11.21
金属に限らず、結晶性固体の構造は、最も単純な繰り返し単位である単位格子を考えることで理解できます。単位格子は、原子やイオンの位置を表す格子点で構成されています。構造全体は、この単位格子の3次元的な繰り返し構造からなります。立方格子に存在する3種類の単位格子をFigure. 1に示します。
単位格子の…
結晶性固体の格子系は、その単位格子の形状によって定義されます。各ラティスシステムは、ラティスポイントの位置によって区別される1つ以上のラティスタイプを表します。
プリミティブ (単純な) ラティスは、その単位セルの角にのみラティス点を持ちます。各格子系には、プリミティブな格子があります。
一部の格子システムには、中央格子もあり、単位セルの面上または単位セル内に完全に囲まれた追加の格子点があります。センタリングには、ボディ中心、ベース中心、顔中心の3つのタイプがあります。
ボディ中心、ベース中心、および面中心のラティスには、単位セルの中央、上面と下面、および 6 つの面のそれぞれに追加のラティス点があります。
単位格子内の原子の配位数は、直接接触している対象の隣接する原子、またはその「最近傍」の数です。最近傍は、同じ単位セル内にある場合もあれば、他の単位セル内にある場合もあります。
すべての格子点に同一の原子が配置されていると仮定すると、中心格子は原始格子よりも高い充填効率と配位数を持ちます。
原始格子、物体中心格子、および面中心格子を含む3次格子システムについて考えてみます。
すべての格子点が同一の原子によって占められていると仮定すると、原始的な立方体の単位格子には1つの原子が含まれます。この原子は、同じ層から4つの原子に接触し、1つは上の層に、もう1つは下の層に6の配位数で接触します。
体心立方単位格子は、単位格子の中心にある追加の原子のために2つの原子を持っています。各原子は、上の層の4つの原子と下の層の4つの原子に接触し、配位数は8になります。
面心立方体単位格子は、6つの面すべてに原子があるために4つの原子を持ち、これは単位格子に割り当てられる3つの追加の原子に対応します。各原子は、その前の垂直面で4つの原子、それ自身の平面で4つ、そしてその後ろの平面で4つの原子に接触し、配位数は12
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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.