11.21
Kristal bir katının yapısı, metal olsun ya da olmasın, en iyi birim hücresi olarak adlandırılan en basit tekrarlayan ünitesi göz önünde bulundurularak…
Kristalin bir katının kafes sistemi, birim hücresinin şekli ile tanımlanır. Her kafes sistemi, kafes noktalarının konumları ile ayırt edilen bir veya daha fazla kafes tipini temsil eder. İlkel veya basit bir kafesin yalnızca birim hücresinin köşelerinde kafes noktaları vardır.
Her kafes sistemi ilkel bir kafese sahiptir. Bazı kafes sistemleri, birim hücrelerinin yüzlerinde veya tamamen çevrelenmiş ek kafes noktalarına sahip merkezlenmiş kafeslere de sahiptir. Üç tür merkezleme vardır:gövde merkezli, taban merkezli ve yüz merkezli.
Gövde merkezli, taban merkezli ve yüz merkezli kafesler, sırasıyla birim hücrenin merkezinde, üst ve alt yüzlerde ve altı yüzün her birinde ek kafes noktalarına sahiptir. Bir birim hücredeki bir atomun koordinasyon numarası, doğrudan temas halinde olduğu ilgili komşu atomların veya en yakın komşularının'sayısıdır. En yakın komşular aynı birim hücre içinde veya diğer birim hücrelerde olabilir.
Tüm kafes noktalarında aynı atomların konumlandırıldığı varsayılarak, merkezlenmiş kafesler, ilkel kafeslerden daha yüksek paketleme verimliliklerine ve koordinasyon numaralarına sahiptir. İlkel, gövde merkezli ve yüz merkezli kafesleri içeren kübik kafes sistemini düşünün. Tüm kafes noktalarının aynı atomlar tarafından işgal edildiğini varsayarsak, ilkel bir kübik birim hücre bir atom içerir.
Bu atom aynı katmandan, biri yukarıdaki katmandan ve biri de alttaki katmandan olmak üzere altı atomla temas eder. Vücut merkezli bir kübik birim hücre, birim hücrenin merkezindeki ek atom nedeniyle iki atom içerir. Her atom, sekiz koordinasyon numarası için üstteki katmanda dört ve aşağıdaki katmanda dört atomla temas eder.
Yüz merkezli bir kübik birim hücre, altı yüzdeki atomlar nedeniyle dört atom içerir, bu da birim hücreye atanan üç ek atoma karşılık gelir. Her atom, on iki koordinasyon numarası için önündeki dikey düzlemde dört, kendi düzleminde dört ve arkasındaki düzlemde dört atomla temas eder.
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.