11.21
أفضل وصف لبنية المادة الصلبة المتبلورة، سواء كان معدنًا أم لا، هو النظر في أبسط وحدة مكررة، والتي يشار إليها باسم خلية الوحدة. تتكون خلية الوحدة من نق…
نظام الشبكية للمواد الصلبة البلورية يُحدده شكل وحدة الخلية. يمثل كل نظام شبكي،نوع أو أكثر من أنواع الشبكات،والتي تُميزها مواضع النقاط الشبكية. في نظام شبكي بدائي أو بسيط،توجد نقاط الشبكة فقط على زوايا وحدة الخلية.
في كل نظام شبكي يوجد شبكة اولية. بعض الأنظمة الشبكية فيها شبكة مركزية،والتي تحتوي على نقاط شبكية إضافية على واجهات وحدات الخلية أو منغلقة بالكامل داخل وحدات الخلية. توجد ثلاثة أنواع من التمركز:التمركز في الجسم،والتمركز في القاعدة،والتمركز في الواجهة.
الشبكات المتمركزة في الجسم،وفي القاعدة،وفي الواجهة،تحتوي على نقاط شبكية إضافية في مركز وحدة الخلية،على الواجهتين السفلية والعلوية،وعلى كل واجهة من الواجهات الست،على التوالي. العدد التناسقي لذرة داخل وحدة خلية،هو عدد الذرات المجاورة المعنية،التي تتصل بها اتصالًا مباشرًا،أو جاراتها الأقرب من بين الذرات. قد تكون الجارات الأقرب ضمن نفس وحدة الخلية،أو في وحدات خلية أخرى.
لو افترضنا أن ذرات متطابقة وُضعت على جميع النقاط الشبكية،فإن الشبكات المركزية تكون أكثر فاعلية من حيث التجميع وتكون أعدادها التناسقية أعلى من الشبكات الاولية. لنتأمل نظام الشبكة المكعب،الذي يحتوي على شبكات اولية،وأخرى متمركز في جسم الخلية،وثالثة متمركزة على الواجهات. لو افترضنا ذرات متطابقة وُضعت في جميع النقاط الشبكية،لوجدنا أن وحدة الخلية المكعبة الاولية،تحتوي على ذرة واحدة.
هذه الذرة متصلة بأربع ذرات من الطبقة ذاتها،وذرة واحدة من الطبقة التي فوقها،وواحدة من الطبقة التي تحتها،ليكون عددها التناسقي ستة. أما وحدة الخلية المتمركزة في الجسم فتحتوي على ذرتين،بفضل الذرة الإضافية وسط وحدة الخلية. كل من الذرتين متصلة بأربع ذرات من الطبقة التي فوقها،وأربعة أخرى من الطبقة التي تحتها،ليكون عددها التناسقي ثمانية.
بينما وحدة الخلية المكعبة المتمركزة على الواجهات فتحتوي على أربع ذرات بفضل الذرات على الواجهات الست،وهذا يتناسق مع ثلاث ذرات إضافية تُعيّن لوحدة الخلية. كل ذرة متصلة بأربع ذرات على السطح العمودي الذي أمامها،وأربعة على سطحها نفسه،وأربعة على السطح الذي خلفها،ليكون عددها التناسقي اثني عشر.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is the difference between a primitive lattice and a centered lattice?
A primitive lattice has lattice points only at the corners of its unit cell, while centered lattices have additional lattice points either at the center, on faces, or on specific faces. Centered lattices include body-centered, face-centered, and base-centered types. Centered lattices achieve higher packing efficiencies and coordination numbers than primitive lattices.
Q2: How many atoms are contained in a face-centered cubic unit cell?
A face-centered cubic unit cell contains four atoms. This comes from one-eighth of an atom at each of the eight corners, totaling one atom, plus one-half of an atom on each of the six faces, totaling three atoms. Face-centered cubic structures pack atoms most efficiently, occupying 74% of the total volume.
Q3: What is coordination number and how does it differ among cubic lattice types?
Coordination number is the count of nearest neighbor atoms in direct contact with a given atom. In primitive cubic structures, coordination number is six. Body-centered cubic atoms have a coordination number of eight, while face-centered cubic atoms have a coordination number of twelve, reflecting increasingly efficient packing arrangements.
Q4: Why do body-centered cubic structures pack more efficiently than simple cubic structures?
Body-centered cubic structures have an additional atom positioned at the center of the unit cell. This central atom contacts all corner atoms, creating more efficient space utilization. Body-centered cubic solids occupy approximately 68% of total volume compared to only 52% for simple cubic structures, demonstrating superior packing efficiency.
Q5: How are atoms arranged in a simple cubic lattice?
In a simple cubic lattice, atoms are positioned at the corners of a cubic unit cell, with each atom contacting four neighbors in its own layer, one above, and one below. A simple cubic unit cell contains one atom total. This arrangement represents the least efficient packing, filling only about 52% of the container volume.
Q6: What determines the number of atoms in a cubic unit cell?
The number of atoms in a cubic unit cell depends on lattice centering. Corner atoms contribute one-eighth each since eight unit cells share each corner atom. Face-centered atoms contribute one-half each since two unit cells share each face atom. Center atoms contribute fully. Primitive cubic has one atom, body-centered has two, and face-centered has four atoms.
Q7: How does packing efficiency relate to lattice structure type?
Packing efficiency increases with lattice centering. Primitive cubic structures pack at 52% efficiency. Body-centered cubic structures achieve 68% efficiency through central atom placement. Face-centered cubic structures achieve maximum efficiency at 74%, with atoms occupying nearly three-quarters of available volume, making them the most densely packed cubic arrangement.