1.Co to jest kryształ?
Ciało stale, anizotropowe, w którym atomy są ułożone w periodycznie powtarzających się odstępach czyli podstawowych periodach identyczności (ppi), w co najmniej trzech nierównoległych kierunkach.
2.W jaki sposób można utworzyć sieć kryształu?
Poddając kolejno translacjom (przesunięciom o podstawowy period identyczności) jeden lub kilka atomów w trzech nierównoległych kierunkach.
3.Co to jest podstawowy period identyczności?
Najbliższa odległość atomów na prostej sieciowej. Rożne proste sieciowe różnią się wielkością odstawowego periodu identyczności. Proste równoległe maja taki sam ppi i są identyczne. Proste nierównoległe najczęściej różnią się ppi.
4.Co to jest prosta sieciowa?
Wynik translacji punktu (atomu) w określonym kierunku. W krysztale jest nieskończenie wiele prostych sieciowych, gdyż każde dwa punkty (atomy) wyznaczają prostą sieciowa.
5.Co to jest płaszczyzna sieciowa?
Wynik poddania translacji prostej sieciowej w określonym kierunku, rożnym jednak od kierunku prostej. Każde trzy punkty (atomy) nie leżące na jednej prostej wyznaczają płaszczyznę sieciowa, w związku z tym płaszczyzn tych jest w krysztale nieskończenie wiele. Wszystkie płaszczyzny równoległe są identyczne i maja jednakowe odległości miedzypłaszczyznowe dhkl; płaszczyzny nierównoległe- niejednakowe.
6.Co to jest sieć przestrzenna?
Wynik poddania płaszczyzny sieciowej translacji w kierunku nierównoległym do niej. W zależności od przyjętych kierunków translacji i wielkości ppi powstają rożne układy krystalograficzne, różniące się kształtem komórek elementarnych i ich symetrią.
7.Co to jest komórka elementarna?
Obszar sieci przestrzennej wyodrębniony przez sześć płaszczyzn parami równoległych, mający kształt równoległościanu, którego krawędziami są trzy podstawowe periody identyczności. W danej sieci istnieje wiele sposobów wybrania komórki elementarnej, jednakże staramy się aby miała ona najprostszy kształt geometryczny, np. prostopadłościanu lub sześcianu. Wymiar i kształt komórki elementarnej można opisać za pomocą sześciu parametrów sieci: trzech kątowych (kątów miedzy nierównoległymi krawędziami komórki a,b,g) oraz trzech ppi (ao, bo, co).
8.Co ot jest komórka sieciowa?
Składa się z kilku komórek elementarnych; tak na przykład komórka sieciowa układu heksagonalnego A3 mająca oś symetrii 6 - krotnej składa się z 3 komórek elementarnych.
9.Co to są wskaźniki prostej sieciowej?
Liczby całkowite służące do oznaczania prostej sieciowej. Przyjęto oznaczać je literami u, v, w. Określają one współrzędne najbliższego punktu leżącego na danej prostej, identycznego z początkiem układu (znaczy to, ze drugi punkt powstał przez translacje pierwszego). Wskaźniki zapisuje się w nawiasach [ ], gdy chodzi o konkretną prostą albo proste równoległe lub <>, gdy chcemy oznaczyć rodzinę nierównoległych prostych.
10.Jak praktycznie można określić wskaźniki prostej sieciowej?
a) Na prostej sieciowej wybiera się punkt, który jest początkiem układu współrzędnych i najbliższy punkt (identyczny z pierwszym), którego współrzędne chcemy określić.
b) Z pierwszego przemieszczamy się do drugiego wzdłuż osi x,y,z, licząc podstawowe periody identyczności i uwzględniając ujemne zwroty tych osi.
c) Wskaźniki zapisujemy w nawiasach ], oznaczając ujemna wartość wskaźnika nad liczba lub w nawiasach <>, gdy chcemy oznaczyć zbiór permutacji wskaźników (są to proste nierównoległe o jednakowych ppi, wynikające z symetrii sieci (np. wszystkie przekątne ścian komórki sześciennej oznaczamy <110>).
11.Napisz wskaźniki następujących kierunków komórki sześciennej:
a) osi x,y,z (tj. krawędzi komórki) [100], [010], [001]=<100>,
b) przekątnych ścian [110], [101], [011], [110], [101], [011]=<110>,
c) przekątnych przestrzennych [111], [111], [111], [111]=<111>
12.Co to są wskaźniki płaszczyzny sieciowej?
Są to liczby, które wskazują na ile części płaszczyzna najbliższa początku układu dzieli podstawowy period identyczności danej osi. Wskaźniki oznacza się literami h,k,l, odpowiednio dla osi x,y,z. Jeśli wskaźniki są liczbami pierwszymi (nie maja wspólnego podzielnika) nazywamy je wskaźnikami Millera, jeśli nie wskaźnikami Bragga.
13.Jakie są zasady zapisu wskaźników płaszczyzn sieciowych?
Ujmuje się je w nawiasy ( ) jeśli odnoszą się do konkretnej płaszczyzny, względnie płaszczyzn równoległych lub w nawiasy {}, gdy chcemy wyrazić rodzinę płaszczyzn powstałych przez permutacje wskaźników (ich wspólna cechą jest jednakowa odległość miedzy płaszczyznowa dhkl). Jeśli któryś wskaźnik jest równy 0, oznacza to że ta płaszczyzna jest równoległa do osi, z którą jest związany dany wskaźnik.
14. Podaj przykłady wskaźnikowania różnych płaszczyzn komórki sześciennej.
Ściany komórki mają wskaźniki (100), (010), (001) = {100}. Przekątne przestrzenne równoległe do jednej osi mają wskaźniki (110), (101), (011), (110), (101), (011) = {111}. Przekątne przestrzenne nierównoległe do osi mają wskaźniki (111), (111), (111), (111) = {111}.
15. Do czego służy i na czym polega 4-wskaźnikowy system Millera-Bravais’go?
Stosuje się go do oznaczania kierunków i płaszczyzn w układzie heksagonalnym. Jest to związane z przyjęciem innego układu osi. Trzy osie x1, x2, x3 nachylone pod kątami 120° leżą w jednej płaszczyźnie (podstawowej), czwarta oś jest do niej prostopadła; wskaźniki oznacza się literami h, k, i, l przy czym istnieje zależność h+k=-i.
16.Co to jest pas krystalograficzny?
Wszystkie płaszczyzny przecinające się wzdłuż jednej prostej sieciowej, a tym samym równoległe do wspólnego kierunku, należą do wspólnego pasa krystalograficznego, a kierunek ten jest osią tego pasa. Równanie przynależności pasowej ma postać: hu + kv + lw = 0. Za pomocą tego równania możemy sprawdzić czy określona prosta (uvw) leży (jest równoległa) w danej płaszczyźnie (hkl).
17. Co to jest symetria kryształu i jakie są elementy symetrii?
Symetria jest wtedy, jeśli przez przekształcenia względem elementów symetrii z pewnych punktów sieci możemy uzyskać inne. Do podstawowych elementów symetrii zaliczamy środek lub centrum symetrii C, prostą zwaną osią symetrii L i płaszczyznę zwaną płaszczyzną symetrii P.
18. Wymień układy krystalograficzne i podaj ich cechy?
Układy krystalograficzne różnią się parametrami sieci, tj. kątami między osiami i podstawowymi periodami identyczności. Istnieje 7 układów, wg których można sklasyfikować wszystkie kryształy. W niektórych kryształach można dodatkowo wyodrębnić różne typy sieci, co wynika z przyjęcia różnej liczby nieidentycznych punktów, z których powstaje sieć przez ich translację. Z tym wiąże się różna liczba atomów przypadających na elementarną komórkę. Do najważniejszych układów zaliczamy:
a)układ regularny–a0=b0=c0 i a=b=g=90°. Kształt komórki elementarnej–sześcienny. Najczęściej występują dwa typy sieci: A1 (RSC)–ścienne centrowana–4atomy na komórkę i A2 (RPC)–przestrzennie centrowana–2 atomy na komórkę (pozostałe cechy jak w A1);
b)układ tetragonalny – a0=b0=c0 i a=b=g=90° (komórka ma kształt prostopadłościanu);
c)układ heksagonalny-a=b=90°,g=120°, a0=b0 =c0. Prócz tego występują następujące układy: rombowy, romboedryczny, jednoskośny i trójskośny.
19. Opisz komórki elementarne A1 i A2 i zaznacz rozmieszczenie atomów.
A1-ściennie centrowana jest sześcianem, w którym atomy są rozmieszczone na narożach i na środkach ścian; oznaczenie RSC. A2- przestrzennie centrowana jest sześcianem, w którym atomy są rozmieszczone na narożach i w środku sześcianu -RPC.
20. Opisz komórkę układu heksagonalnego.
Graniastosłup o podstawie rombu z kątami 60 i 120°. Atomy rozmieszczone na narożach i w połowie wysokości komórki. Na jedną komórkę przypadają 2 atomy. Trzy komórki elementarne tworzą komórkę sieciową o symetrii sześciokrotnej (jedna oś L6).
21. Wymień metale mające struktury krystaliczne A1, A2, A3.
A1 –Fe-g, Al., Cu, Ag, Pt, Ni, Pb – cechują się dużą ciągliwością.
A2 – Fe-a, Ti-a, V, Cr, Mo, W – niezbyt ciągliwe.
A3 – Zn, Mg, Cd, Ti-b, Zr-b, Co-b - niezbyt ciągliwe.
22. Jakie są możliwości sekwencji ułożenia płaszczyzn o najgęstszym wypełnieniu atomami i do jakich to prowadzi typów sieci?
Płaszczyzny o najgłębszym wypełnieniu atomami to takie, w których trzy sąsiednie atomy stykają się ze sobą i ich środki ciężkości tworzą trójkąty równoboczne. Takie płaszczyzny można ułożyć (jedna nad drugą) na dwa różne sposoby: ABABAB..., gdy co druga płaszczyzna znajduje się nad pierwszą –sieć A3 i ABCABCABC... gdy co trzecia płaszczyzna znajduje się nad pierwszą –sieć A1. Kolejność ułożenia płaszczyzn prowadzi do różnych sieci, o różnych własnościach, a poza tym mogą występować zaburzenia w kolejności ułożenia płaszczyzn, co nazywamy błędami ułożenia; ich energia wywiera istotny wpływ na własności metali.
23. Co to polimorfizm?
Polimorfizm lub alotropia to występowanie tego samego pierwiastka lub związku w postaci dwóch lub kilku odmian krystalicznych, a odmiany te nazywamy alotropowymi. Przemiany alotropowe zachodzą przy stałych temperaturach i towarzyszy im wydzielanie lub pochłanianie utajonego ciepła przemiany (w zależności od kierunku jej zachodzenia).
24. Jakie metale posiadają odmiany alotropowe?
Żelazo z odmianami: Fe-a -sieć A2, Fe-g -sieć A1 i Fe-b (wysokotemperaturowa odmiana a) -sieć A2, cyna z odmianami Sn-a i Sn-b, mangan, kobalt i tytan.
25. Co jest siłą napędową przemiany alotropowej?
Jak każdej przemiany fazowej jest nią różnica energii swobodnej fazy wejściowej i fazy nowo powstałej, która tworzy się po przekroczeniu temperatury T0, czyli równowagowego współistnienia tych faz. Różnica ta narasta w miarę przechłodzenia poniżej T0 co powoduje, że im > jest przechłodzenie, tym szybciej zachodzi przemiana. Natomiast przy temperaturze T0 obie odmiany pozostają w równowadze, gdyż ich energie swobodne są jednakowe-przemiana fazowa zostaje zahamowana.
26. Co to jest histereza cieplna przemiany alotropowej?
Przy chłodzeniu dla zajścia przemiany jest wymagane pewne przechłodzenie, a przy nagrzewaniu pewne przegrzanie względem temperatury równowagowego współistnienia faz T0.Wniosek-przy nagrzewaniu i chłodzeniu przemiana nie zachodzi przy tej samej temperaturze; różnica istotnie zależy od szybkości zmiany temperatury, zwiększając się z jej wzrostem. Nazywamy histerezą cieplną przemiany alotropowej (fazowej).
27. Jakie skokowe zmiany towarzyszą przemianie alotropowej?
Następuje skokowa zmiana energii wewnętrznej w wyniku pochłaniania ciepła przemiany przy nagrzewaniu i wydzielaniu tego ciepła przy chłodzeniu. Ciepło to (stałe dla danego pierwiastka i typu przemiany) można wykorzystać przy analizie cieplnej. Następuje skokowa zmiana objętości molowej, co wykorzystuje się przy analizie dylatometrycznej. W niektórych przypadkach (np. żelazie) przemianie alotropowej towarzyszy nagła zmiana własności magnetycznych tzn. Fe-a (poniżej punktu Curie) jest ferromagnetyczne, a Fe-g paramagnetyczne. Wykorzystuje się to do określenia temperatury przemiany metodami magnetycznymi.
28. Jakie są tendencje przy tworzeniu odmian alotropowych?
1.odmiany o strukturze regularnej przestrzennie centrowanej A2, jako mniej gęsto wypełnionej, są zwykle stabilniejsze przy wyższych temp. niż odmiany o najgęstszym wypełnieniu sieci (A1 i A3),
2.odmiany powstające przy wysokim ciśnieniu mają na struktury o gęstszym wypełnieniu atomami niż odmiany występujące przy ciśnieniu atmosferycznym, np. Fe tworzy odmianę o sieci A3 przy ciśnieniu 1,3*104Mpa.
29. Na czym polega anizotropia własności kryształów?
Jest to zależność ich własności od kierunku krystalograficznego, w którym dana własność jest badana, jest charakterystyczną cechą kryształów, odróżniającą je od materiałów bezpostaciowych, a więc niekrystalicznych. Wiąże się to z niejednakową gęstością ułożenia atomów we wszystkich kierunkach.
30. Jakie własności kryształów są anizotropowe?
Wytrzymałość, twardość, wydłużenie, moduł sprężystości, a także własności fizyczne np. optyczne, magnetyczne, elektryczne i cieplne.
1.Na czym polega różnica między kryształami idealnymi i rzeczywistymi?
Idealne mają budowę zgodną z prawami krystalografii (periodyczności i symetrii), nie zawierają one żadnych defektów, czyli nieprawidłowości w układzie atomów. W naturze w ogóle nie występują. Rzeczywiste zawierają różne defekty ,które powodują pewne zniekształcenie sieci krystalicznej i są ośrodkami nagromadzenia energii (odkształcenia)- każdy defekt powoduje przesunięcie atomów z ich położeń równowagi, czyli odpowiadających normalnej energii potencjalnej.
2.Jaki jest wpływ defektów na własności kryształów ?
Bardzo istotny; np. wakancje ułatwiają dyfuzję atomów (jest to podstawa prawie wszystkich procesów i przemian zachodzących w materiałach). Defekty liniowe (dyslokacje) ułatwiają odkształcenie metali i bez nich przeróbka plastyczna byłaby niemożliwa. Granice ziarn jako defekty powierzchniowe, są czynnikiem umacniającym materiał, ale mogą odgrywać negatywną rolę.
3.Jak klasyfikujemy defekty sieci krystalicznej?
W zależności od tego czy pozycja defektu jest określona punktem, linią, czy powierzchnią na defekty: punktowe, liniowe lub powierzchniowe. Defekty termodynamiczne na: trwałe i nietrwałe. Defekty elektronowe na dziury i wolne elektrony przewodnictwa, które są podstawą półprzewodnictwa. Do defektów sieci zalicza się również fonony, czyli kwanty drgań sieci krystalicznej, odpowiedzialne za zniekształcenia sieci wywołane termicznymi drganiami atomów,które na skutek oddziaływania z atomami (węzłami sieci) mogą tworzyć defekty punktowe (atomy międzywęzłowe i wakancje).
4.Jakie defekty zaliczamy do punktowych ?
Wakancje, atomy międzywęzłowe, atomy domieszek (substytucyjne i międzywęzłowe) i defekty złożone np. podwójna wakancja (diwakancja) lub atom domieszki połączony z wakancją. Wspólne dla nich jest to, że pole naprężeń ma symetrię kulistą, której centrum znajduje się w środku defektu.
5.Co to są wakancje?
Wakancja jest defektem termodynamicznie trwałym powstałym w wyniku nieobsadzenia węzła sieci przez atom. Wskutek tego sąsiednie atomy przesuwają się w kierunku pustego miejsca co wywołuje zniekształcenie sieci i wytwarza pole naprężeń rozciągające. Ustala się ich równowagową koncentracyjna Nv , zgodna z prawem Boltzmana:
Nv=nv/na=Ae...
Nv-liczba wakancji, na-liczba atomów, A-stała, k-st. Boltzmana, w-energia niezbędna do utworzenia jednej wakancji(0,8 eV)
Jest to zależność wykładnicza tzn. że równowagowa koncentracja wakancji rośnie gwałtownie z temperaturą i w pobliżu temp. topnienia ich koncentracja Nv=ok.5*10-4 podczas gdy przy temperaturze pokojowej Nv=ok.10-15, czyli ta zmiana wynosi 11 rzędów wielkości. W kryształach jonowych taki defekt nazywa się defektem Shottky’ego.
6.Co to jest atom międzywęzłowy?
Jest to defekt polegający na tym, że w sieci zbudowanej z identycznych atomów lub o zbliżonych średnicach jeden z atomów osnowy znajduje się między węzłami sieci. Pow...
Chester11-86