البنية البلورية للكوارتز – بيتا

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

علوم الأرض والجيولوجيا

كما سيتم وصفه في الفصل 2، تم منذ بداية القرن العشرين تطوير تقنيات لتفحُّصْ داخل حبة الرمل (الكوارتز) وتحديد مواقع الذرات في الخلية المكونية.

ولقد قاد ذلك بدوره إلى فهم أصل الكهرضغطية على المستوى الذري. ولتوضيح النموذج الذري للكهرضغطية، تُقارَنْ مواقع الذرات في خلية الكوارتز  المكونية في درجات الحرارة العالية (الكوارتز بيتا) مع مواقع الذرات في خلية الكوارتز  المكونية في درجات الحرارة المنخفضة (الكوارتز ألفا).

في عام 1926 (تقريباً في نفس الوقت الذي طورت فيه أنظمة السونار وساعات الكوارتز)، حدّد لورنس براغ (Lawrence Bragg) ور. إ. جيبس (R. E. Gibbs) بنى كل من الكوارتز- ألفا و الكوارتز- بيتا (Bragg and Gibbs 1926 and Gibbs 1927).

يُبيِّن الشكل 7.1– أعلى يمين البنية البلورية للكوارتز- بيتا حيث ترتبط كل من ذرات السيليكون (الكرات الكبيرة) مع أربع ذرات أوكسجين (الكرات الصغيرة).

الشكل(7.1  )في بنية الكوارتز- بيتا (أعلى يمين) ترتبط كل ذرة سيليكون (كرة كبيرة) مع أربع ذرات أكسجين (كرة صغيرة) تقع على رؤوس رباعي وجوه.

تتقاسم رباعيات الوجوه الرؤوس لتشكيل مسدس حيث يمكن النظر إلى البنية كشبكة متصلة من رباعيات الوجوه (أعلى يسار). رُسمت حدود أصغر مجموعة ذرات، أي الخلية المكونية، التي تُعرِّف البنية.

يتضح الأصل الذري للكهرضغطية بمقارنة الخلايا المكونية للكوارتز- بيتا (اليسار) والكوارتز- ألفا (اليمين). عندما تُضغط الخلية المكونية في الاتجاه الأفقي، يسمح الكوارتز- ألفا الأقل تناظراً بحصول عدم تعادل في الشحنة الكهربائية بين ذرات السيليكون الموجبة وذرات الأكسجين السالبة.

في الكوارتز- بيتا، يمنع التناظر الأعلى حصول عدم تعادل الشحنة.  

 

ويمكن التفكير في وجود ذرات الأوكسجين على رؤوس رباعي وجوه حيث تشترك كل ذرة أوكسجين بين اثنين من رباعيات الوجوه. وعند اسقاط البنية ثلاثية الأبعاد على مستوي الورقة، تظهر رباعيات الوجوه المتجاورة كمسدس حيث تشكل حافة كل رباعي وجوه ضلعاً من المسدس.

يمكن تمثيل بنية الكوارتز- بيتا كشبكة من رباعيات الوجوه كما في الشكل  7.1– أعلى يسار (كما سيُناقش في الفصل 2، تعتمد هندسة الرمل على شبكة من رباعيات الوجوه).

وبشكل متراكب مع المسدسات المتصلة، يظهر ترسيم حدود الخلايا المكونية التي تعرف بنية الكوارتز في مستوي الورقة.

وتُعرَّف الخلية المكونية بواسطة محورين متساويين في الطول يفصل بينهما زاوية 120°. تُوصف بنية الكوارتز- بيتا تماماً بواسطة مواقع الذرات في واحدة من الخلايا المكونية المحددة في الشكل.

وتنشأ البنية المجهرية بتكرار الخلية المكونية وفق الأبعاد الثلاثة تماماً كما يتم تلبيس أرضية بواسطة البلاط. وقد رُسمت في الشكل حدود أربع خلايا عنصرية.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]