11.21
금속이든 아니든 결정성 고체의 구조는 단위 세포라고 하는 가장 간단한 반복 단위를 고려하여 가장 잘 설명됩니다. 단위 세포는 원자나 이온의 위치를 나타내는 격자점으로 구성됩니다. 그러면 전체 구조는 3차원으로 반복되는 단위 세포로 구성됩니다. 입방 격자에 존재하는 세…
결정 고체의 격자 체계는 그것의 단위 세포의 모양에 의해 정의됩니다. 각 격자계는 하나 이상의 격자 유형을 나타내며 유형은 격자점의 위치로 구분됩니다. 원시적인 또는 단순 격자는 단위 세포의 모서리에만 격자점이 있습니다.
각 격자 시스템에는 원시 격자가 있습니다. 일부 격자 시스템은 또한 중심 격자를 가지고 있으며 이 중심 격자는 단위 세포 내에 완전히 둘러싸인 추가 격자점 또는 표면위에 추가 격자 점을 가지고 있습니다. 중심에는 체심, 저심, 면심의 세 가지 유형이 있습니다.
체심, 저심, 면심 격자는 각각 단위 세포의 중심, 상단 및 하단 면, 그리고 6개의 면 각각에 추가적인 격자점을 가지고 있습니다. 단위 세포에서 원자의 배위수는 원자가 직접 접촉하는 인접 원자 또는 가장 가까운 이웃'원자의 개수입니다. 가장 가까운 이웃 원자는 동일한 단위 세포 내에 있거나 다른 단위 세포에 있을 수 있습니다.
모든 격자점에 동일한 원자가 위치한다고 가정하면 중심 격자는 원시 격자에 비해 패킹 효율성과 배위수가 높습니다. 원시 격자, 체심 격자, 면심 격자를 포함하는 입방 격자 시스템을 생각해 보십시오. 모든 격자점이 동일한 원자에 의해 점유된다고 가정하면 원시 입방 단위 세포는 하나의 원자를 포함합니다.
이 원자는 6의 배위수에 대하여 층의 위와 아래에서 같은 층에 있는 네 개의 원자와 접촉합니다. 체심 입방체 단위 세포는 단위 셀의 중심에 추가적인 원자에 의해 두 개의 원자를 가지고 있습니다. 각 원자는 8의 배위수에 대하여 위의 층에서 네 개의 원자, 아래 층에서 네 개의 원자와 접촉합니다.
면심 입방체 단위 세포는 6개의 면 모두에 있는 원자에 의해 4개의 원자를 가지고 있는데 이것은 단위 세포에 할당되는 3개의 추가 원자에 해당합니다. 각 원자는 12의 배위수에 대해 전방 수직면에서 네 개의 원자, 자체 평면에서 네 개, 뒷면에서 네 개의 원자와 접촉합니다.
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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.