Номер 5, страница 168 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

5. Какие опыты доказывают правильность представлений об упорядоченном расположении частиц в кристалле?

4. Что такое ось симметрии кристалла?

Ось симметрии кристалла — это воображаемая прямая линия, проходящая через кристалл, при повороте вокруг которой на определённый угол кристалл совмещается сам с собой, то есть его положение и внешний вид в пространстве не изменяются. Эта операция называется поворотом симметрии.

Основной характеристикой оси симметрии является её порядок (n). Порядок оси — это целое число, показывающее, сколько раз кристалл займёт идентичное исходному положение при полном повороте на 360°. Элементарный угол поворота $\alpha$, соответствующий оси порядка $\text{n}$, вычисляется по формуле:

$\alpha = \frac{360^\circ}{n}$

В силу того, что кристаллическая решётка должна заполнять всё пространство без пустот, в кристаллах возможны только оси симметрии 1-го, 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядков. Оси 5-го, 7-го и более высоких порядков (кроме бесконечного) невозможны в классической кристаллографии, так как фигуры с такой симметрией не могут плотно заполнить пространство (это называется кристаллографическим запретом).

• Ось 1-го порядка (L1): поворот на 360°. Присутствует в любом объекте.
• Ось 2-го порядка (L2): поворот на 180°.
• Ось 3-го порядка (L3): поворот на 120°.
• Ось 4-го порядка (L4): поворот на 90°.
• Ось 6-го порядка (L6): поворот на 60°.

Наличие и сочетание осей симметрии, наряду с другими элементами симметрии (плоскостями и центром симметрии), определяют принадлежность кристалла к той или иной кристаллографической сингонии.

Ответ: Ось симметрии кристалла — это воображаемая линия, при повороте вокруг которой на угол $\alpha = 360^\circ/n$ (где $\text{n}$ — порядок оси) кристалл совмещается сам с собой. В кристаллах возможны только оси 1, 2, 3, 4 и 6-го порядков.

5. Какие опыты доказывают правильность представлений об упорядоченном расположении частиц в кристалле?

Представление об упорядоченном, периодическом расположении частиц (атомов, ионов, молекул) в кристаллах, то есть о существовании кристаллической решётки, подтверждается целым рядом физических экспериментов. Ключевыми из них являются дифракционные методы.

1. Дифракция рентгеновских лучей. Это исторически первый и наиболее фундаментальный метод, доказавший наличие кристаллической структуры. В 1912 году Макс фон Лауэ предположил, что если кристаллы имеют упорядоченную структуру с межатомными расстояниями порядка $10^{-10}$ м, то они должны действовать как естественная дифракционная решётка для рентгеновских лучей, длина волны которых имеет тот же порядок. Эксперимент, проведённый Вальтером Фридрихом и Паулем Книппингом, подтвердил эту гипотезу: при прохождении через кристалл рентгеновский пучок распадался на множество отдельных пучков, создавая на фотопластинке характерный узор из пятен (лауэграмму). Позднее У. Г. Брэгг и У. Л. Брэгг предложили простое объяснение этому явлению, известное как закон Брэгга — Вульфа. Они показали, что дифракционную картину можно рассматривать как результат когерентного отражения рентгеновских лучей от системы параллельных атомных плоскостей в кристалле. Условие конструктивной интерференции (усиления) волн описывается формулой:

$2d \sin\theta = n\lambda$

где $\text{d}$ — межплоскостное расстояние, $\theta$ — угол скольжения (угол между падающим лучом и плоскостью), $\lambda$ — длина волны рентгеновского излучения, а $\text{n}$ — целое число (порядок дифракционного максимума). Анализ расположения и интенсивности дифракционных максимумов позволяет с высокой точностью определять параметры кристаллической решётки и положение атомов в ней.

2. Дифракция электронов (электронография) и нейтронов (нейтронография). Подобно рентгеновским лучам, пучки электронов и нейтронов также обладают волновыми свойствами (согласно гипотезе де Бройля) и дифрагируют на кристаллической решётке. Эти методы дополняют рентгеноструктурный анализ. Электронография особенно эффективна для изучения тонких плёнок и поверхностных слоёв, а нейтронография позволяет определять положение лёгких атомов (например, водорода) и исследовать магнитную структуру кристаллов.

3. Современные методы микроскопии. Развитие технологий в XX веке позволило получить прямые визуальные подтверждения.

• Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и атомно-силовая микроскопия (АСМ) позволяют получать изображения поверхностей с разрешением до отдельных атомов, на которых непосредственно видна их упорядоченная, периодическая укладка.
• Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ПЭМВР) позволяет получать изображения, на которых видны проекции атомных колонок, что напрямую демонстрирует внутреннюю кристаллическую структуру вещества.

Таким образом, совокупность дифракционных экспериментов и методов прямой визуализации однозначно доказывает, что частицы в кристаллах образуют строго упорядоченную пространственную структуру — кристаллическую решётку.

Ответ: Правильность представлений об упорядоченном расположении частиц в кристалле доказывают в первую очередь опыты по дифракции рентгеновских лучей, электронов и нейтронов на кристаллах, а также прямые наблюдения атомной структуры с помощью современных микроскопов (сканирующего туннельного, атомно-силового, просвечивающего электронного).