Simmetrie di cristallo: Base della cristallografia

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Molte delle scoperte fondamentali sulle proprietà fondamentali della materia sono strettamente connessi con lo studio della simmetria del cristallo. La prima scoperta importante circa la vera natura dei cristalli è stata fatta dal scienziato danese Nicolaus Steno (Niels Stensen). Nel 1669, è ipotizzato che gli angoli tra facce corrispondenti di cristalli sono costanti, indipendentemente dalla dimensione o forma delle facce. Questa legge è diventata nota come legge di Steno, o la legge della costanza degli angoli interfacciali.

Il mineralogista francese René-Just-Hauy dimostrato perché il diritto di Stenone ha funzionato. Era affascinato dal modo in cui alcuni minerali, in particolare di calcite o di salgemma, sempre dividere o scissa in lati lisci frammenti di forma simile, ha ipotizzato che la forma dei frammenti è stata la forma del mattone fondamentale del minerale. Aveva tanti piccoli blocchi tagliati in forma di frammenti di scissione di calcite e ha scoperto che poteva spiegare tutte le facce di cristallo di calcite impilando questi blocchi in modo semplice. Ha anche scoperto che poteva spiegare le forme cristalline di altri minerali con altre unità, come ad esempio cubi. Hauy non solo scoperto il cella unitaria e ha mostrato come si riferiva alla forma cristallina, ma anche fornito ulteriori prove che la questione era composta di unità discrete, che ha ulteriormente sostenuto il concetto emergente di atomi.

Più tardi, gli scienziati hanno sistematizzato lo studio dei cristalli. Tra il 1815 e il 1825, gli scienziati tedeschi Christian Weiss e Friedrich Mohs individuato i principali sistemi cristallini. Nel 1830, Johann Hessel, un altro scienziato tedesco, ha descritto i trenta due gruppi di punti. Tra il 1880 e il 1891, i 230 gruppi spaziali cristallografici sono stati scoperto indipendentemente dal Soviet mineralogista ESFedorov, il matematico tedesco Schoenflies Arthur, e l'scienziato britannico William Barlow.

Quando i raggi X furono scoperti nel 1895, ci fu un grande dibattito sulla loro natura. Lo scienziato tedesco Max von Laue passato un fascio di raggi X attraverso un cristallo e ha dimostrato che sono stati sottoposti a diffrazione, dimostrando così che i raggi X sono radiazioni elettromagnetiche molto breve lunghezza d'onda. Il team di padre e figlio di Sir William Henry Bragg e Sir Lawrence poi utilizzato la diffrazione dei raggi X per determinare le strutture di cristalli sconosciuti. Questa tecnica è la base di ogni moderno studio della struttura cristallina. Con cristalli servono come un mezzo per misurare la lunghezza d'onda dei raggi X emessi dai diversi elementi erano correlate al quadrato della loro numeri atomici. Moseley ha dimostrato che i numeri atomici sono stati interi, che non vi erano elementi ancora da scoprire tra gli elementi adiacenti, e ha stabilito una base fisica per la tavola periodica.

Infatti, tutti i materiali cristallini hanno una disposizione ripetuta di atomi chiamato un reticolo. Questa regolarità e ripetizione di modelli atomici identifica come un materiale cristallino. Tali materiali noti come calcestruzzo, la maggior parte delle rocce, e quasi tutti i metalli sono fatti di materiali cristallini, nonostante la loro mancanza di esteriore forma cristallina. In realtà, ben formati i cristalli sono piuttosto rari in natura. Le regole geometriche che governano la chiusura ricco di disposizione di monete sono chiamati simmetria. È importante comprendere che i concetti di simmetria può essere applicato a qualsiasi oggetto o pattern. Così, gli stessi concetti geometrici in grado di descrivere le monete su un tavolo, gli atomi nei cristalli, piastrelle su un pavimento, o cellule di un favo.

Principali tipi di strutture cristalline possono essere classificati come segue: -

1) triclino

2) monoclino

3) ortorombica

4) tetragonale

5) Cubic

6) Trigonale

7) esagonale

I dettagli riguardanti i dettagli della struttura cristallina può essere trovato in qualsiasi libro di testo introduttivo Fisica dello Stato Solido.

La comprensione della simmetria del cristallo semplifica notevolmente il compito di determinare la struttura atomica dei materiali. Se la posizione di un atomo in una struttura cristallina è noto, la posizione di molti altri atomi può essere determinata automaticamente. Inoltre, quasi tutte le proprietà fisiche dei materiali è strettamente correlata alla loro struttura cristallina e simmetria. Ad esempio, quarzo è ampiamente usato in elettronica perché si carica elettricamente se si sottolinea e quindi può essere usato per fare oscillatori per circuiti di temporizzazione. Questa proprietà, detta piezoelettricità, si trova solo nelle classi di cristallo che non dispongono di simmetria.

Proprietà ottiche dei materiali sono anche strettamente legato alla loro simmetrie di cristallo. Il rapporto è importante per tagliatori di gemme. Quando la luce entra in un cristallo, di solito si divide in due fasci di luce, un processo chiamato doppia rifrazione. Questo fenomeno è sfruttato in alcuni strumenti ottici, ma è un fastidio per tagliatori di gemme, perché provoca delle riflessioni interne alla gemma di apparire sfocata e offusca lo splendore della gemma. Doppia rifrazione non si verifica in isometriche gemme come il diamante o granato. In gemme tetragonali come gemme di zirconio ed esagonali come smeraldo, rubino o zaffiro, luce che viaggia parallelamente all'asse di simmetria principale del cristallo non è il doppio rifratta. Tagli rotonde di queste gemme sono orientati in modo che l'asse di simmetria del cristallo parallelo all'asse di simmetria della gemma taglio.

Cristalli formano impilando celle unitarie per costruire forme più grandi. È possibile impilare cubici, pile unitarie tetragonali, o ortorombica costruire una forma rettangolare scatola, e non sarebbe possibile stabilire quale cellula unitaria è stata coinvolta dalla forma sola.

Riferimenti: -

1) Introduzione alla fisica dello stato solido da C.Kittel

2) Fisica dello Stato Solido da A.J.Dekker.

3) E molti siti web