Avaa päävalikko

Bravais’n hila on geometriassa ja kristallografiassa ääretön pistejoukko, jonka muodostavat ne avaruuden pisteet, joiden paikkavektorit ovat kolmiulotteisessa avaruudessa ovat muotoa

missä a1, a2 ja a3 ovat kolme erisuuntaista, lineaarisesti riippumatonta vektoria ja n1, n2 ja n3 mielivaltaisia kokonaislukuja. Tällaisten pisteiden paikkavektorien joukko on suljettu vektorien yhteen- ja vähennyslaskun suhteen, toisin sanoen kahden tähän joukkoon kuuluvan vektorin summa ja erotus kuuluvat myös tähän joukkoon. Bravais’n hila on saanut nimensä ranskalaisen fyysikko Auguste Bravais’n (1811–1863) mukaan, joka vuonna 1850 todisti, että on olemassa 14 mahdollista kidehilatyyppiä.[1]

Bravais’n hila on translaatiosymmetrinen sellaisten yhdensuuntaissiirtojen suhteen, joiden siirtymävektori vastaa jonkin siihen kuuluvan pisteen paikkavektoria. Toisin sanoen jos hilassa siirrytään toiseen paikkaan tällaisen siirtymävektorin osoittamalla tavalla, sen pisteen ympäristö, johon päädytään, on samanlainen kuin lähtöpisteenkin.

Bravais’n hilan käsite voidaan siis määritellä puhtaan geometrisesti, mutta sen tärkeimmät sovellukset liittyvät kiinteiden aineiden kidehilojen tutkimukseen eli kristallografiaan. Tällöin hilapisteet vastaavat atomien, ionien tai polymeeriketjujen sijaintia aineen kidehilassa. Kiteessä nämä sijaitsevat säännöllisessä järjestyksessä, niin että monessa tapauksessa atomien tai ionien sijaintipaikat muodostavat Bravais’n hilan. Tosin on huomattava, että geometrinen Bravais’n hila jatkuu joka suunnassa äärettömän kauas, kun taas kidehila käsittää vain rajallisen alueen, jota rajoittavat kiteen rajapinnat. Kun kiteen läpimitta kuitenkin tyypillisesti on tuhansia tai jopa miljoonia kertoja suurempi kuin atomien välinen etäisyys, valtaosa kiteen atomeista sijaitsee sen sisällä ja vain pieni osa kokonaismäärästä rajapinnalla.

Kahta Bravais’n hilaa pidetään yleensä ekvivalentteina, jos niillä on isomorfiset symmetriaryhmät. Tässä mielessä kolmiulotteisessa avaruudessa on 14 erilaista Bravais’n hilaa. Nämä 14 mahdollista Bravais’n hilaa muodostavat osajoukon 230 avaruusryhmästä.

Kahdessa ulottuvuudessaMuokkaa

 
Kaksiulotteiset Bravais’n hilat: 1 – vinoasentoinen (monokliininen), 2 – suorakulmainen (ortorombinen), 3 – suorakulmainen keskinen (ortorombinen), 4 – heksagonaalinen, 5 – neliömäinen (tetragonaalinen).

Kaksiulotteisessa avaruudessa on viisi erilaista Bravais’n hilaa,[2], jotka voidaan ryhmitellä neljään kideperheeseen.

Kideperhe Schoenfliesin merkintä Bravais’n hila
Yksinkertainen Keskinen
Monokliininen C2 vinoasentoinen
Ortorombinen D2 Suorakulmainen keskinen
Heksagonaalinen D6 Heksagonaalinen
Tetragonaalinen D4 Neliömäinen

Yksikkökopit määräytyvät koppien sivujen suhteellisten pituuksien (a ja b) sekä niiden välisen kulman (  mukaan. Yksikkökopin pinta-ala voidaan laskea sivuja vastaavien vektorien a ja b eli hilavektorien ristitulon avulla:

 ,

Keskinen suorakulmainen Bravais’n hila eroaa yksinkertaisesta suorakulmaisesta vain siinä, että siinä on hilapiste, paitsi suorakulmion kärjissä, myös sen keskipisteessä. Voisi olettaa, että vastaavalla tavalla muistakin hiloista voitaisiin johtaa uusi hilatyyppi. Kuitenkin jos neliölliseen hilaan lisätään hilapisteet neliöiden keskipisteisiin, saadaan vain toinen neliöllinen hila, jonka hilavektorit ovat alkuperäisiin nähden 45 asteen kulmassa. Jos taas monokliiniseen hilaan lisätään hilapisteet suunnikkaan muotoisten yksikkökoppien keskipisteisiin, saadaan jälleen monokliininen hila, jossa vain toinen hilavektoreista sekä hilavektorien välinen kulma poikkeavat alkuperäisistä. Jos taas heksagonisen hilan yksikkökoppien keskipisteisiin lisätään hilapisteet, saadaan yksinkertainen suorakulmainen hila, jonka hilavektorien suunnat poikkeavat alkuperäisen hilasta.

Seuraavassa taulukossa luetellaan kideperheiden ominaisuuksia:

Kideperhe Yksikkökopin pinta-ala Sivujen pituudet Sivujen välinen kulma
Monokliininen   ab θ ≠ 90°
Ortorombinen   ab θ = 90°
Heksagonaalinen   a = b θ = 120°
Tetragonaalinen   a = b θ = 90°

Kolmessa ulottuvuudessaMuokkaa

Kolmiulotteisessa avaruudessa on 14 Bravais’n hilaa. Ne saadaan yhdistämällä kuhunkin seitsemästä kidejärjestelmä yksi keskisyystyypeistä. Keskisyystyypit osoittavat hilapisteiden paikat yksikkökopissa seuraavasti:

  • Yksinkertainen eli primitiivinen (P): hilapisteitä on vain kopin kärkipisteissä
  • Pohjakeskiset (A, B tai C): hilapisteet on yksikkökopin kärjissä sekä lisäksi tietyn suuntaisten sivutahkojen keskipisteissä.
  • Tilakeskinen (I): hilapisteet ovat yksikkökopin kärjissä sekä lisäksi kopin keskipisteessä
  • Pintakeskinen (F): hilapisteet ovat yksikkökopin kärjissä sekä lisäksi sen kaikkien sivutahkojen keskipisteissä

Kaikkia kidejärjestelmän ja keskisyystyypin yhdistelmiä ei kuitenkaan tarvita kuvaamaan kaikkia mahdollisia hiloja, sillä osoittautuu, että jotkin niistä ovat ekvivalentteja toistensa kanssa. Esimerkiksi monokliinin tilakeskinen hila voidaan kuvata myös monokliinisenä pohjakeskisenä hilana valitsemalla kiteen akselit toisin. Samoin kaikki pohjakeskiset A- ja B-hilat voidaan kuvata joko C-hilana tai yksinkertaisena hilana. Tämä vähentää yhdistelmien lukumäärän neljääntoista, jotka esitetään seuraavassa taulukossa:[3]

Kideperhe Hilajärjestelmä Schoenfliesin merkintä 14 Bravais’n hilaa
Yksinkertainen (P) Pohjakeskinen (C) Tilakeskinen (I) Pintakeskinen (F)
Trikliininen Ci  
Monokliininen C2h    
Ortorombinen D2h        
Tetragonaalinen D4h    
Heksagonaalinen Romboedrinen D3d  
Heksagonaalinen D6h  
Kuutiollinen Oh      

Tarkemmin yksikkökopit voidaan kuvailla kopin särmien suhteellisten pituuksien (a, b, c) ja niiden välisten kulmien (α, β, γ) avulla. Yksikkökopin tilavuus voidaan laskea skalaarikolmitulon a · (b × c), avulla, missä a, b ja c ovat hilavektorit. Kidejärjestelmien ominaisuuksia on lueteltu seuraavassa taulukossa:

Kideperhe Hilajärjestelmä Tilavuus Aksiaaliset etäisyydet (särmien pituudet)[4] Akselien väliset kulmat[4] Esimerkkejä
Trikliininen   (muut kuin jäljempänä esitettävät tapaukset) K2Cr2O7, CuSO4·5H2O, H3BO3
Monokliininen   ac α = γ = 90°, β ≠ 90° Monokliininen rikki, Na2SO4·10H2O, PbCrO3
Ortorombinen   abc α = β = γ = 90° rombinen rikki, KNO3, BaSO4
Tetragonaalinen]]   a = bc α = β = γ = 90° Valkoinen tina, SnO2, TiO2, CaSO4
Heksagonaalinen Romboedrinen   a = b = c α = β = γ ≠ 90° Kalsiitti (CaCO3), sinooperi (HgS)
Heksagonaalinen   a = b α = β = 90°, γ = 120° Grafiitti, ZnO, CdS
Kuutiollinen   a = b = c α = β = γ = 90° NaCl, KCl, sinkkivälke, kupari, hopea

Hiloja, jotka eivät ole Bravais’n hilojaMuokkaa

 
Heksagonaalinen tiivispakkaus
 
Timanttirakenteisen kiteen yksikkökoppi
 
2×2×2 timanttirakenteisen kiteen yksikkökoppia

On olemassa myös kidehiloja, jotka eivät ole Bravais’n hiloja. Sellainen on esimerkiksi heksagonaalinen tiivispakkaus (HCP). Se muodostuu tosin heksagonaalisista yksikkökopeista, joissa hilavektorien välinen kulma on 60°, mutta kussakin tällaisessa yksikkökopissa on kaksi hilapistettä. Jos yksikkökopin korkeutta merkitään h:lla, tasoilla z=nh, missä n on mielivaltainen kokonaisluku, hilapisteet ovat samoilla kohdilla eli kullakin tasolla niillä on samat x- ja y-koordinaatit, mutta tasoilla z = (n+1/2)h nämä koordinaatit ovat toiset. Jos a jokin tasolla z=h/2 olevan hilapisteen paikkavektori, ei piste 2a ole hilapiste ja näin ollen hila ei määritelmän mukaan ole Bravais’n hila. Tasolla z=h/2 olevat hilapisteet muodostavat kylläkin samanlaisen tasasivuisista kolmioista muodostuvan verkoston kuin tasolla z=0 olevatkin, mutta näiden pisteiden kolmiulotteiset lähiympäristöt ovat päinvastaisilla tavoilla suuntautuneet. Jos kuitenkin otetaan huomioon vain joka toisella hilatasolla olevat hilapisteet, ne muodostavat heksagonaalisen Bravais’n hilan.[5]

Myöskään timanttirakenteinen hila ei ole Bravais’n hila. Sen yksikkökoppi on kuutio 0<=x<d, 0<=y<d, 0<=z<d, jossa hilapisteitä ovat (0,0,0), (0,d/2,d/2), (d/2,0,d/2), (d/2,d/2,0), (d/4,d/4,d/4), (d/4, 3d/4, 3d/4), (3d/4 ,d/4, 3d3/4) ja (3d/4, 3d/4, d/4). Piste a=(d/4,d/4,d/4) on siis hilapiste, mutta piste 2a = (1/2,1/2,1/2) ei ole, eikä kyseessä siis ole Bravais’n hila. Jos kuitenkin otetaan huomioon edellä olevista hilapisteistä vain ne, joiden koordinaateissa ei ole nimittäjää 4, ne muodostavat pintakeskeisen kuutiollisen Bravais’n hilan. Toisaalta ne hilapisteet, joiden koordinaateissa esiintyy nimittäjä 4, muodostavat nekin pintakeskeisen kuutiollisen hilan, joka kuitenkin on päinvastaisella tavalla suuntautunut.[5]

Neljässä ulottuvuudessaMuokkaa

Matemaattisesti Bravais’n hilan käsite voidaan yleistää myös neljään tai useampaa ulottuvuuteen. Voidaan osoittaa, että neljässä ulottuvuudessa on 64 Bravais’n hilaa, joista 23 on yksinkertaisia ja 41 keskisiä. Kymmenen Bravais’n hilaa jakautuu enantiomorfisiin pareihin, jotka ovat toistensa peilikuvia.[6]

Tämä artikkeli tai sen osa on käännetty tai siihen on haettu tietoja muunkielisen Wikipedian artikkelista.
Alkuperäinen artikkeli: en:Bravais lattice

LähteetMuokkaa

  1. Malcolm E. Lines: ”Aristoteleesta lasin rakenteeseen”, Jättiläisen harteilla: Matematiikan heijastuksia luonnontieteeseen, s. 25. Suomentanut Veli-Pekka Ketola. Art House, 2000. ISBN 951-884-285-X.
  2. Charles Kittel: Introduction to Solid State Physics, s. 10. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-11181-3. Teoksen verkkoversio.
  3. Theo Hahn: International Tables for Crystallography, Volume A: Space Group Symmetry, s. 744. Springer-Verlag, 2002. ISBN 978-0-7923-6590-7. doi:10.1107/97809553602060000100.
  4. a b Theo Hahn: International Tables for Crystallography, Volume A: Space Group Symmetry, s. 758. Springer-Verlag, 2002. ISBN 978-0-7923-6590-7. doi:10.1107/97809553602060000100.
  5. a b H. E. Hall: ”Typical crystal structures”, Solid state physics, s. 34–40. John Wiley & Sons Ltd, 1979. ISBN 0-471-34280-7.
  6. Harold Brown, Rolf Bülow, Joachim Neubüser, Hans Wondratschek, Hans Zassenhaus: Crystallographic groups of four-dimensional spae. New York: Wiley-Interscience [John Wiley & Sons], 1978. ISBN 978-0-471-03095-9.

Katso myösMuokkaa