0

Минобрнауки россии

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

Кафедра нанотехнологий и инженерной физики

УТВЕРЖДАЮ Первый проректор – проректор по учебной работе ____________ Е.А. Кудряшов «___» ___________ 2012 г

Решетки Бравэ. Симметрия кристаллической структуры. Пространственные группы

Методические указания к практическому занятию

по дисциплине «Кристаллография»

для студентов направлений подготовки бакалавров

222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» и

210600.62 «Нанотехнология»

Курск 2012

УДК 548

Составитель В.В.Умрихин

Рецензент

Кандидат физико-математических наук, доцент А. В. Кочура

Решетки Бравэ. Симметрия кристаллической структуры. Пространственные группы: методические указания к практиче­скому занятию по дисциплине «Кристаллография»/ Юго-Зап. гос. ун-т; сост. В.В.Умрихин. Курск, 2012. 49 с.: ил. 23. Библи­огр.: с. 43.

Содержатся методические рекомендации по изучению решеток Бравэ, симметрии кристаллической структуры, примеры решения типовых задач и задания для самостоятельной работы.

Предназначены для студентов направлений подготовки бакалавров 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» и 210600.62 «Нанотехнология».

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать . Формат 60 84 1/16.

Усл. печ. л. . Уч.-изд. л. . Тираж   экз. Заказ         . Бесплатно.

Юго-Западный государственный университет.

305040, Г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

1. Цель занятия

Изучить решетки Бравэ, понятия о пространственной группе симметрии, ознакомиться с особенностями изображения пространственных групп симметрии.

2. Теоретическая часть

2.1. Решетки Бравэ

Кристаллическая структура состоит из частиц или группы частиц, связанных друг с другом различными преобразованиями симметрии. Сочетание трансляций с каждым из элементов симметрии генерирует новые элементы симметрии, бесконечно повторяющиеся в пространстве.

Исходя из идеи о периодическом расположении центров тяжести сферических материальных частиц в кристаллическом веществе О.Бравэ в 1848 г. показал, что все многообразие кристаллических структур можно описать с помощью 14 решеток, отличающихся по формам элементарных ячеек и по симметрии и подразделяющихся по 7 кристаллографическим сингониям. Решеткой Бравэ называется бесконечная система точек, которая образуется трансляционным повторением одной точки.

Выбор ячейки в двумерной или трехмерной решетке не является однозначным, так как каждый узел можно считать начальной точкой для множества трансляционных векторов (рис.2.1).

Рис.2.1. К выбору элементарной ячейки Бравэ в плоской сетке

О.Бравэ сформулировал три условия выбора элементарной ячейки в решетках Бравэ:

1. Симметрия элементарной ячейки должна соответствовать симметрии кристалла, точнее, наиболее высокой симметрии (т. е. голоэдрии) той сингонии, к которой относится кристалл. Ребра элементарной ячейки должны быть трансляциями решетки.

2. Элементарная ячейка должна содержать максимально возможное число прямых углов или равных углов и равных ребер.

3. Элементарная ячейка должна иметь минимальный объем.

Эти условия должны выполняться последовательно, т. е. при выборе ячейки первое условие важнее второ­го, а второе важнее третьего.

Рассмотрим пример выбо­ра элементарной ячейки для плоской решетки (рис. 2.1). Ячейка 5 - наименьшая по площади, но она не соответствует симметрии сетки (нет ни одной плоскости симмет­рии) и у нее нет прямых углов.

Ячей­ки 2, 3, 4 соответствуют симметрии сетки, но у них нет прямых углов (хо­тя это условие можно удовлетворить при другом выборе) и они не удовлет­воряют условию минимума площади (кроме ячейки 4), поэтому их нельзя принять за элементарные.

Ячейки 1 и 6 удовлетворяют симметрии сетки, имеют максимально возможное число прямых углов, однако ячейка 1 не удовлетворяет условию минимума пло­щади. Таким образом, используя по­следовательно три условия выбора элементарной ячейки, выбираем для плоской сетки ячейку 6.

В этом случае центрированная ячей­ка удовлетворяет правилам выбора ячейки лучше, чем примитивная. На этом примере видно, что иногда симметрию кристалла лучше описы­вать непримитивными ячейками.

Различают 4 типа элементарных ячеек (табл.2.1):

1) примитивная – Р; узлы (атомы, ионы) находятся только в вершинах ячейки; ячейка образована только реберными трансляциями.

2) базоцентрированная – А, В, С; узлы (атомы, ионы) располагаются в вершинах и в центрах двух противоположных граней.

3) гранецентрированная – F; узлы (атомы, ионы) располагаются в вершинах и центрах всех граней.

4) объемноцентрированная – I; узлы (атомы, ионы) располагаются в вершинах и в центре ячейки.

Таблица 2.1

Характеристики ячеек Бравэ

Тип ячейки и ее символ	Основные трансляции	Базис	Число узлов в ячейке
Примитивная Р	a, b, c	[[000]]	1
Объемно-центрированная I	a, b, c, (a+b+c)/2	;	2
Гранецентрированная F	(a+b)/2, (b+c)/2, (c+a)/2, a, b, c	; ; ;	4
Базоцентрированная А	a, b, c, (b+c)/2	;	2
Базоцентрированная В	a, b, c, (а+c)/2	;	2
Базоцентрированная С	a, b, c, (а+b)/2	;	2

Совокупность координат узлов, вхо­дящих в элементарную ячейку, назы­вается базисом ячейки. Всю кристал­лическую структуру можно получить, повторяя узлы базиса совокупностью трансляций ячейки Бравэ. При этом начало координат выбирается в вер­шине ячейки, а координаты узлов вы­ражаются в долях элементарных тран­сляций а, b, с.

Распределение решеток Бравэ по сингониям представлено в табл.2.2. Примитивные ячейки Бравэ – это те основные ячейки, по которым различают кристаллографические сингонии. В тригональной системе примитивной элементарной ячейкой наряду с призмой может быть и ромбоэдр (R) – фигура, у которой , . В гексагональной сингонии за примитивную элементарную ячейку принимают призму с ребром, параллельным оси 6, и основанием в форме ромба, , . Элементарной ячейкой гексагональной структуры является шестигранная призма, составленная из трех примитивных ячеек; она отражает симметрию и тригональных, и гексагональных кристаллов.

Все четыре типа ячеек – P, I, F, C – имеются только в ромбической сингонии, остальные сингонии содержат не все типы ячеек. Например, в кубической сингонии нет базоцентрированной ячейки Бравэ, потому что она противоречила бы симметрии кубической решетки: если центрирована одна пара граней куба, то благодаря симметрии куба обязательно должны быть центрированы и две другие пары ячеек, т.е. С-ячейка станет F-ячейкой.

В тетрагональной сингонии нет ячейки С: она была бы совместима с симметрией решетки, но не отвечала бы условиям выбора ячейки Бравэ: вместо нее можно было бы взять примитивную ячейку, объем которой вдвое меньше.

Такими же соображениями можно доказать достаточность выбора ячеек для всех сингоний.

Таблица 2.2