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LO STATO CRISTALLINO
Un cristallo è un solido geometrico con facce, spigoli e vertici che si origina per regolare accrescimento di una struttura tridimensionale elementare di dimensioni infinitesime: la cella elementare. In essa le particelle (atomi, ioni o molecole) sono disposte in maniera ordinata e sono vincolate in una posizione fissa, intorno alla quale possono soltanto vibrare e oscillare senza alcuno spostamento reale. La cella elementare rappresenta geometricamente il più piccolo insieme di atomi, ioni o molecole che si ripete nelle tre dimensioni nello spazio e che genera un reticolo spaziale che prende il nome di reticolo cristallino. In questo si riconoscono i nodi, che sono i punti occupati dalle particelle, i filari che sono gli allineamenti lungo i quali le particelle si susseguono a distanze fisse e sono separate da spazi vuoti e i piani reticolari, formati da più filari posti ad uguale distanza. Il reticolo cristallino si può immaginare formato da tanti piani reticolari paralleli disposti alla stessa distanza. L'esempio riportato in figura 4.4. si riferisce al salgemma che corrisponde al composto chimico cloruro di sodio. Questo presenta una delle strutture interne più semplici; la cella elementare ha forma cubica con ai vertici quattro ioni Na+ e quattro ioni Cl-, disposti alternativamente e legati tra loro dalla forza di attrazione elettrostatica. Nel sale questa cella ha forma cubica con ioni solo ai vertici, ma in altri minerali la cella può avere altre forme e presentare atomi, ioni o molecole anche al centro delle facce e all'interno; in quest'ultimo caso si tratta di celle elementari che, anziché affiancate, sono compenetrate una nell'altra.
L'esistenza di particelle diverse per struttura e dimensioni dà origine a reticoli cristallini diversi; anche le forme degli abiti cristalli, di conseguenza sono molteplici e molto complesse.
Quando pensiamo ad un cristallo, di solito ci viene in mente un solido di discrete dimensioni e dalla forma geometrica perfetta; ma in natura è molto raro che i cristalli si presentino in questo modo: Sovente i cristalli sono così piccoli che occorre la lente o addirittura il microscopio per osservarli. Inoltre non sempre si ha il cristallo tipo, cioè il cosiddetto cristallo proporzionato. Gli ostacoli materiali che impediscono un accrescimento uniforme del cristallo sono molteplici, per cui si ritrova un minerale in cristalli sproporzionati, cresciuti cioè in maniera diversa nelle tre dimensioni nello spazio nei quali si nota uno sviluppo maggiore di alcune facce rispetto ad altre. Ma qualunque sia l'aspetto esteriore dei cristalli, se essi sono della stessa specie chimica, hanno una caratteristica comune, importantissima che permette di identificarli e classificarli.
Tale caratteristica fu notata dal danese Nicola Stenone più di 300 anni fa. Egli si accorse che in tutti i cristalli di indeterminato minerale gli angoli diedri corrispondenti (cioè formati da facce dello stesso tipo), hanno un valore costante a temperatura costante. Fu questa scoperta che fece pensare ad un ordine interno delle particelle costituenti il cristallo (ancora non si conoscevano gli atomi), ma si dovette aspettare fino al 1915 perché due fisici inglesi, W. H. Bragg e W. L. Bragg (padre e figlio), usando i raggi X, determinassero la struttura del sale da cucina.
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