51 บทที่ 7 โครงสร้างผลึก
บทที่ 7 โครงสร้างผลึก
(Crystal structure)
รูปเกร็ดน้ำแข็งในช่องแช่แข็งของตู้เย็น
แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window
เกร็ดน้ำแข็งที่เกาะตามขอบภาชนะในช่องแช่แข็งของตู้เย็น เกิดจากการที่ละอองน้ำในอากาศภายในช่องแช่แข็งเกิดการกลั่นตัวจนเป็นน้ำแข็ง
หรืออีกตัวอย่างก็คือ น้ำเกลือในหม้อต้มเมื่อต้มจนให้น้ำระเหยออกหมดก็จะเหลือแต่เกลืออยู่ภายในหม้อ เมื่อนำทั้งสองตัวอย่างมาส่องขยายด้วยกล้องจุลทรรศน์ หรือแว่นขยายจะพบว่ามันมีลักษณะเป็นเหลี่ยม ๆ เป็นรูปแบบ ซึ่งเรียกลักษณะเหล่านี่ว่า ผลึก (Crystal)
รูปผลึกของน้ำแข็ง
รูปเกลือที่มีรูปร่างเป็นเหลี่ยมในรูปแบบผลึก
ในโลหะก็มีรูปแบบของผลึกเหมือนกัน โดยเหล็ก และเหล็กกล้าขณะที่กำลังหลอมตัว มันมีสถานะเป็นของเหลวอุณหภูมิสูง
และเมื่อเหล็กหลอมเหลวถูกทำให้เย็นตัวลงเกิดเป็นของแข็ง จะก่อรูปร่างเป็นผลึกในหลายส่วนของเหล็กหลอม โดยมีการเติบโตอย่างช้า ๆ โตขึ้นเรื่อย ๆ จนกลายเป็นของแข็ง การโตขึ้นของผลึกหลาย ๆ จุดที่อยู่ใกล้กันจนเกิดการชนกันระหว่างขอบของผลึก โดยชนกันแบบ ขอบต่อขอบ (Elbow to elbow) ของผลึก จนกลายเป็นสถานะของแข็งในที่สุด ดูที่รูป
รูปการเติบโตของผลึก โดยผลึกข้างเคียงชนกันแบบขอบต่อขอบ
รูปโครงสร้างทางจุลภาคแสดงให้เห็นถึง รูปแบบผลึกของเหล็กกล้า 1020 โครงสร้างเฟอร์ไรต์ มีเพิลไรต์เข้ามาแซม อัตราการขยาย 100 เท่า
หลังจากที่ผลึกเหล่านี้แข็งตัว การจัดเรียงรูปแบบของอะตอมเหล่านี้ อาจจะมีทั้งรูปแบบที่สม่ำเสมอ มีความเป็นระเบียบ หรืออาจจะมีลักษณะรูปแบบที่มีความสับสนยุ่งเหยิงเกิดขึ้น โดยจะเกิดขึ้นในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง
รูปโครงสร้างอนุภาคนาโนของอะตอมในผลึกปรากฏในรูปแบบที่เป็นระเบียบ
โครงสร้างภายในที่มีขนาดที่สม่ำเสมอเป็นระเบียบ และมีความเที่ยงตรงมาก อะตอมก็จะมีการจัดเรียงตัวกันเป็นแถวเป็นแนวคล้ายกับแถวของทหาร ผลึกที่มีรูปร่างแตกต่างกันอาจมี หรือไม่มีรูปแบบที่เหมือนกันก็ได้ การจัดเรียงลำดับอะตอมขนาดเล็ก ในรูปแบบความยาวเป็นแถวอย่างเป็นระเบียบเป็นแนวทิศทางเดียวทั้งหมดในแต่ละผลึก
รูปแบบจำลองโครงสร้างผลึกของเหล็กกล้า
วิดีโอตัวอย่างแบบจำลองอะตอมที่จับตัวกันเป็นโครงสร้างผลึก
7.1 สเปซแลตทิซ
การจัดรูปแบบของอะตอมในผลึก เราเรียกว่า ช่องว่างในโครงสร้างหรือ สเปซแลตทิซ (Space lattice) ดูตัวอย่างได้ที่รูป
รูปตัวอย่างโครงสร้างสเปซแลตทิซ
อะตอมที่อยู่ในสเปซแลตทิซมีขนาดเล็กมากจนมองไม่เห็น เมื่อเทคโนโลยีมีความก้าวหน้า นักวิทยาศาสตร์จึงได้พัฒนากล้องจุลทรรศน์เพื่อใช้ส่องดูอะตอมเหล่านี้ จนมีการสร้าง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron microscopes)
รูปกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
รูปส่วนประกอบภายในของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
วิดีโอแสดงการใช้งานของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
เพื่อใช้ส่องหาอนุภาคที่มีขนาดเล็ก ซึ่งสามารถส่องได้เล็กถึง 1/109 (เล็กถึงพันล้านเท่า หรือ นาโน) ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเห็นรูปร่างของอะตอมได้อย่างเลือนลาง เทคโนโลยีในการวิจัยยังไม่หยุดยั้งที่จะพัฒนากล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังขยายเต็มที่มากกว่านี้ ดังนั้นในวันหนึ่งข้างหน้าเราอาจจะเห็นตัวของอะตอมได้แบบเต็มตัวก็เป็นไปได้ ซึ่งบางทีอาจจะเห็นรูปร่าง หรือเกิดความรู้ใหม่ ๆ เกี่ยวกับรูปแบบอะตอมที่จะสามารถแตกแขนงในเรื่องของอะตอมเพื่อต่อยอดความรู้ต่อไปก็ได้
7.1.1 หน่วยเซลล์
รูปตัวอย่างหน่วยเซลล์ที่อยู่ภายในสเปซแลตทีซ และสเปซแลตทิซก็ยู่ภายในโครงสร้างผลึกของโลหะในรูปแบบต่าง ๆ
เป็นรูปแบบพื้นฐานอย่างง่ายสุด ของอะตอมที่อยู่ในสเปซแลตทิซ เราเรียกว่า หน่วยเซลล์ (Unit cell) โดยสเปซแลตทิซหนึ่งหน่วยอาจจะมีหน่วยเซลล์ถึงพันล้านหน่วยก็เป็นได้ โลหะแต่ละชนิดจะมีรูปแบบหน่วยเซลล์ที่อยู่ในสเปซแลตทิซเป็นของตัวเอง
จึงมีหน่วยเซลล์ที่มีขนาดเท่ากัน สิ่งเหล่านี้จะบ่งบอกถึงโลหะหลากหลายชนิดที่มีความแตกต่างกัน ดูที่รูป
ชนิดโครงสร้างหน่วยเซลล์ในโลหะมีดังต่อไปนี้
1) บีซีซี (Body-Centered Cubic: BCC) คืออะตอมอยู่ตามมุมสี่เหลี่ยมลูกบาศก์จัตุรัส และที่ตรงกลาง
รูปหน่วยเซลล์แบบบีซีซี
2) เอฟซีซี (Face-Centered Cubic: FCC) คืออะตอมอยู่ตามมุมสี่เหลี่ยมลูกบาศก์จัตุรัส และที่ผิวหน้าแต่ละด้าน
รูปหน่วยเซลล์แบบเอฟซีซี
3) ซีพีเฮช (Close-Packed Hexagonal: CPH) คืออะตอมอยู่แบบลูกบาศก์หกเหลี่ยมชิดกันหนาแน่น
รูปหน่วยเซลล์รูปแบบซีพีเฮช
4) บีซีที (Body-Centered Tetragonal: BCT) คืออะตอมอยู่ตามมุมสี่เหลี่ยมลูกบาศก์ไม่จัตุรัส และที่ตรงกลาง
รูปหน่วยเซลล์รูปแบบบีซีที
มีข้อสมมติฐานของโครงสร้างผลึกของอะตอมนั้นมีอยู่มากมาย แต่ในการศึกษาเกี่ยวกับโลหะวิทยาโครงสร้างทั้งสี่ เหล่านี้เป็นที่นิยมในการอธิบายความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างผลึกมากที่สุด
วิดีโอแสดงหน่วยเซลล์ในรูปแบบต่าง ๆ
ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก
“คุณจะได้รับสิ่งที่ดีที่สุดของคนอื่น
เมื่อคุณได้ให้สิ่งที่ดีที่สุดของคุณไป”
