Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кристалликалық материалдағы атомдардың, иондардың немесе молекулалардың реттелген орналасуы.
Ordered arrangement of atoms, ions, or molecules in a crystalline material
Кристаллографияда кристалл құрылымы – кристалл материалдағы атомдардың, иондардың немесе молекулалардың реттелген орналасуын сипаттау. Реттелген құрылымдар, заттағы үш өлшемді кеңістіктің басты бағыттары бойынша қайталанатын симметриялық үлгілерді құру үшін құраушы бөлшектердің ішкі ерекшеліктерінен туындайды. Бұл қайталанатын үлгіні құрайтын материалдағы ең кішкентай бөлшектер тобы – құрылымның элементар жасушасы болып табылады. Элементар жасуша кристаллдың симметриясы мен құрылымын толыққанды көрсетеді, ол элементар жасушаның басты осьтері бойынша қайталанатын трансляция арқылы салынады. Трансляция векторлары Бравайс торының түйіндерін анықтайды. Элементар жасушаның басты осьтерінің немесе қабырғаларының ұзындығы және олардың арасындағы бұрыштар – тор тұрақтылары, сондай-ақ тор параметрлері немесе жасуша параметрлері деп те аталады. Кристаллдың симметриялық қасиеттері кеңістіктік топтар түсінігімен сипатталады. Элементар жасушаның геометриясы параллелепипед ретінде анықталады, ол жасуша қабырғаларының ұзындығы (a, b, c) және олардың арасындағы бұрыштар (α, β, γ) түрінде берілген алты тор параметрін қамтиды. Элементар жасуша ішіндегі бөлшектердің орналасуы жасуша қабырғалары бойындағы фракциялық координаттармен (xi, yi, zi) сипатталады, бұл координаттар эталондық нүктеден өлшенеді. Осылайша, кристаллдық асимметриялық бірлік деп аталатын бөлшектердің ең кішкентай асимметриялық жиынтығының координаттарын ғана көрсету жеткілікті. Асимметриялық бірлік ең кішкентай физикалық кеңістікті иеленетіндей етіп таңдалуы мүмкін, яғни барлық бөлшектер тор параметрлерімен белгіленген шекаралар ішінде физикалық түрде орналасқан болуы міндетті емес. Элементар жасушаның қалған барлық бөлшектері элементар жасушаның симметриясын сипаттайтын симметрия операциялары арқылы туындайды. Элементар жасушаның симметрия операцияларының жиынтығы кристалл құрылымының кеңістіктік тобы ретінде формальды түрде көрсетіледі.
In crystallography, crystal structure is a description of the ordered arrangement of atoms, ions, or molecules in a crystalline material. Ordered structures occur from the intrinsic nature of the constituent particles to form symmetric patterns that repeat along the principal directions of three dimensional space in matter. The smallest group of particles in the material that constitutes this repeating pattern is the unit cell of the structure. The unit cell completely reflects the symmetry and structure of the entire crystal, which is built up by repetitive translation of the unit cell along its principal axes. The translation vectors define the nodes of the Bravais lattice. The lengths of the principal axes, or edges, of the unit cell and the angles between them are the lattice constants, also called lattice parameters or cell parameters. The symmetry properties of the crystal are described by the concept of space groups. The geometry of the unit cell is defined as a parallelepiped, providing six lattice parameters taken as the lengths of the cell edges (a, b, c) and the angles between them (α, β, γ). The positions of particles inside the unit cell are described by the fractional coordinates (xi, yi, zi) along the cell edges, measured from a reference point. It is thus only necessary to report the coordinates of a smallest asymmetric subset of particles, called the crystallographic asymmetric unit. The asymmetric unit may be chosen so that it occupies the smallest physical space, which means that not all particles need to be physically located inside the boundaries given by the lattice parameters. All other particles of the unit cell are generated by the symmetry operations that characterize the symmetry of the unit cell. The collection of symmetry operations of the unit cell is expressed formally as the space group of the crystal structure.
Симметрия бойынша жіктеу
Кристаллдың ерекше қасиеті – оның ішкі симметриясы. Кристалл торында белгілі бір симметриялық амалдар орындалғанда оның құрылымы өзгермейді. Барлық кристалдар үш бағытта трансляциялық симметрияға ие, бірақ кейбіреулерінде басқа симметрия элементтері де болады. Мысалы, кристалды белгілі бір осьтің шамасымен 180° бұрғанда бастапқы конфигурациямен сәйкес келетін атомдық құрылым пайда болуы мүмкін; мұндай жағдайда кристалл осы ось бойынша екі есе айналу симметриясына ие. Айналу симметриясынан өзге, кристалл айна жазықтықтары түрінде симметрияға және сондай-ақ трансляция мен айналу немесе айна симметриясының үйлесімінен құралған күрделі симметрияларға да ие болуы мүмкін. Кристаллдың толық жіктелуі оның барлық ішкі симметриялары анықталғанда жүзеге асырылады.
The defining property of a crystal is its inherent symmetry. Performing certain symmetry operations on the crystal lattice leaves it unchanged. All crystals have translational symmetry in three directions, but some have other symmetry elements as well. For example, rotating the crystal 180° about a certain axis may result in an atomic configuration that is identical to the original configuration; the crystal has twofold rotational symmetry about this axis. In addition to rotational symmetry, a crystal may have symmetry in the form of mirror planes, and also the so called compound symmetries, which are a combination of translation and rotation or mirror symmetries. A full classification of a crystal is achieved when all inherent symmetries of the crystal are identified.
Көшірулер
Кристалл тордағы дислокациялар – жергілікті кернеу өрістерімен байланысты сызықтық ақаулар. Дислокациялар мінсіз кристалл құрылымына қажеттіден төменгі кернеуде серпілуге мүмкіндік береді. Жергілікті кернеу өрістері дислокациялардың бір-бірімен әрекеттесуіне алып келеді, нәтижесінде материал қатаюы немесе суық өңдеу процесі жүзеге асырылады.
Dislocations in a crystal lattice are line defects that are associated with local stress fields. Dislocations allow shear at lower stress than that needed for a perfect crystal structure. The local stress fields result in interactions between the dislocations which then result in strain hardening or cold working.
Астық шекаралары
Дән шекаралары – әртүрлі бағытталған кристалдар кездесетін интерфейстер. Паулинг металдардағы атомдар аралық күштердің сипатын да қарастырды және өтпелі металдардағы бес d орбитальдың шамамен жартысы байланысқа қатысады, ал қалған байланыспаған d орбитальдар магниттік қасиеттерге жауапты. Паулинг байланыс құрылысындағы d орбитальдар санын байланыстың ұзындығымен, сондай-ақ заттың көптеген физикалық қасиеттерімен байланыстыра алды. Ол кейіннен металл орбиталын енгізді – әртүрлі электрондық құрылымдар арасындағы валенттілік байланыстарының кедергісіз резонансына мүмкіндік беру үшін қажетті қосымша орбитал. Резонанстық валенттілік байланыс теориясында металл немесе металдар аралық қосылыстың баламалы кристалдық құрылымдарының бірін таңдауды анықтайтын факторлар атомдар аралық кеңістіктегі байланыстардың резонанстық энергиясымен байланысты. Резонанстың кейбір түрлері үлкен үлес қосатыны (басқаларына қарағанда механикалық тұрғыдан тұрақтырақ болатыны) және ерекше жағдайда байланыстар саны мен кеңістіктер санының қарапайым қатынасының болатыны анық. Соның салдарынан, ерекше тұрақтылық ең қарапайым қатынастармен немесе «байланыс сандарымен» байланысты: 1/2, 1/3, 2/3, 1/4, 3/4 және т.б. Құрылымды таңдау және осьтік қатынастың мәні (байланыс ұзындығын анықтайды) – атомның тұрақты байланыстарды құру үшін өзінің валенттілігін пайдалануға бағытталған әрекетінің нәтижесі. Бета фазалық қорытпаларда электрондық концентрация мен кристалдық құрылым арасындағы тікелей байланысты болжағаннан кейін, Хьюм-Ротери металл күйіндегі өтпелі элементтердің валенттілік жүйесін анықтау үшін периодтық кестедегі топ санына байланысты балқу температурасы, сығымдылық және байланыс ұзындығының өзгерістерін талдады. Бұл тәсіл топ санының өсуімен байланыстың күшеюін көрсетті. Бағытталған күштердің ролі байланыс гибридтері мен металл құрылымдары арасындағы байланыс туралы мақалада баса көрсетілді. Электрондық және кристалдық құрылымдар арасындағы осы байланыс гибридтелген металл орбитасына шаққандағы d электрондарының салмағымен сипатталады. «d салмағы» fcc, hcp және bcc құрылымдары үшін сәйкесінше 0.5, 0.7 және 0.9 шамасына тең. Осылайша, d электрондары мен кристалдық құрылым арасындағы байланыс анық көрінеді. Кристалдық құрылымды болжау/модельдеуде жүйе барлық бағытта шексіз деп есептелгендіктен, әдетте периодтылық қолданылады. Симметрияның қосымша қасиеттері жоқ триклиникалық құрылымнан бастап, жүйеге Ньютонның екінші заңы бойынша бөлшектерге және жүйелік кезең векторлары үшін жаңадан әзірленген динамикалық теңдеуді қолдану арқылы (жатырша параметрлері бұрыштарын қоса алғанда) қосымша симметрия қасиеттерін дамытуға мүмкіндік беруге болады, тіпті жүйе сыртқы кернеуге түскен жағдайда да.
Grain boundaries are interfaces where crystals of different orientations meet. Pauling also considered the nature of the interatomic forces in metals, and concluded that about half of the five d orbitals in the transition metals are involved in bonding, with the remaining nonbonding d orbitals being responsible for the magnetic properties. Pauling was therefore able to correlate the number of d orbitals in bond formation with the bond length, as well as with many of the physical properties of the substance. He subsequently introduced the metallic orbital, an extra orbital necessary to permit uninhibited resonance of valence bonds among various electronic structures. In the resonating valence bond theory, the factors that determine the choice of one from among alternative crystal structures of a metal or intermetallic compound revolve around the energy of resonance of bonds among interatomic positions. It is clear that some modes of resonance would make larger contributions (be more mechanically stable than others), and that in particular a simple ratio of number of bonds to number of positions would be exceptional. The resulting principle is that a special stability is associated with the simplest ratios or "bond numbers": 1/2, 1/3, 2/3, 1/4, 3/4, etc. The choice of structure and the value of the axial ratio (which determines the relative bond lengths) are thus a result of the effort of an atom to use its valency in the formation of stable bonds with simple fractional bond numbers. After postulating a direct correlation between electron concentration and crystal structure in beta phase alloys, Hume Rothery analyzed the trends in melting points, compressibilities and bond lengths as a function of group number in the periodic table in order to establish a system of valencies of the transition elements in the metallic state. This treatment thus emphasized the increasing bond strength as a function of group number. The operation of directional forces were emphasized in one article on the relation between bond hybrids and the metallic structures. The resulting correlation between electronic and crystalline structures is summarized by a single parameter, the weight of the d electrons per hybridized metallic orbital. The "d weight" calculates out to 0.5, 0.7 and 0.9 for the fcc, hcp and bcc structures respectively. The relationship between d electrons and crystal structure thus becomes apparent. In crystal structure predictions/simulations, the periodicity is usually applied, since the system is imagined as being unlimited in all directions. Starting from a triclinic structure with no further symmetry property assumed, the system may be driven to show some additional symmetry properties by applying Newton's Second Law on particles in the unit cell and a recently developed dynamical equation for the system period vectors
(lattice parameters including angles), even if the system is subject to external stress.
Полиморфизм
Полиморфизм – материалдың бірнеше кристалдық түрлерінің кездесуі. Ол көптеген кристалл материалдарда, соның ішінде полимерлерде, минералдарда және металдарда табалады. Гиббстің фазалық тепе-теңдік ережесіне сәйкес, осы ерекше кристалдық фазалар қысым және температура сияқты интенсивті айнымалыларға тәуелді. Полиморфизм элементтік қатты денелерді сипаттайтын аллотропиямен байланысты. Материалдың толық морфологиясы полиморфизммен қатар, кристалл пішіні, аморфты үлесі немесе кристаллографиялық ақаулар сияқты басқа да айнымалылармен сипатталады. Полиморфтар әртүрлі тұрақтылыққа ие және белгілі бір температурада метастабильді (немесе термодинамикалық тұрақсыз) түрінен тұрақты түріне спонтанды және қайтымсыз түрленуі мүмкін. Олар әртүрлі балқу температураларын, ерігіштігін және рентген сәулелерінің дифракциялық суреттерін көрсетеді. Мұның бір жақсы мысалы – кремний диоксидінің кварц түрі, яғни SiO2. Көптеген силикаттарда Si атомы 4 оттегімен тетраэдрлік координацияны көрсетеді. Кварцтан басқа барлық кристалл түрлерінде {SiO4} тетраэдрлік бірліктері болады, олар әртүрлі орналасуларда ортақ төбелерімен байланысқан. Әртүрлі минералдарда тетраэдрлер әртүрлі желілер мен полимерлену дәрежесін көрсетеді. Мысалы, олар жеке, жұптарда, сақиналарды қоса алғанда, үлкен шекті кластерлерде, тізбектерде, қос тізбектерде, қабаттарда және үш өлшемді құрылымдарда кездеседі. Минералдар осы құрылымдарға сәйкес топтарға жіктеледі. Кристалдық кварцтың термодинамикалық тұрақты 7 кристалдық түрінің немесе полиморфтарының әрқайсысында {SiO4} тетраэдрінің қабырғаларының тек 2-еуі ғана басқаларымен ортақ, бұл кремний диоксидінің химиялық формуласын береді: SiO2. Тағы бір мысал – элементтік қалайы (Sn), ол бөлме температурасына жуық температурада иілгіш, бірақ салқындатылғанда сынғыш болады. Бұл механикалық қасиеттердегі өзгеріс оның екі негізгі аллотропының – α және β қалайының болуына байланысты. Қалыпты қысым мен температурада кездесетін екі аллотроп, α қалайы және β қалайы, көбінесе сұр қалайы және ақ қалайы деп аталады. Тағы екі аллотроп, γ және σ, 161 °C жоғары температурада және бірнеше ГПа жоғары қысымда табылады. Ақ қалайы металл және бөлме температурасында немесе одан жоғары тұрақты кристалдық форма болып табылады. 13,2 °C төмен температурада қалайы сұр түрінде болады, ол алмазға, кремнийге немесе германийге ұқсас алмастық кристалдық құрылымға ие. Сұр қалайының металдық қасиеттері жоқ, ол көк түсті ұнтақ материал және жартылай өткізгіштің кейбір арнайы қолдануларынан басқа пайдаланбайды. α–β трансформация температурасы қалайы үшін шамамен 13,2 °C болғанымен, қоспалар (мысалы, Al, Zn және т.б.) осы ауысу температурасын 0 °C төмен түсіреді, ал Sb немесе Bi қосылғанда трансформация мүлдем жүрмейді.
Polymorphism is the occurrence of multiple crystalline forms of a material. It is found in many crystalline materials including polymers, minerals, and metals. According to Gibbs' rules of phase equilibria, these unique crystalline phases are dependent on intensive variables such as pressure and temperature. Polymorphism is related to allotropy, which refers to elemental solids. The complete morphology of a material is described by polymorphism and other variables such as crystal habit, amorphous fraction or crystallographic defects. Polymorphs have different stabilities and may spontaneously and irreversibly transform from a metastable form (or thermodynamically unstable form) to the stable form at a particular temperature. They also exhibit different melting points, solubilities, and X ray diffraction patterns. One good example of this is the quartz form of silicon dioxide, or SiO2. In the vast majority of silicates, the Si atom shows tetrahedral coordination by 4 oxygens. All but one of the crystalline forms involve tetrahedral {SiO4} units linked together by shared vertices in different arrangements. In different minerals the tetrahedra show different degrees of networking and polymerization. For example, they occur singly, joined together in pairs, in larger finite clusters including rings, in chains, double chains, sheets, and three dimensional frameworks. The minerals are classified into groups based on these structures. In each of the 7 thermodynamically stable crystalline forms or polymorphs of crystalline quartz, only 2 out of 4 of each the edges of the {SiO4} tetrahedra are shared with others, yielding the net chemical formula for silica: SiO2. Another example is elemental tin (Sn), which is malleable near ambient temperatures but is brittle when cooled. This change in mechanical properties due to existence of its two major allotropes, α and β tin. The two allotropes that are encountered at normal pressure and temperature, α tin and β tin, are more commonly known as gray tin and white tin respectively. Two more allotropes, γ and σ, exist at temperatures above 161 °C and pressures above several GPa. White tin is metallic, and is the stable crystalline form at or above room temperature. Below 13.2 °C, tin exists in the gray form, which has a diamond cubic crystal structure, similar to diamond, silicon or germanium. Gray tin has no metallic properties at all, is a dull gray powdery material, and has few uses, other than a few specialized semiconductor applications. Although the α–β transformation temperature of tin is nominally 13.2 °C, impurities (e. g. Al, Zn, etc.) lower the transition temperature well below 0 °C, and upon addition of Sb or Bi the transformation may not occur at all.
Физикалық қасиеттері
32 кристалл класының жиырмасы пьезоэлектрлік, және осы кластардың біріне жататын кристалдар (нүктелік топтар) пьезоэлектрлік қасиет көрсетеді. Барлық пьезоэлектрлік кластарда инверсиялық симметрия болмайды. Кез келген материал электр өрісі қолданылғанда диэлектрлік поляризацияны дамытады, бірақ өріс болмағанда да табиғи зарядтың бөлінуіне ие зат полярлы материал деп аталады. Материалдың полярлы болуы немесе болмауы оның кристалл құрылымымен ғана анықталады. 32 нүктелік топтың тек 10-ы ғана полярлы. Барлық полярлы кристалдар пироэлектрлік, сондықтан 10 полярлы кристалл класын кейде пироэлектрлік кластар деп атайды. Перовскит құрылымы сияқты бірнеше кристалл құрылымдары ферроэлектрлік мінез-құлық көрсетеді. Бұл ферромагнетизмге ұқсас, себебі өндіріс кезінде электр өрісі болмаған жағдайда ферроэлектрлік кристалл поляризацияланбайды. Жеткілікті күшті электр өрісі қолданғаннан кейін кристалл тұрақты поляризацияланады. Бұл поляризацияны ферромагниттің кері айналуы сияқты, жеткілікті үлкен қарсы зарядпен кері айналдыруға болады. Дегенмен, олар ферроэлектрик деп аталғанымен, бұл әсер кристалл құрылысына байланысты (темір металдың болуына емес).
Twenty of the 32 crystal classes are piezoelectric, and crystals belonging to one of these classes (point groups) display piezoelectricity. All piezoelectric classes lack inversion symmetry. Any material develops a dielectric polarization when an electric field is applied, but a substance that has such a natural charge separation even in the absence of a field is called a polar material. Whether or not a material is polar is determined solely by its crystal structure. Only 10 of the 32 point groups are polar. All polar crystals are pyroelectric, so the 10 polar crystal classes are sometimes referred to as the pyroelectric classes. There are a few crystal structures, notably the perovskite structure, which exhibit ferroelectric behavior. This is analogous to ferromagnetism, in that, in the absence of an electric field during production, the ferroelectric crystal does not exhibit a polarization. Upon the application of an electric field of sufficient magnitude, the crystal becomes permanently polarized. This polarization can be reversed by a sufficiently large counter charge, in the same way that a ferromagnet can be reversed. However, although they are called ferroelectrics, the effect is due to the crystal structure (not the presence of a ferrous metal).