11.21
המבנה של מוצק קריסטלי, בין אם הוא מתכת או לא, מתואר בצורה הטובה ביותר על ידי התחשבות ביחידה החוזרת הפשוטה ביותר שלו, המכונה כתא היחידה שלו. תא היחידה…
מערכת הסריג של מוצק גבישי מוגדרת על פי צורת תא היחידה שלו. כל מערכת סריג מייצגת סוג אחד או יותר של סריג, המובחנים זה מזה במיקום של נקודות הסריג. לסריג פרימיטיבי, או פשוט, יש נקודות סריג רק בפינות של תא היחידה שלו.
בכל מערכת סריג יש סריג פרימיטיבי. בחלק ממערכות הסריג יש גם סריגים ממורכזים, עם נקודות סריג נוספות בפאות או לחלוטין בתוך יחידות התא. קיימים שלושה סוגי מרכוז:ממורכז גוף, ממורכז בסיס או ממורכז פאה.
לסריגים ממורכזי גוף, בסיס או פאה יש נקודות סריג נוספות במרכז תא היחידה, בפאות העליונות והתחתונות, ובכל אחת משש הפאות בהתאמה. מספר הקואורדינציה של אטום ביחידת תא הוא מספר האטומים השכנים של האטום הרלוונטי, שאיתם הוא בא במגע ישיר, או שכנים קרובים"השכנים הקרובים יכולים להיות באותו תא יחידה או בתאי יחידה אחרים. כשמספר האטומים בכל נקודות הסריג זהה, סריגים ממורכזים הם בעלי יעילות אריזה רבה יותר ומספרי קואורדינציה גבוהים יותר מאשר סריגים פרימיטיביים.
קחו לדוגמה את מערכת הסריג הקובייתית הכוללת סריגים פרימיטיביים, ממורכזי גוף וממורכזי פאה. בהנחה שכל נקודות הסריג מאוכלסות באטומים זהים, תא יחידה קובייתי פרימיטיבי מכיל אטום אחד. אטום זה נמצא במגע עם ארבעה אטומים מאותה שכבה, אחד בשכבה שמעליו ואחד בשכבה שמתחתיו, ומספר הקואורדינציה שלו הוא שש.
לתא יחידה קובייתי ממורכז גוף יש שני אטומים בשל האטום הנוסף במרכז תא היחידה. כל אטום בא במגע עם ארבעה אטומים בשכבה שמעליו ועם ארבעה בשכבה שתחתיו, ומספר הקואורדינציה שלו הוא שמונה. לתא יחידה קובייתי ממורכז פאה יש ארבעה אטומים בזכות האטומים בכל שש הפאות, בהתאמה לשלושה אטומים נוספים המוקצים לתא היחידה.
כל אטום בא במגע עם ארבעה אטומים במישור האנכי שלפניו, ארבעה במישור שלו וארבעה במישור שמאחוריו, ומספר הקואורדינציה שלו הוא 12.
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.