Как найти период решётки: расчёт по плотности
Дано: металл с объёмноцентрированной кубической решёткой, плотность г/см³, молярная масса г/моль. Найти: период решётки , радиус атома и положение первой линии на рентгенограмме при длине волны пм.
Период кубической ячейки находят из рентгеновской плотности: масса ячейки равна массе атомов, объём равен , отсюда . Для ОЦК на ячейку приходится атома. Ответ: пм, пм, первая линия (110) при . Калькулятор сверху считает ту же цепочку для любого вещества и любого из трёх типов кубической решётки.
Решение по шагам
Дано. Сводим условие в таблицу, сразу переводя всё в согласованные единицы.
| Величина | Обозначение | Значение |
|---|---|---|
| Плотность | 7,87 г/см³ | |
| Молярная масса | 55,85 г/моль | |
| Тип решётки | ОЦК, 2 атома на ячейку | |
| Постоянная Авогадро | моль⁻¹ | |
| Длина волны излучения | 154,06 пм (медный анод) |
Найти: период решётки , радиус атома , угол первой дифракционной линии.
Шаг 1. Определяем число атомов на ячейку. В объёмноцентрированной кубической ячейке восемь атомов сидят в вершинах и один в центре куба. Вершинный атом принадлежит ячейке только на одну восьмую, центральный целиком:
Это единственное место, где важен тип решётки: для простой кубической получилось бы , для гранецентрированной . Как устроены сами ячейки и чем они различаются по координации и плотности упаковки, подробно разобрано в статье про типы кристаллической решётки; здесь нам нужно только число .
Шаг 2. Считаем массу элементарной ячейки. Один моль содержит атомов, значит масса одного атома равна , а масса атомов:
Шаг 3. Находим объём ячейки. Ячейка целиком заполняет пространство кристалла, поэтому её плотность совпадает с плотностью вещества:
Шаг 4. Извлекаем кубический корень. Ячейка кубическая, значит . Чтобы корень извлекался без калькулятора, показатель степени приводят к числу, кратному трём:
Переводим в привычные единицы: см пм, поэтому пм Å нм.
Шаг 5. Находим радиус атома. В ОЦК атомы касаются вдоль пространственной диагонали куба, на которой умещается четыре радиуса: . Отсюда
Ответ: период решётки пм, радиус атома пм. Справочное значение для альфа-железа пм, расхождение около сотой доли процента и объясняется округлением плотности.
Формула и откуда она берётся
Всю цепочку из пяти шагов можно свернуть в одну формулу. Плотность вещества по определению равна массе, делённой на объём; для кристалла удобно взять массу и объём одной элементарной ячейки:
Величину в этой формуле называют рентгеновской, или теоретической плотностью: она рассчитана по идеальной решётке, без пор, границ зёрен и вакансий. Реальная плотность образца всегда чуть ниже, поэтому расхождение в десятые доли процента считается нормой, а расхождение в разы означает, что неверно взято .
Три буквы в формуле требуют внимания. Число отсчитывается не по атомам, которые видны на картинке ячейки, а по их долям: вершина даёт , ребро , грань , внутренняя точка единицу. Масса берётся на ту же частицу, что и : если считаешь формульные единицы соединения, то и масса нужна формульной единицы. Постоянная связывает моль с числом частиц и в задаче никогда не меняется.
Обрати внимание, что радиус атома в формуле не участвует вообще. Плотность задаёт объём ячейки, а тип решётки распределяет по этому объёму нужное число атомов, и этого достаточно. Радиус появляется только на пятом шаге, когда мы переходим от размеров ячейки к размеру самого атома. Про остальные параметры ячейки, включая углы и объём для некубических сингоний, есть отдельный разбор про параметры элементарной ячейки.
Проверка периода по условию Вульфа-Брэгга
Найденный период легко проверить экспериментом: именно так его и измеряют в лаборатории. Рентгеновский луч отражается от семейств параллельных атомных плоскостей, и отражённые волны усиливают друг друга при выполнении условия Вульфа-Брэгга:
где - расстояние между соседними плоскостями семейства , а - угол скольжения. Для кубической решётки межплоскостное расстояние выражается через период элементарно:
Подставим наш ответ. Для плоскостей (110) знаменатель равен , значит пм. Дальше из условия Вульфа-Брэгга:
На реальной рентгенограмме железа первая линия стоит при - совпадение до сотых градуса подтверждает расчёт. Обратный ход тоже работает: если из опыта известен угол, то , а период . Первые линии для нашего железа калькулятор сверху расставляет так:
| Линия | , пм | , град | |
|---|---|---|---|
| (110) | 2 | 202,7 | 44,66 |
| (200) | 4 | 143,4 | 65,01 |
| (211) | 6 | 117,0 | 82,31 |
| (220) | 8 | 101,4 | 98,91 |
Не каждое семейство плоскостей даёт линию: часть отражений гасится из-за того, что волны от атомов в центре ячейки приходят в противофазе. У ОЦК видны только отражения с чётной суммой , поэтому первой идёт (110), а не (100). У ГЦК видны отражения, у которых все три индекса одной чётности, и ряд начинается с (111). По набору линий и определяют тип решётки, ещё не зная плотности.
Если известен радиус атома, а не плотность
Второй тип условия встречается не реже: дан атомный радиус и нужно получить период. Тогда работает геометрия касания шаров, а плотность вообще не нужна:
Например, для вольфрама с ОЦК-решёткой и радиусом пм период равен пм, что совпадает с табличным значением пм. Дальше из периода можно вернуться к плотности по той же формуле и убедиться, что задача замкнулась. Сами направления касания в трёх кубических решётках Браве разобраны в статье про кубическую сингонию, а расхождение с табличным значением удобно оценивать как абсолютную и относительную погрешность.
Частые ошибки
- Взято не то число атомов на ячейку. Самая дорогая ошибка: подстановка вместо занижает период сразу на четверть, потому что под корнем стоит множитель . Число определяется типом решётки, а не числом атомов, нарисованных на схеме.
- Не переведены единицы длины. Формула с плотностью в г/см³ даёт период в сантиметрах. Забыв перевести в пикометры или ангстремы ( см пм Å), получишь ответ, отличающийся на десять порядков.
- Неверно извлечён кубический корень из степени. Перед корнем показатель нужно сделать кратным трём: записывают как . Попытка извлечь корень из в уме даёт дробный показатель и ошибку в разы.
- В условии Вульфа-Брэгга взят угол с дифрактограммы. На рентгенограмме подписан удвоенный угол , а в формулу подставляется . Забытое деление пополам сдвигает период примерно вдвое.
- Для соединений спутаны атомы и формульные единицы. У поваренной соли на ячейку приходится четыре формульные единицы NaCl, то есть восемь ионов; в формулу идут и г/моль вместе, смешивать их нельзя.
- Период приравнен к диаметру атома. Равенство верно только для простой кубической решётки; в ОЦК и ГЦК атомы касаются по диагоналям, и период заметно больше двух радиусов.
FAQ
Период решётки и параметр решётки - это одно и то же? Да, это синонимы: длина ребра элементарной ячейки. В кубической сингонии параметр один, его и называют периодом; в тетрагональной их уже два ( и ), а в триклинной шесть величин вместе с углами.
Как найти период решётки, если дана только плотность? Одной плотности мало: нужны ещё молярная масса и тип решётки, задающий . Тип обычно указан в условии, известен из справочника для конкретного металла или определяется по набору линий на рентгенограмме.
Почему у ОЦК-железа первая линия (110), а не (100)? Отражение от плоскостей (100) гасится: атом в центре ячейки лежит ровно посередине между этими плоскостями и даёт волну в противофазе. Условие видимости для ОЦК - чётная сумма , ему (100) не удовлетворяет, а (110) удовлетворяет.
В каких единицах записывать ответ? Чаще всего в ангстремах или пикометрах: Å пм нм. В СИ это м, но такая запись в кристаллографии неудобна, поэтому её используют редко.
Коротко
- Определи тип кубической решётки и число атомов на ячейку: простая , ОЦК , ГЦК .
- Посчитай массу ячейки и её объём .
- Извлеки кубический корень: , предварительно сделав показатель степени кратным трём.
- Переведи ответ в пикометры или ангстремы и, если нужно, найди радиус атома по условию касания ( для ОЦК).
- Для железа с г/см³ и г/моль получается пм, пм, а первая линия рентгенограммы стоит при .
Похожие задачи
Как определить период идентичности: расчёт по решётке
Как определить период идентичности вдоль направления кристалла: формула через параметры решётки и индексы [uvw], расчёт для тетрагональной ячейки и проверка по Лауэ.
Физика (ЭМ/оптика)Как рассчитать дифракционную решётку: разбор задачи
Как рассчитать дифракционную решётку с 500 штрихами на мм: период, угол максимума второго порядка для 589 нм, наибольший порядок спектра и угловая дисперсия, пошаговый разбор с формулами.
Орг./аналит. химияОкисление перманганатом калия: реакции в трёх средах
Как написать окисление перманганатом калия в кислой, нейтральной и щелочной средах: продукты восстановления марганца, метод электронного баланса, расстановка коэффициентов, расчёт титранта.
Химия (физич./структурная)Как найти активность иона: расчёт по Дебаю-Хюккелю
Как найти активность иона в растворе: ионная сила по всем ионам, коэффициент активности по предельному закону Дебая-Хюккеля, произведение f на c, разбор с числами и калькулятор.
ГенетикаКак найти частоту генотипов: закон Харди-Вайнберга
Разбор задачи по популяционной генетике: как найти частоту генотипов по закону Харди-Вайнберга, формула p2 плюс 2pq плюс q2, расчёт числа особей и калькулятор частот.
МатанализКак найти дифференциал второго порядка функции: формула
Разбираем, как найти дифференциал второго порядка функции: формула через вторую производную, пошаговый расчёт для y = x^3 ln x при dx = 0,1, потеря инвариантности формы и случай двух переменных.