• Volumetric centrat cubic. Diferă de modelul anterior prin faptul că mai are o particulă în centrul cubului. La fiecare celulă există 2 atomi de materie.
• Cubic centrat pe față. Particulele sunt conținute în vârfurile celulei unitare, precum și în centrul tuturor fețelor. Fiecare celulă unitară are 4 atomi.

Celula primitivă

O celulă elementară se numește celulă primitivă dacă particulele sale sunt localizate numai în vârful rețelei și sunt absente în alte locuri. Volumul său este minim în comparație cu alte tipuri de celule. În practică, se dovedește adesea a fi o simetrie redusă (de exemplu, celula unitară Wigner-Seitz).

În cazul celulelor neprimitive, atomul din centrul volumului împarte celula în 2 sau 4 părți egale. Într-o structură centrată pe față, are loc împărțirea în 8 părți. Metalografia utilizează noțiunea de celulă elementară mai degrabă decât cea de celulă primitivă, deoarece simetria primei permite o descriere mai completă a structurii cristaline a unui material.

Semne

Toate cele 14 tipuri de celule unitare au proprietăți comune:

• acestea sunt cele mai simple structuri repetitive din cristal;
• fiecare centru al rețelei este format dintr-o singură particulă, numită nod de rețea;
• nodurile celulei sunt conectate între ele prin linii drepte, care formează geometria cristalului;
• laturile opuse sunt paralele;
• Simetria celulei unitare corespunde simetriei întregii rețele cristaline.

Alegerea structurii celulei unitare este guvernată de câteva reguli. Trebuie să aibă:

• au cel mai mic volum și cea mai mică suprafață;
• cel mai mare număr de muchii și unghiuri identice între ele;
• unghiuri drepte (dacă este posibil);
• simetrie spațială care reflectă simetria întregii rețele.

Volum

Volumul unei celule unitare se determină în funcție de forma sa geometrică. Pentru singonia cubică, se calculează ca lungime a feței (distanța intercentrală a atomilor) ridicată la puterea a treia. Pentru singonia hexagonală, volumul poate fi determinat cu ajutorul formulei de mai jos:

unde a și c sunt parametrii rețelei, măsurați în angstromi.

În practică, parametrii rețelei sunt calculați pentru a determina structura unui compus, masa unui atom (pe baza greutății volumului și a numărului Avogadro) sau raza acestuia.