276061768

fizyka wczoraj, dziś i jutro

Kryształy danego materiału należące do obu grup mają oczywiście tę samą strukturę charakterystyczną dla danej substancji, a różnice własności fizycznych (w tym i obrazu dyfrakcyjnego) związane są prawie wyłącznie z uśrednieniem własności kierunkowych charakterystycznych dla monokryształu. Dalsze rozważania w tym artykule dotyczyć będą już tylko monokryształów.

Oczywiście, nie wszystkie ciała stałe można uważać za krystaliczne, czyli o trójwymiarowo uporządkowanej budowie wewnętrznej. Mamy np. szkła - choć często twarde i przezroczyste, są jednak ciałami nieuporządkowanymi wewnętrznie (występuje tylko uporządkowanie w skali poniżej 50 A) i rozkład cząsteczek przypomina stan znany z cieczy; są to ciała bezpostaciowe (amorficzne).

Spotyka się jednak substancje, które chociaż nie mają symetrii translacyjnej (czyli pe-riodyczności), to mimo tego wykazują uporządkowanie dalekiego zasięgu. Są to tzw. kryształy aperiodyczne, czyli kwazikryształy i kryształy niewspółmiernie modulowane. Występujące w nich uporządkowanie daje w obrazie dyfrakcyjnym wyraźne, „ostre” refleksy braggowskie, ale poprawny opis struktury jest możliwy dopiero w przestrzeni o większej liczbie wymiarów (4, 5 lub 6). Dlatego w latach osiemdziesiątych XX wieku wprowadzono nową, uogólnioną definicję kryształu:

kryształ to ciało stałe dające dyskretny (nieciągły) obraz dyfrakcyjny.

Jakże daleko odbiega ta definicja od popularnego, czyli mineralogicznego spojrzenia miłośników kamieni szlachetnych!

Struktura kryształu

Dzisiaj opisu kryształu dokonuje się poprzez opis jego struktury wewnętrznej (rozkładu atomów w krysztale) w stanie równowagi termodynamicznej, czyli przez określenie tzw. struktury kryształu¹⁷. Na szczęście nie musimy podawać położeń (czyli współrzędnych) wszystkich atomów w krysztale. Już w XVII wieku J. Kepler¹⁸ i R. Hooke¹⁹ słusznie podejrzewali, że kryształ jest zbudowany z jednakowych, niewidocznych gołym okiem cegiełek wypełniających przestrzeń w określonym porządku geometrycznym. Taką cegiełkę mającą postać równoległościanu i wypełnioną atomami, jonami lub cząsteczkami nazywamy dziś komórką elementarną²⁰ danego kryształu (rys. 3).

Dla pełnego opisu struktury należy więc podać:

■ a) rozmiary i kształt komórki elementarnej, czyli tzw. parametry sieciowe (długości krawędzi a, b, c i kąty między nimi a, p i y)²¹,

Takie szczegółowe i sprawdzone opisy gromadzone są w specjalnych bazach danych struktur krystalicznych: ICSD - baza struktur kryształów nieorganicznych licząca obecnie 75 tysięcy jednostek, CSD - baza struktur organicznych i białek licząca około 250 tysięcy danych i CRYSTMET - baza metali i związków międzymetalicznych zawierająca informacje o strukturze ponad 70 tysięcy materiałów. Johannes Kepler (1571-1630), niemiecki uczony, nadworny matematyk i astronom cesarza Rudolfa II, jako pierwszy dokonał poprawnego opisu ruchu planet, odkrywca z zakresu optyki i widzenia (m.in. opracował teorię soczewek), wprowadził przecinek w ułamkach dziesiętnych, był jednym z pierwszych obrońców systemu kopernikańskiego.

Robert Hooke (1635-1703), angielski fizyk, profesor geometrii; jeden z twórców mikroskopu, badał zjawiska sprężystości i sformułował prawo Hooke’a; pierwszy wyraził pogląd, że fale świetlne są falami poprzecznymi. Autor wielu odkryć i wynalazków często przypisywanych innym osobom. Gęstym upakowaniem kul wyjaśniał postać zewnętrzną kryształów.

Z. Trzaska-Durski uważa, że ten równoległościan powinien nazywać się komórką zasadniczą lub komórką charakterystyczną, dla odróżnienia od pustej komórki elementarnej sieci przestrzennej. Spotyka się też termin „równoległościan podstawowy”. Fizycy nazywają tę cegiełkę strukturą kryształu, a zamiast „struktury kryształu” używają terminu „sieć krystaliczna” (por. przypis 35).

Dawniej parametry sieci nazywano „stałymi sieciowymi”; dziś już wiadomo, że nie są to wielkości stałe, ale zmieniają się z temperaturą i ciśnieniem.

fizyka w szkole