Prof. nzw. dr hab. Jarosław Mizera & dr inż. Joanna Zdunek

Podobne dokumenty
STRUKTURA MATERIAŁÓW

Rozwiązanie: Zadanie 2

Podstawowe pojęcia opisujące sieć przestrzenną

BUDOWA KRYSTALICZNA CIAŁ STAŁYCH. Stopień uporządkowania struktury wewnętrznej ciał stałych decyduje o ich podziale

Aby opisać strukturę krystaliczną, konieczne jest określenie jej części składowych: sieci przestrzennej oraz bazy atomowej.

STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO

STRUKTURA MATERIAŁÓW. Opracowanie: Dr hab.inż. Joanna Hucińska

Podstawy krystalochemii pierwiastki

KRYSTALOGRAFIA Studia pierwszego stopnia, stacjonarne II rok

Położenia, kierunki, płaszczyzny

Wstęp. Krystalografia geometryczna

Projekcje (rzuty) Sferyczna, stereograficzna, cyklograficzna,...

Wykład 5. Komórka elementarna. Sieci Bravais go

STRUKTURA KRYSTALICZNA

STRUKTURA IDEALNYCH KRYSZTAŁÓW

Układy krystalograficzne

Elementy symetrii makroskopowej.

MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I. dr inż. Hanna Smoleńska

Rodzina i pas płaszczyzn sieciowych

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział

Uniwersytet Śląski Instytut Chemii Zakład Krystalografii. Laboratorium z Krystalografii. 2 godz. Komórki Bravais go

Fizyka Ciała Stałego

Elementy teorii powierzchni metali

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

MATERIA. = m i liczby całkowite. ciała stałe. - kryształy - ciała bezpostaciowe (amorficzne) - ciecze KRYSZTAŁY. Periodyczność

Międzynarodowe Tablice Krystalograficzne (International Tables for Crystallography)

Międzynarodowe Tablice Krystalograficzne (International Tables for Crystallography)

S 2, C 2h,D 2h,D 3d,D 4h, D 6h, O h

Elementy teorii powierzchni metali

Konwersatorium z chemii ciała stałego Specjalność: chemia budowlana ZESTAW 3. Symetria makro- i mikroskopowa

SUROWCE I RECYKLING. Wykład 2

Układ regularny. Układ regularny. Możliwe elementy symetrii: Możliwe elementy symetrii: 3 osie 3- krotne. m płaszczyzny przekątne.

Sieć przestrzenna. c r. b r. a r. komórka elementarna. r r

Krystalografia. Typowe struktury pierwiastków i związków chemicznych

Kombinacje elementów symetrii. Klasy symetrii.

STEREOMETRIA CZYLI GEOMETRIA W 3 WYMIARACH

KRYSTALOGRAFIA Crystallography. Poziom przedmiotu Studia I stopnia Liczba godzin/tydzień 2W, 1Ćw PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

GEOMETRIA ANALITYCZNA W PRZESTRZENI

Krystalografia i krystalochemia Wykład 15 Repetytorium

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Nauka o Materiałach Wykład II Monokryształy Jerzy Lis

Wektory, układ współrzędnych

GEOMETRIA PRZESTRZENNA (STEREOMETRIA)

STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej. Mateusz Goryca

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: JFT s Punkty ECTS: 4. Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

3.3. dwie płaszczyzny równoległe do siebie α β Dwie płaszczyzny równoległe do siebie mają ślady równoległe do siebie

Bezpośredni opiekunowie laboratorium: Prof. dr hab. Marek Szafrański. Prof. dr hab. Maciej Kozak, dr Marceli Kaczmarski.

Krystalochemia białek 2016/2017

Symetria w fizyce materii

Wykład II Sieć krystaliczna

Pytania do spr / Własności figur (płaskich i przestrzennych) (waga: 0,5 lub 0,3)

Zestaw Obliczyć objętość równoległościanu zbudowanego na wektorach m, n, p jeśli wiadomo, że objętość równoległościanu zbudowanego na wektorach:

DEFEKTY STRUKTURY KRYSTALICZNEJ

GEOMETRIA ELEMENTARNA

Plan wykładu. Wykład 3. Rzutowanie prostokątne, widoki, przekroje, kłady. Rzutowanie prostokątne - geneza. Rzutowanie prostokątne - geneza

Kierunek i poziom studiów: Chemia budowlana, II stopień Sylabus modułu: Chemia ciała stałego 0310-CH-S2-B-065

Geometria. Hiperbola

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI DLA KLASY TRZECIEJ NA ROK SZKOLNY 2011/2012 DO PROGRAMU MATEMATYKA Z PLUSEM

SPIS RZECZY. GEOMETRJA ANALITYCZNA NA PŁASZCZYŹNIE.

KRYTERIA OCEN Z MATEMATYKI DLA UCZNIÓW KL. II GIMNAZJUM

Ekoenergetyka Matematyka 1. Wykład 6.

Międzynarodowe Tablice Krystalograficzne (International Tables for Crystallography)

Π 1 O Π 3 Π Rzutowanie prostokątne Wiadomości wstępne

Inwersja w przestrzeni i rzut stereograficzny zadania

Co należy zauważyć Rzuty punktu leżą na jednej prostej do osi rzutów x 12, którą nazywamy prostą odnoszącą Wysokość punktu jest odległością rzutu

Narzędzia do geometrycznej charakteryzacji granic ziaren. K. Głowioski

Układy współrzędnych

Uniwersytet Śląski w Katowicach str. 1 Wydział

Ćwiczenia z Geometrii I, czerwiec 2006 r.

ROZDZIAŁ I. Symetria budowy kryształów

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

11. Znajdż równanie prostej prostopadłej do prostej k i przechodzącej przez punkt A = (2;2).

Rozwiązania zadań. Arkusz Maturalny z matematyki nr 1 POZIOM ROZSZERZONY. Aby istniały dwa różne pierwiastki równania kwadratowego wyróżnik

STRUKTURA KRYSZTAŁÓW

Wykład 1. Symetria Budowy Kryształów

MECHANIKA 2 KINEMATYKA. Wykład Nr 5 RUCH KULISTY I RUCH OGÓLNY BRYŁY. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Prosta i płaszczyzna w przestrzeni

1. Elementy (abstrakcyjnej) teorii grup

GEOMETRIA ANALITYCZNA. Poziom podstawowy

(a) (b) (c) o1" o2" o3" o1'=o2'=o3'

Arkusz maturalny nr 2 poziom podstawowy ZADANIA ZAMKNIĘTE. Rozwiązania. Wartość bezwzględna jest odległością na osi liczbowej.

w jednym kwadrat ziemia powietrze równoboczny pięciobok

Budowa ciał stałych. sieć krystaliczna układy krystalograficzne sieć realna defekty wiązania w ciałach stałych

Geometria analityczna

Trójwymiarowa grafika komputerowa rzutowanie

Dyfrakcja. Dyfrakcja to uginanie światła (albo innych fal) przez drobne obiekty (rozmiar porównywalny z długością fali) do obszaru cienia

Metody badań monokryształów metoda Lauego

Grupy przestrzenne i ich symbolika

WYMAGANIA EDUKACYJNE NA POSZCZEGÓLNE OCENY MATEMATYKA KLASA 8 DZIAŁ 1. LICZBY I DZIAŁANIA

Elementy geometrii analitycznej w R 3

1 Geometria analityczna

ZAKRES PODSTAWOWY CZĘŚĆ II. Wyrażenia wymierne

GEOMETRIA ANALITYCZNA W PRZESTRZENI

Tomasz Tobiasz PLAN WYNIKOWY (zakres podstawowy)

Geometria analityczna - przykłady

Czworościany ortocentryczne zadania

Wymagania edukacyjne z matematyki dla klasy II gimnazjum wg programu Matematyka z plusem

Transkrypt:

Prof. nzw. dr hab. Jarosław Mizera & dr inż. Joanna Zdunek Krystalografia to nauka zajmująca się opisem i badaniem periodycznej budowy wewnętrznej materiałów krystalicznych oraz ich klasyfikacją. Plan wykładu: 1. Prawa i pojęcia podstawowe 2. Klasyfikacja kryształów. Typy struktur 3. Projekcje krystalograficzne Zalecana literatura: Z. Bojarski, M. Gigla, K. Stróż, M. Surowiec Krystalografia, PWN Warszawa 1996 Z. Bojarski, E. Łagiewka Rentgenowska analiza strukturalna, PWN Warszawa 1988 Z. Bojarski, H. Habla, M. Surowiec Materiały do nauki krystalografii, PWN Warszawa 1986 Materiały z www : www.ch.pw.edu.pl/~janzac/krystalografia/ www.komkryst.int.pan.wroc.pl/ www.edupress.pl www.chem.uw.edu.pl

1. Prawa i pojęcia podstawowe Mówiąc o krystalografii należy zdać sobie sprawę, że nauka ta odnosi się do elementów budowy wewnętrznej materiałów (atomy, jony) w skali nanometrycznej. Materiały polikrystaliczne zbudowane są z ziaren (np. w większości materiałów konstrukcyjnych ich wielkość nie przekracza kilku m). Mikrostruktura materiałów, np. przekrój szyny może być analizowana na różnych poziomach szczegółowości, np.

makroskopowym (rysunek powyżej) tzn. po odpowiednim przygotowaniu powierzchni obserwowanej nieuzbrojonym okiem. lub na poziomie mikroskopii optycznej (powiększenia rzędu kilkuset razy) umożliwiającej obserwację kształtu i wielkości ziaren (krystalitów) tworzących polikryształ.

Kolejnym uszczegółowieniem obserwacji mikrostruktury jest analiza mikrostruktury materiału przy użyciu mikroskopii elektronowej pozwalającej na ujawnienie szczegółów budowy wewnętrznej materiałów takich jak granice ziaren, wydzielenia czy dyslokacje w skali dziesiątek lub setek części mikrometra. Użycie wysokorozdzielczej mikroskopii elektronowej (High Resolution Electron Microscopy) pozwala na obserwację periodycznego ułożenia atomów (odległości nanometryczne, np. odległość między atomami w aluminium 4Å). Jasne kropki na zdjęciu obrazują kolumny atomów prostopadle do płaszczyzny obserwacji.

Schemat budowy wewnętrznej atomu. Krystalografia zajmuje się opisem ciał krystalicznych

W zależności od stanu skupienia atomy (jony) tworzą w przestrzeni układy nieuporządkowane (gaz, ciecz) lub uporządkowane tzw. kryształy w ciałach stałych (w pewnych warunkach w stanie tym może występować struktura nieuporządkowana w przestrzeni tzw. amorficzna). Uporządkowanie to może być bliskiego zasięgu, np. w etylenie.

lub dalekiego zasięgu, np. diament. Odległości między tymi samymi atomami mogą być zmienne w zależności od charakteru wiązania, np. pomiędzy atomami węgla.

Aby określić ich położenie należy wprowadzic układ współrzędnych, np. prostokątny.

Położenia tych punktów określają wektory wodzące zaczepione w początku układu współrzędnych. Można wprowadzic również układ współrzędnych ukośnokątny (nieprostokątny).

Przypomnijmy podstawowe operacje na wektorach

Cechą charakterystyczną materiałów krystalicznych jest uporządkowane ułożenie atomów (jonów lub cząsteczek) w przestrzeni. Periodycznie powtarzające się w przestrzeni motywy tworzą tzw. sieć przestrzenną.

Sieć przestrzenna złożona jest z periodycznie powtarzających się punktów tzw. węzłów.

Ten zbiór węzłów tworzy sieć krystalograficzną. Odległość między węzłami w sieci przestrzennej wyznacza tzw. okres identyczności (okres translacyjny).

Parametrem sieci nazywamy wektor t zdefiniowany jak na rysunku.

W sieci przestrzennej będącej tworem geometrycznym oprócz węzłów wyróżnia się płaszczyzny i proste zawierające te węzły.

Z U Y X

Aby określić wzajemne położenie płaszczyzn i kierunków krystalograficznych należy wprowadzić układ współrzędnych zwany osiami krystalograficznymi (trzy, wyjątkowo cztery osie jeśli możliwe to wzajemnie prostopadłe i pokrywające się z osiami symetrii kryształu). W kryształach o niskiej symetrii (rysunek powyżej) układ osi nie jest prostopadły. Na osie krystalograficzne nanosi się jednostki pomiarowe zwane jednostkami osiowymi, które służą do wyznaczenia położenia ścian, krawędzi kryształu oraz węzłów (prostych i płaszczyzn sieci przestrzennej). Oznacza się je symbolami a 0, b 0, c 0 odpowiednio dla osi x, y, z. Ściana, która przecina trzy osie krystalograficzne wyznacza odcinki a, b, c zwane parametrami sieci (ściana jednostkowa). Czworościan zasadniczy wyznaczają ściany kryształu, które przecinają osie układu współrzędnych zamknięte ścianą jednostkową.

Klasyfikacja ciał krystalicznych do tzw. układu krystalograficznego odbywa się w oparciu o kształt czworościanu zasadniczego i odpowiadającej mu komórki sieci przestrzennej.

Wyróżnic można 6 układów krystalograficznych (pięć opisanych trzema osiami współrzędnych, zaś jeden czterema tzw. heksagonalny).

Opisanie położenia węzłów sieci związane jest z oznaczeniem położenia atomu (jonu) w krystalicznej komórce elementarnej.

Osie krystalograficzne umieszczone w węźle sieci pozwalają wyznaczyć położenie dowolnego punktu w tej sieci. (N) Aby wyznaczyc wskaźniki płaszczyzny (notacja wg Millera) z pomiaru odcinków odciętych na poszczególnych osiach należy:

Utworzyć odwrotność liczb jednostek osiowych odciętych na osiach x, y, z Sprowadzić uzyskane odwrotności do liczb całkowitych względem siebie pierwszych Zapisać uzyskany wynik w nawiasie zwykłym Np. ½ a 0, 1/3 b 0, 1c 0 2, 3, 1 (231)

- 3 2 0

_ (2 1 4)

W przypadku układu heksagonalnego (układ czterech osi) wskaźniki płaszczyzny mają symbol (hkil). Wskaźniki hki odnoszą się odpowiednio do osi X, Y, U, natomiast l do osi Z. wskaźniki płaszczyzn w układzie heksagonalnych wykazuja zależność h + k + i = 0 stąd i = -(h + k).

[u v w]

W celu wyznaczenia orientacji prostej sieciowej wystarczy znać współrzędne dwóch węzłów leżących na niej. Jeśli jeden z węzłów leży w początku układu, to współrzędne drugiego jednoznacznie oznaczają orientacje prostej w przestrzeni. Przyjmuje się, że współrzędne punktu (mające wartości całkowite) położonego najbliżej początku układu i leżącego na prostej tworzą jej symbol, który zapisuje się w nawiasach kwadratowych [uvw].

c a b

jest to

h v v 1 2 w w 1 2 k u u 1 2 w w 1 2 l u u 1 2 v v 1 2

2. Klasyfikacja kryształów. Typy Struktur Liczba koordynacyjna Liczba jednakowych atomów lub jonów od atomu lub jonu przyjętego za centralny Oznaczana jako LK

( V at )/V kom.el. Najgęstsze ułożenie kul na płąszczyźnie uzyskuje się, gdy każda z nich styka się z sześcioma innymi.

Zwarte przestrzenne ułożenie kul Nałożenie zwartych warstw heksagonalnych w sekwencji ABAB Nałożenie zwartych warstw heksagonalnych w sekwencji ABCABC

Zwarte regularne ułożenie kul z pokazaną komórką elementarną o parametrze a0 oraz warstwą heksagonalną (111)

[1210] [2110] Komórka elementarna stanowi 1/3 _ objętości heksagonu (żóltym kolorem wyodrebniono tę część na rysunku). Kierunki styku kul mają symbol [1120], natomiast warstwy heksagonalne ułożone w sekwencji ABAB mają symbol (0001).

?

Charakteryzując typy struktur należy podać powyższe dane. W oparciu o kryterium dotyczące składu chemicznego i stosunków stechiometrycznych ciała krystaliczne podzielono na grupy. Podział ten przedstawiono w Tabeli poniżej. Grupy Pierwiastki Związki AB Związki AB 2 Związki A mb n Związki z więcej niż dwoma rodzajami atomów, ale bez rodników Związki z rodnikami BX i BX 2 Związki z rodnikami BX 3 Związki z rodnikami BX 4 Związki z rodnikami BX 6 Związki z rodnikami skomplikowanymi Stopy Związki organiczne Krzemiany Symbol grupy A B C D E F G H I K L O S

Struktura A1 Regularna Ściennie Centrowana (RSC) typu miedzi.

Wśród pierwiastków o strukturze A1 typ miedzi można wymienić: aluminium, nikiel, miedź, srebro, złoto, platynę.

Struktura A2 Regularna Przestrzennie Centrowana (RPC) typu wolframu.

Struktura A3 (Heksagonalna Prosta HP) typu magnezu.

Wśród związków o strukturze B2 typ chlorku cezu można wymienić: CaCl, CaBr, LiAg, CuZn, AgZn.

Wśród związków o strukturze B4 można wymienić: ZnS, ZnFe, AlN, GaN, SiC, BeO oraz ZnO. Typy struktur

C4 typ rutylu TiO 2 Ti O Typy struktur

E2 1 typ perowskitu CaTiO 3 H1 1 typ spinelu AB 2 O 4 Podział:

3. Projekcje krystalograficzne Projekcja sferyczna Zespół krystaliczny to zbiór płaszczyzn i prostych równoległych do odpowiednich płaszczyzn i kierunków krystalicznych w monokrysztale, przechodzących przez jeden punkt; Środek zespołu to punkt przecięcia zespołu; W zespole krystalicznym są zachowane związki kątowe między płaszczyznami i kierunkami, istniejące między tymi elementami w monokrysztale; Aby dokonać projekcji kierunku lub płaszczyzny na powierzchnię strefy, środek zespołu krystalicznego umieszcza się w środku kuli; Śladem przecięcia kierunku ze sferą jest punkt (P);

Śladem płaszczyzny jest koło o średnicy sfery, zwane kołem wielkim (A).

Projekcja sferyczna bezpośrednia i pośrednia W projekcji sferycznej bezpośredniej punkt jest projekcją prostej, a koło wielkie projekcją płaszczyzny W projekcji sferycznej pośredniej jest odwrotnie. Jeżeli w zespole krystalicznym zastąpimy płaszczyzny przez normalne do nich, zaś proste przez prostopadłe do nich płaszczyzny, to w projekcji sferycznej otrzymamy punkt jako projekcję płaszczyzny, a koło wielkie jako projekcję pośrednią prostej. Konstrukcja projekcji sferycznej Projekcja bezpośrednia: Projekcją płaszczyzny A na sferze jest koło wielkie; projekcją prostej OP jest punkt P. Projekcja pośrednia: Projekcją płaszczyzny A na sferze jest punkt A ; projekcją prostej OP jest koło wielkie.

M Projekcja cyklograficzna Jest to projekcja na płaszczyznę wywodzącą się z rzutu sferycznego bezpośredniego. Przy projektowaniu płaszczyzn często wykorzystuje się pośredni rzut sferyczny. Wtedy sferycznym obszarem płaszczyzny jest punkt L, którego projekcją na płaszczyznę projekcji (K) jest również punkt (L ).

Projekcja stereograficzna Jest to projekcja na płaszczyznę mająca za podstawę projekcję sferyczną pośrednią. Określenie położenia punktu na projekcji sferycznej, cyklograficznej i stereograficznej Określenie położenia prostej OL i OM w projekcji sferycznej oraz przeniesienie rzutu sferycznego na płaszczyznę projekcji prostopadłą do osi GD

Określenie położenia punktu na projekcji sferycznej, cyklograficznej i stereograficznej Rzut sfery projekcji na płaszczyznę projekcji, gdzie odległość OL =r 1 =ƍ 1, a odległość OM = r 2 =180-ƍ 2

Pomiar kątów na projekcji Jeżeli dwa kierunki wyznaczają płaszczyznę to ich projekcje znajdują się na kole wielkim, które przedstawia projekcję tej płaszczyzny.

Stereograficzne standardowe projekcje monokryształów

Konstrukcja małych kół na projekcji reprezentujących miejsca geometryczne punktów równoodległych kątowo od danego punktu Koło małe o promieniu r= sferze na Konstrukcja małych kół na projekcji reprezentujących miejsca geometryczne punktów równoodległych kątowo od danego punktu Przejście z projekcji sferycznej koła małego do jego projekcji na płaszczyznę

Konstrukcja małych kół na projekcji reprezentujących miejsca geometryczne Koło małe o promieniu r= ϑ na płaszczyźnie projekcji Koła na sferze są również kołami w projekcji na płaszczyznę Projekcja gnomoniczna W projekcji gnomonicznej płaszczyzna projekcji nie przechodzi przez środek strefy projekcji, ale jest styczna do sfery w górnym jej biegunie G. Punkt oczny jest przesunięty z bieguna sfery do jej środka O. KONSEKWENCJA: Kierunki równoległe do płaszczyzny projekcji nie odwzorowują się na niej!!!

Projekcja gnomoniczna Zależności geometryczne między sferą projekcji S, płaszczyzną projekcji, punktem ocznym G i biegunami płaszczyzny należącymi do jednego pasa Zależności geometryczne między odległością r biegunów od środka projekcji, kątem i promieniem sfery R 100