Строение твердых кристаллических тел

Квалификационные требования к МС.

В квалификационные требования к муниципальным служащим включаются требования к:

1) уровню профессионального образования с учетом специализации муниципальной должности

2) стажу и опыту работы по специальности

3) уровню знаний Конституции РФ, Федеральных законов, законов субъектов РФ, Устава МО и других нормативно-правовых актов муниципального образования

Гражданам, претендующим на муниципальную должность муниципальной службы рекомендуется иметь:

1) высшее профессиональное образование

2) высшее профессиональное образование по специальности государственное и муниципальное управление

3) для младших муниципальных должностей – среднее профессиональное образование по специальности государственное управление

 

Квалификационные требования к стажу и опыту работы:

1) высшая муниципальная должность – стаж муниципальной службы на главной муниципальной должности не менее 2-х лет

2) главная муниципальная должность – стаж на ведущей муниципальной должности не менее 2-х лет

3) ведущая муниципальная должность – стаж муниципальной службы на старших муниципальных должностях не менее 2-х лет

4) старшая муниципальная должность – стаж работы по специальности не менее 3-х лет

5) младшая муниципальная должность – без предъявления требований к стажу

Должностная инструкция должна содержать перечень конкретных обязанностей по конкретной муниципальной должности

 

Твердые тела имеют кристаллическое или аморфное строение. Твердое кристаллическое тело представляет собой совокупность множества произвольно расположенных и взаимно связанных кристаллов.

Кристалл есть твердое вещество (здесь не рассматривается класс жидких кристаллов), обладающее трехмерной периодической атомной структурой и при равновесных условиях образования имеющее естественную форму правильных симметричных многогранников. Следовательно, кристаллическое строение характеризуется правильным, закономерным расположением частиц (атомов, молекул) в пространстве.

Природные кристаллы, из которых сформированы твердые тела, в первом приближении соответствуют идеальному кристаллу, атомное строение которого характеризуется трехмерным, периодически повторяющимся расположением в пространстве составляющих элементов– кристаллической решеткой. Вместе с тем в каждом отдельном реальном кристалле могут существовать (и реально всегда существуют) отклонения от идеальной решетки. Несмотря на то, что плотность этих отклонений большей частью весьма мала, они на многие физические и механические свойства материала оказывают значительное, а на некоторые из них – решающее влияние.

Атомы твердого тела прочно связаны один с другим силами межатомного взаимодействия, но не могут сблизиться настолько, чтобы наступило их взаимопроникновение и резко возросла плотность тела. Таким образом, модель твердого тела должна отображать возникновение между атомами сил притяжения при значительном удалении атомов друг от друга и сил отталкивания при слишком тесном сближении атомов. Такая модель соответствует взаимодействию упругих шаров, центры которых соединены с помощью упругой пружины (рис. 1.1а). Если с помощью внешней силы попытаться сблизить шары, возникают упругие силы, которые противодействуют сближению и отодвигают шары на некоторое (равновесное) расстояние а0 между центрами шаров. При увеличении расстояния между центрами шаров на величину а>а0 возникают упругие силы противоположного знака, препятствующие расхождению шаров.

При столкновении двух шаров низший уровень свободной энергии соответствует их касанию. Для трех шаров низший уровень свободной энергии соответствует расположению шаров в вершинах треугольника при их взаимном касании (рис. 1.1б). Для семи шаров, центры которых находятся в одной плоскости, низший уровень свободной энергии соответствует гексагональному расположению, когда шесть шаров окружают один центральный шар при взаимном касании (рис. 1.1в). Располагаясь вокруг центрального шара, N шаров будут повторять определенное число раз симметрию исходной группы. При таком идеальном порядке число взаимодействующих пар максимально при минимальном значении свободной (или потенциальной) энергии.

Как же кристаллическая система узнает, что составляющие её атомы, будучи поставлены в конкретные места, приведут к наименьшему значению потенциальной энергии этой системы? Дело в том, что каждый атом взаимодействует с соседними примерно 1013 раз в секунду. Если атом «ударяется» о подходящее место в растущем кристалле, то вероятность того, что он улетит обратно, будет меньше там, где реализуется меньшая потенциальная энергия. В результате метода проб и ошибок атомы остаются в положении, для которого характерно наименьшее значение потенциальной энергии, что и приводит через некоторое (довольно длительное) время к росту больших кристаллов, составляющих твердые кристаллические тела.

При описании правильной внутренней структуры кристаллов обычно пользуются понятием кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой пространственную сетку, в узлах которой располагаются частицы (атомы, ионы или молекулы), образующие кристалл.

В основе кристаллической решетки лежит элементарная кристаллическая ячейка, представляющая собой параллелепипед с характерным для данной решетки расположением атомов (рис. 1.2). Если взять большое число одинаковых кристаллических ячеек и вплотную уложить их в определенном объеме, сохраняя параллельность ребер и граней, то мы будем иметь пример строения идеального монокристалла.

 

Рис. 1.2. Элементарная кристаллическая ячейка

Формы кристаллов чрезвычайно разнообразны. Изучением их занимается наука кристаллография.

Важнейшим геометрическим свойством кристаллов, кристаллических решеток и их элементарных ячеек является симметрия по отношению к определенным направлениям (осям) и плоскостям. Число возможных видов симметрии ограничено.

Французский кристаллограф О. Браве в 1848 г. положил начало геометрической теории структуры кристаллов и показал, что в зависимости от соотношения величины и взаимной ориентации ребер элементарной кристаллической ячейки может существовать 14 типов кристаллических решеток (они получили название решеток Браве).

Различают примитивные (простые), базоцентрированные, объем-ноцентрированные и гранецентрированные решётки Браве. Если узлы кристаллической решетки расположены только в вершинах параллелепипеда, представляющего собой элементарную ячейку, то такая решетка называется примитивной или простой. Если, кроме того, имеются узлы в центре оснований параллелепипеда, то решетка называется базоцентрированной, если есть узел в месте пересечения пространственных диагоналей – решетка называется об­ъ­ем­но­цен­т­ри­ро­­-
ва­н­ной, а если имеются узлы в центре всех боковых граней – гранецентрированной.

По форме ячейки в зависимости от углов между ее гранями α,β,γ,
(рис. 1.2) и от соотношения между величиной ребер a, b, c различают семь кристаллических систем (сингоний): 1) кубическая; 2) гексагональная; 3) тетрагональная; 4) тригональная или ромбоэдрическая;
5) ромбическая; 6) моноклинная и 7) триклинная.

Приведем примеры элементарных ячеек четырнадцати простейших кристаллических решеток, принадлежащих разным кристаллическим системам (рис. 1.3–1.9).

В кристаллах кубической системы (рис. 1.3) возможны три решетки: простая, объемноцентрированная и гранецентрированная.

а б в

Рис.1.3. Кубическая система и её решётки (α=β=γ=90°, a=b=c):

а – простая; б – объёмноцентрированная; в – гранецентрированная

 

В кубической системе все углы элементарной ячейки прямые и все ребра ее равны между собой.

 

Элементарная ячейка гексагональной системы представляет собой прямую призму, в основании которой лежит ромб с углами 60 и 120° (рис. 1.4). Два угла между осями ячейки прямые, а один равен 120°.

 

а б

Рис.1.4. Гексогональная система (α= γ=90°, β=120°, a=c≠ b):а – элементарная ячейка;

б – три элементарные ячейки составляют шестигранную призму

 

Высота элементарной призмы не равна длине стороны ромба, лежащего в основании. Три таких ячейки составляют гексагональную призму, которая имеет более тесную связь с элементами симметрии, чем примитивная ячейка.

Простейшая ячейка в тетрагональной системе представляет собой прямоугольный параллелепипед, в основании которого лежит квадрат (рис. 1.5). В этой системе наблюдаются два варианта решетки: простая и объемноцентрированная. Как видно, обе эти решетки отличаются от соответствующих решеток кубической системы только неравенством ребер а и b.

а б

Рис.1.5. Тетрагональная система (α=β=γ=90°, a=c≠ b):

а – простая; б – объёмноцентрированная

 

В тригональной системе (рис. 1.6) элементарная ячейка пред­ставляет собой ромбоэдр (вследствие чего система имеет и другое название – ромбоэдрическая). Углы α,β и γодинаковы, отличны от 90° и меньше 120°.

Рис.1.6. Тригональная (ромбоэдрическая) система (α=β=γ≠90°, a=c=b)

 

Элементарная ячейка ромбической системы (рис.1.7) представляет собой прямоугольный параллелепипед с различной длиной ребер. В ней имеется четыре пространственных решетки: простая, с це­н­т­ри­ро­ван­ным базисом, объемноцентрированная и гр­а­не­це­н­т­ри­ро­ва­нная.

а б в г

Рис.1.7. Ромбическая система и её решётки (α=β=γ=90°, a≠b≠c):

а – простая; б – с центрированным базисом; в – объёмноцентрированная; г – гранецентрированная

 

В моноклинной системе (рис.1.8) элементарная ячейка пре­д­с­та­в­ляет собой наклонный параллелепипед, две пары граней которого являются прямоугольниками, а одна пара – параллелограммами. Одно из ребер ячейки (по нашим обозначениям на рис. 1.2 это будет ребро с)перпендикулярно двум другим. В этой системе имеются две про­с­т­ран­с­т­вен­ные решетки: простая и с центрированным базисом.

а б

Рис.1.8. Моноклинная система и её решётки (α=β=90°; γ≠90°, a≠b≠c):

а – простая; б – с центрированным базисом

 

Единственная пространственная решетка триклинной системы имеет элементарную ячейку в виде параллелепипеда, все ребра которого различны и углы α, β и γне равны между собой (рис. 1.9).

Рис.1.9. Триклинная система (α≠90°; β≠90°; γ≠90°, a≠b≠c):

а – простая; б – с центрированным базисом

 

Наиболее распространены три типа кристаллических решёток: о.ц.к.: α-Fe, Сr, Mb, Mo, Та и др.; г.ц.к.: Pb, Al, Cu, Ni и др.; г.п.у.: Cd, Zn, Mg, Ti, Be и др.

Пара – плоскость скольжения и направление в ней называется системой скольжения. В табл. 1.1 приведено количество элементов скольжения для указанных типов решеток.

Таблица 1

Количество элементов скольжения

основных типов кристаллических решеток металлов

Решетки Элементы скольжения Общее количество систем скольжения   Координационное число
плоскости направления
Объёмноцентрированная кубическая о. ц. к. 6·2=12 К8
Гранецентрированная кубическая г. ц. к. 4·3=12 К12
Гексагональная плотноупакованная г.п.у. 1·3=3 К12

 

Число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома, называют координационным числом, которое наряду с условным обозначением и системой скольжения характеризует кристаллическую решетку.

По характеру сил межатомного взаимодействия твердые кристаллические тела подразделяют:

· на ионные кристаллы (кристаллы галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов, например NaCl, CsCl, CaF2; нитраты, сульфаты, фосфаты и другие соли металлов; силикаты типа SiC4 и др.);

· молекулярные кристаллы (кристаллы органических соединений, например парафин, нафталин и др.; металлоорганические соединения и некоторые комплексные соединения; кристаллы многих полимеров, в том числе белков и нуклеиновых кислот, а также кристаллы отвердевших благородных газов);

· валентные (ковалентные) кристаллы (например, кремний, углерод, германий, алмаз, органические полупроводники);

· металлические кристаллы (металлы).

Тип сил межатомной связи определяет многие свойства кристаллов. Валентные кристаллы с локализованными на прочных ковалентных связях электронами имеют большую твердость, высокие показатели преломления, малую электропроводность. У металлов основными структурными элементами являются положительные ионы решетки и газ свободных электронов. Силы межатомного взаимодействия обусловлены кулоновским притяжением ионов и электронов, а также обменной энергией между электронами. Металлические кристаллы пластичны, не прозрачны, а большая концентрация электронов проводимости является причиной высокой электропроводности. Промежуточные характеристики имеют ионные кристаллы с ионным (электростатическим) характером сил межатомного взаимодействия. Наиболее слабые связи наблюдаются в молекулярных кристаллах, поэтому они легкоплавкие и обладают низкими механическими характеристиками.

Все кристаллы образованы структурными элементами. Структурные элементы — это частицы, образуемые атомами и молекулами при объединении их в твердое тело: ионы, газ свободных электронов в металлах и валентные электроны, участвующие в образовании ковалентной связи. Характер распределения электронов в структурных элементах, образующих кристалл, определяет конкретный тип сил межатомного взаимодействия. К основным типам межатомной связи относят: кулоновские силы, квантовые силы отталкивания, силы, обусловленные поляризацией атомов, валентные силы связи и другие.

Каждое твердое кристаллическое тело имеет определенную кристаллическую решетку, которая у некоторых кристаллов может изменяться в зависимости от внешних условий. Существование одного вещества в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма (аллотропии), а сами формы называются аллотропическими модификациями. Аллотропические модификации принято обозначать греческими буквами α,β,γ и т.д., которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему химический элемент. Аллотропическая модификация, существующая при самой низкой температуре или самом низком давлении, обозначается через α, следующая – через βи т.д. Переход вещества из одной кристаллической формы в другую называется фазовым переходом.

Свойства отдельно взятого кристалла (монокристалла) по данному направлению внутри него отличаются от свойств этого кристалла по другому направлению и зависят от того, сколько атомов встречается в заданном направлении. Это явление носит название анизотропии и характерно для любого кристалла. Реальное твердое тело состоит из множества кристаллов. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается примерно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате свойства такого поликристаллического тела одинаковы по всем направлениям, хотя свойства каждого кристалла, составляющего это тело, зависят от направления. Это явление называют квазиизотропией (ложной изотропией).