Kalkulačka Millerových indexov pre identifikáciu kryštálových rovín

Vypočítajte Millerove indexy z interceptov kryštálových rovín pomocou tohto jednoduchého nástroja. Nevyhnutné pre kryštalografiu, materiálové vedy a aplikácie v oblasti fyziky pevného stavu.

Kalkulačka Millerových indexov

Priesečníky kryštálovej roviny

Zadajte priesečníky kryštálovej roviny s osami x, y a z. Použite '0' pre roviny paralelné s osou (priesečník nekonečno).

Zadajte číslo alebo 0 pre nekonečno

Zadajte číslo alebo 0 pre nekonečno

Zadajte číslo alebo 0 pre nekonečno

Millerove indexy

Millerove indexy pre túto rovinu sú:

(1,1,1)
Kopírovať do schránky

Vizualizácia

Čo sú Millerove indexy?

Millerove indexy sú systém notácie používaný v kryštalografii na špecifikáciu rovín a smerov v kryštálových mriežkach.

Na výpočet Millerových indexov (h,k,l) z priesečníkov (a,b,c):

1. Vezmite recipročné hodnoty priesečníkov: (1/a, 1/b, 1/c) 2. Preveďte na najmenšiu množinu celých čísel so rovnakým pomerom 3. Ak je rovina paralelná s osou (priesečník = nekonečno), jej zodpovedajúci Millerov index je 0

  • Záporné indexy sú označené čiarou nad číslom, napr. (h̄,k,l)
  • Notácia (hkl) predstavuje konkrétnu rovinu, zatiaľ čo {hkl} predstavuje rodinu ekvivalentných rovín
  • Smerové indexy sú napísané v hranatých zátvorkách [hkl], a rodiny smerov sú označené <hkl>
📚

Dokumentácia

Kalkulačka Millerových indexov

Úvod

Kalkulačka Millerových indexov je mocný nástroj pre kryštalografov, vedcov v oblasti materiálov a študentov na určenie Millerových indexov kryštálových rovín. Millerove indexy sú systém notácie používaný v kryštalografii na špecifikáciu rovín a smerov v kryštálových mriežkach. Táto kalkulačka vám umožňuje jednoducho previesť priesečníky kryštálovej roviny s osami súradnic do zodpovedajúcich Millerových indexov, čím poskytuje štandardizovaný spôsob identifikácie a komunikácie o konkrétnych kryštálových rovinách.

Millerove indexy sú základné pre pochopenie kryštálových štruktúr a ich vlastností. Predstavovaním rovín jednoduchým súborom troch celých čísel (h,k,l) umožňujú Millerove indexy vedcom analyzovať röntgenové difrakčné vzory, predpovedať správanie rastu kryštálov, vypočítať vzdialenosti medzi rovinami a študovať rôzne fyzikálne vlastnosti, ktoré závisia od kryštalografickej orientácie.

Čo sú Millerove indexy?

Millerove indexy sú súbor troch celých čísel (h,k,l), ktoré definujú rodinu paralelných rovín v kryštálovej mriežke. Tieto indexy sú odvodené z reciprokých hodnôt zlomkových priesečníkov, ktoré rovina vytvára s kryštalografickými osami. Notácia poskytuje štandardizovaný spôsob identifikácie konkrétnych rovín v kryštálovej štruktúre.

Vizualizácia Millerových indexov

x y z

O

a=2 b=3 c=6

(3,2,1) rovina

Millerove indexy (3,2,1) Kryštálová rovina

3D vizualizácia kryštálovej roviny s Millerovými indexmi (3,2,1). Rovina sa priesečne dotýka osí x, y a z v bodoch 2, 3 a 6, čo vedie k Millerovým indexom (3,2,1) po zohľadnení reciprok a nájdení najmenšieho súboru celých čísel so rovnakým pomerom.

Vzorec na výpočet Millerových indexov

Na výpočet Millerových indexov (h,k,l) kryštálovej roviny postupujte podľa týchto matematických krokov:

  1. Určte priesečníky roviny s osami x, y a z, ktoré dávajú hodnoty a, b a c.
  2. Vezmite reciprokálne hodnoty týchto priesečníkov: 1/a, 1/b, 1/c.
  3. Preveďte tieto reciprokálne hodnoty na najmenší súbor celých čísel, ktoré udržujú rovnaký pomer.
  4. Výsledné tri celé čísla sú Millerove indexy (h,k,l).

Matematicky to možno vyjadriť ako:

h:k:l=1a:1b:1ch : k : l = \frac{1}{a} : \frac{1}{b} : \frac{1}{c}

Kde:

  • (h,k,l) sú Millerove indexy
  • a, b, c sú priesečníky roviny s osami x, y a z, resp.

Špeciálne prípady a konvencie

Niekoľko špeciálnych prípadov a konvencií je dôležitých na pochopenie:

  1. Priesečníky nekonečna: Ak je rovina paralelná s osou, jej priesečník sa považuje za nekonečno a zodpovedajúci Millerov index sa stáva nulovým.

  2. Záporné indexy: Ak rovina zasahuje os na západnej strane pôvodu, zodpovedajúci Millerov index je záporný, označený čiarou nad číslom v kryštalografickej notácii, napr. (h̄kl).

  3. Zlomkové priesečníky: Ak sú priesečníky zlomkové, prevádzajú sa na celé čísla vynásobením najmenším spoločným násobkom.

  4. Zjednodušenie: Millerove indexy sa vždy znižujú na najmenší súbor celých čísel, ktoré udržujú rovnaký pomer.

Krok-za-krokom návod na použitie kalkulačky

Naša kalkulačka Millerových indexov poskytuje jednoduchý spôsob, ako určiť Millerove indexy pre akúkoľvek kryštálovú rovinu. Tu je návod, ako ju používať:

  1. Zadajte priesečníky: Zadajte hodnoty, kde sa rovina dotýka osí x, y a z.

    • Použite kladné čísla pre priesečníky na kladnej strane pôvodu.
    • Použite záporné čísla pre priesečníky na západnej strane.
    • Zadajte "0" pre roviny, ktoré sú paralelné s osou (priesečník nekonečno).
  2. Zobraziť výsledky: Kalkulačka automaticky vypočíta a zobrazí Millerove indexy (h,k,l) pre zadanú rovinu.

  3. Vizualizujte rovinu: Kalkulačka zahŕňa 3D vizualizáciu, ktorá vám pomôže pochopiť orientáciu roviny v kryštálovej mriežke.

  4. Kopírovať výsledky: Použite tlačidlo "Kopírovať do schránky", aby ste jednoducho preniesli vypočítané Millerove indexy do iných aplikácií.

Príklad výpočtu

Prejdime si príklad:

Predpokladajme, že rovina zasahuje osy x, y a z v bodoch 2, 3 a 6.

  1. Priesečníky sú (2, 3, 6).
  2. Vzatie reciprok: (1/2, 1/3, 1/6).
  3. Aby sme našli najmenší súbor celých čísel so rovnakým pomerom, vynásobíme najmenším spoločným násobkom menovateľov (NSN 2, 3, 6 = 6): (1/2 × 6, 1/3 × 6, 1/6 × 6) = (3, 2, 1).
  4. Preto sú Millerove indexy (3,2,1).

Použitie Millerových indexov

Millerove indexy majú množstvo aplikácií v rôznych vedeckých a inžinierskych oblastiach:

Kryštalografia a röntgenová difrakcia

Millerove indexy sú nevyhnutné pre interpretáciu röntgenových difrakčných vzorov. Vzdialenosti medzi kryštálovými rovnými, identifikovanými ich Millerovými indexami, určujú uhly, pri ktorých sú röntgenové lúče difraktované, podľa Braggovho zákona:

nλ=2dhklsinθn\lambda = 2d_{hkl}\sin\theta

Kde:

  • nn je celé číslo
  • λ\lambda je vlnová dĺžka röntgenových lúčov
  • dhkld_{hkl} je vzdialenosť medzi rovnými s Millerovými indexami (h,k,l)
  • θ\theta je uhol dopadu

Materiálová veda a inžinierstvo

  1. Analýza povrchovej energie: Rôzne kryštalografické roviny majú rôznu povrchovú energiu, čo ovplyvňuje vlastnosti ako rast kryštálov, katalýzu a adhéziu.

  2. Mechanické vlastnosti: Orientácia kryštálových rovín ovplyvňuje mechanické vlastnosti, ako sú sklzové systémy, rozpadové roviny a správanie pri zlomení.

  3. Výroba polovodičov: V polovodičovej výrobe sa vyberajú konkrétne kryštálové roviny na epitaxný rast a výrobu zariadení kvôli ich elektronickým vlastnostiam.

  4. Analýza textúry: Millerove indexy pomáhajú charakterizovať preferované orientácie (textúru) v polykrystalických materiáloch, čo ovplyvňuje ich fyzikálne vlastnosti.

Mineralógia a geológia

Geológovia používajú Millerove indexy na opis kryštálových tvárí a rozpadových rovín v mineráloch, čo pomáha pri identifikácii a pochopení podmienok formovania.

Vzdelávacie aplikácie

Millerove indexy sú základné pojmy, ktoré sa učia v kurzoch materiálovej vedy, kryštalografie a fyziky pevných látok, čo robí túto kalkulačku cenným vzdelávacím nástrojom.

Alternatívy k Millerovým indexom

Aj keď sú Millerove indexy najpoužívanejšou notáciou pre kryštálové roviny, existuje niekoľko alternatívnych systémov:

  1. Miller-Bravais indexy: Štvor-indexová notácia (h,k,i,l) používaná pre hexagonálne kryštálové systémy, kde i = -(h+k). Táto notácia lepšie odráža symetriu hexagonálnych štruktúr.

  2. Weberove symboly: Používané predovšetkým v staršej literatúre, najmä na opis smerov v kubických kryštáloch.

  3. Priame mriežkové vektory: V niektorých prípadoch sa roviny opisujú pomocou priamych mriežkových vektorov namiesto Millerových indexov.

  4. Wyckoffove pozície: Na opis atómových pozícií v kryštálových štruktúrach, nie rovín.

Napriek týmto alternatívam zostávajú Millerove indexy štandardnou notáciou kvôli svojej jednoduchosti a univerzálnej použiteľnosti vo všetkých kryštálových systémoch.

História Millerových indexov

Systém Millerových indexov bol vyvinutý britským mineralógom a kryštalografom Williamom Hallowesom Millerom v roku 1839, publikovaný v jeho diele "A Treatise on Crystallography". Millerova notácia vychádzala z predchádzajúcej práce Augusta Bravaisa a iných, ale poskytla elegantnejší a matematicky konzistentnejší prístup.

Pred Millerovým systémom sa používali rôzne notácie na opis kryštálových tvárí, vrátane Weissových parametrov a Naumannových symbolov. Millerova inovácia bola použitie reciprokálnych hodnôt priesečníkov, čo zjednodušilo mnohé kryštalografické výpočty a poskytlo intuitívnejšie zobrazenie paralelných rovín.

Prijatie Millerových indexov sa urýchlilo objavom röntgenovej difrakcie Maxa von Lauea v roku 1912 a následnou prácou Williama Lawrence Bragga a Williama Henryho Bragga. Ich výskum preukázal praktickú užitočnosť Millerových indexov pri interpretácii difrakčných vzorov a určovaní kryštálových štruktúr.

Počas 20. storočia, keď sa kryštalografia stala čoraz dôležitejšou v oblasti materiálov, fyziky pevných látok a biochemie, sa Millerove indexy pevne etablovali ako štandardná notácia. Dnes zostávajú nevyhnutné v moderných technikách charakterizácie materiálov, výpočtovej kryštalografii a návrhu nanomateriálov.

Kódové príklady na výpočet Millerových indexov

1import math
2import numpy as np
3
4def calculate_miller_indices(intercepts):
5    """
6    Vypočítajte Millerove indexy z priesečníkov
7    
8    Args:
9        intercepts: Zoznam troch priesečníkov [a, b, c]
10        
11    Returns:
12        Zoznam troch Millerových indexov [h, k, l]
13    """
14    # Riešenie nekonečných priesečníkov (paralelne s osou)
15    reciprocals = []
16    for intercept in intercepts:
17        if intercept == 0 or math.isinf(intercept):
18            reciprocals.append(0)
19        else:
20            reciprocals.append(1 / intercept)
21    
22    # Nájdite nenulové hodnoty pre výpočet GCD
23    non_zero = [r for r in reciprocals if r != 0]
24    
25    if not non_zero:
26        return [0, 0, 0]
27    
28    # Vytvorte celé čísla (vyhnúť sa problémom s plávajúcou desatinnou čiarkou)
29    scale = 1000
30    scaled = [round(r * scale) for r in non_zero]
31    
32    # Nájdite GCD
33    gcd_value = np.gcd.reduce(scaled)
34    
35    # Preveďte späť na najmenšie celé čísla
36    miller_indices = []
37    for r in reciprocals:
38        if r == 0:
39            miller_indices.append(0)
40        else:
41            miller_indices.append(round((r * scale) / gcd_value))
42    
43    return miller_indices
44
45# Príklad použitia
46intercepts = [2, 3, 6]
47indices = calculate_miller_indices(intercepts)
48print(f"Millerove indexy pre priesečníky {intercepts}: {indices}")  # Výstup: [3, 2, 1]
49

Číselné príklady

Tu sú niektoré bežné príklady výpočtu Millerových indexov:

  1. Príklad 1: Štandardný prípad

    • Priesečníky: (2, 3, 6)
    • Reciprokálne hodnoty: (1/2, 1/3, 1/6)
    • Vynásobte NSN menovateľov (6): (3, 2, 1)
    • Millerove indexy: (3,2,1)
  2. Príklad 2: Rovina paralelná s osou

    • Priesečníky: (1, ∞, 2)
    • Reciprokálne hodnoty: (1, 0, 1/2)
    • Vynásobte 2: (2, 0, 1)
    • Millerove indexy: (2,0,1)
  3. Príklad 3: Záporné priesečníky

    • Priesečníky: (-1, 2, 3)
    • Reciprokálne hodnoty: (-1, 1/2, 1/3)
    • Vynásobte 6: (-6, 3, 2)
    • Millerove indexy: (-6,3,2)
  4. Príklad 4: Zlomkové priesečníky

    • Priesečníky: (1/2, 1/3, 1/4)
    • Reciprokálne hodnoty: (2, 3, 4)
    • Už v celých číslach
    • Millerove indexy: (2,3,4)
  5. Príklad 5: Špeciálna rovina (100)

    • Priesečníky: (1, ∞, ∞)
    • Reciprokálne hodnoty: (1, 0, 0)
    • Millerove indexy: (1,0,0)

Často kladené otázky

Na čo sa používajú Millerove indexy?

Millerove indexy sa používajú na identifikáciu a opis rovín a smerov v kryštálových mriežkach. Poskytujú štandardizovanú notáciu, ktorá pomáha kryštalografom, vedcom v oblasti materiálov a inžinierom komunikovať o konkrétnych kryštálových orientáciách. Millerove indexy sú nevyhnutné na analýzu röntgenových difrakčných vzorov, pochopenie rastu kryštálov, vypočítanie vzdialeností medzi rovínami a štúdium rôznych fyzikálnych vlastností, ktoré závisia od kryštalografickej orientácie.

Ako mám zaobchádzať s rovinou, ktorá je paralelná s jednou z osí?

Keď je rovina paralelná s osou, nikdy sa nedotýka tejto osi, takže priesečník sa považuje za nekonečno. V notácii Millerových indexov je reciprok nekonečna nula, takže zodpovedajúci Millerov index sa stáva nulovým. Napríklad, rovina paralelná s osou y by mala priesečníky (a, ∞, c) a Millerove indexy (h,0,l).

Čo znamenajú záporné Millerove indexy?

Záporné Millerove indexy naznačujú, že rovina zasahuje zodpovedajúcu os na západnej strane pôvodu. V kryštalografickej notácii sú záporné indexy zvyčajne označené čiarou nad číslom, napr. (h̄kl). Záporné indexy predstavujú roviny, ktoré sú ekvivalentné svojim kladným protikladom z hľadiska fyzikálnych vlastností, ale majú rôzne orientácie.

Ako Millerove indexy súvisia s kryštálovou štruktúrou?

Millerove indexy priamo súvisia s atómovým usporiadaním v kryštálovej štruktúre. Vzdialenosti medzi rovnými s konkrétnymi Millerovými indexami (dhkl) závisia od kryštálového systému a mriežkových parametrov. V röntgenovej difrakcii tieto roviny fungujú ako odrazové roviny podľa Braggovho zákona, čo produkuje charakteristické difrakčné vzory, ktoré odhaľujú kryštálovú štruktúru.

Aký je rozdiel medzi Millerovými indexami a Miller-Bravais indexami?

Millerove indexy používajú tri celé čísla (h,k,l) a sú vhodné pre väčšinu kryštálových systémov. Miller-Bravais indexy používajú štyri celé čísla (h,k,i,l) a sú špeciálne navrhnuté pre hexagonálne kryštálové systémy. Štvrtý index, i, je redundantný (i = -(h+k)), ale pomáha udržiavať symetriu hexagonálneho systému a robí ekvivalentné roviny ľahšie rozpoznateľnými.

Ako vypočítam uhol medzi dvoma kryštálovými rovinami?

Uhol θ medzi dvoma rovinami s Millerovými indexami (h₁,k₁,l₁) a (h₂,k₂,l₂) v kubickom kryštálovom systéme možno vypočítať pomocou:

cosθ=h1h2+k1k2+l1l2(h12+k12+l12)(h22+k22+l22)\cos\theta = \frac{h_1h_2 + k_1k_2 + l_1l_2}{\sqrt{(h_1^2 + k_1^2 + l_1^2)(h_2^2 + k_2^2 + l_2^2)}}

Pre nekubické systémy je výpočet zložitejší a zahŕňa metrický tenzor kryštálového systému.

Môžu byť Millerove indexy zlomky?

Nie, podľa konvencie sú Millerove indexy vždy celé čísla. Ak výpočet pôvodne vedie k zlomkom, prevádzajú sa na najmenší súbor celých čísel, ktoré udržujú rovnaký pomer. To sa robí vynásobením všetkých hodnôt najmenším spoločným násobkom menovateľov.

Ako určím Millerove indexy kryštálovej tváre experimentálne?

Millerove indexy kryštálových tvárí môžu byť určené experimentálne pomocou röntgenovej difrakcie, elektronovej difrakcie alebo optickej goniometrie. V röntgenovej difrakcii sú uhly, pri ktorých dochádza k difrakcii, spojené s d-vzdialenosťou kryštálových rovín prostredníctvom Braggovho zákona, ktorý možno použiť na identifikáciu zodpovedajúcich Millerových indexov.

Aké sú Millerove indexy bežných kryštálových rovín?

Niektoré bežné kryštálové roviny a ich Millerove indexy zahŕňajú:

  • (100), (010), (001): Primárne kubické tváre
  • (110), (101), (011): Diagonálne tváre v kubických systémoch
  • (111): Oktaedrická tvár v kubických systémoch
  • (112): Bežná sklzová rovina v kovoch s telesne centrovanou kubickou štruktúrou

Odkazy

  1. Miller, W. H. (1839). A Treatise on Crystallography. Cambridge: For J. & J.J. Deighton.

  2. Ashcroft, N. W., & Mermin, N. D. (1976). Solid State Physics. Holt, Rinehart and Winston.

  3. Hammond, C. (2015). The Basics of Crystallography and Diffraction (4th ed.). Oxford University Press.

  4. Cullity, B. D., & Stock, S. R. (2014). Elements of X-ray Diffraction (3rd ed.). Pearson Education.

  5. Kittel, C. (2004). Introduction to Solid State Physics (8th ed.). Wiley.

  6. Kelly, A., & Knowles, K. M. (2012). Crystallography and Crystal Defects (2nd ed.). Wiley.

  7. International Union of Crystallography. (2016). International Tables for Crystallography, Volume A: Space-group symmetry. Wiley.

  8. Giacovazzo, C., Monaco, H. L., Artioli, G., Viterbo, D., Ferraris, G., Gilli, G., Zanotti, G., & Catti, M. (2011). Fundamentals of Crystallography (3rd ed.). Oxford University Press.

  9. Buerger, M. J. (1978). Elementary Crystallography: An Introduction to the Fundamental Geometrical Features of Crystals. MIT Press.

  10. Tilley, R. J. (2006). Crystals and Crystal Structures. Wiley.

Vyskúšajte našu kalkulačku Millerových indexov ešte dnes, aby ste rýchlo a presne určili Millerove indexy pre akúkoľvek kryštálovú rovinu. Či už ste študent, ktorý sa učí kryštalografiu, výskumník analyzujúci štruktúry materiálov alebo inžinier navrhujúci nové materiály, tento nástroj vám pomôže identifikovať a pochopiť kryštálové roviny s ľahkosťou.