Калькулятор індексів Міллера для ідентифікації кристалічних площин

Розрахуйте індекси Міллера з перетворень кристалічних площин за допомогою цього простого у використанні інструмента. Необхідно для кристалографії, матеріалознавства та застосувань у фізиці твердого тіла.

Калькулятор індексів Міллера

Перехрестя кристалічної площини

Введіть перехрестя кристалічної площини з осями x, y та z. Використовуйте '0' для площин, паралельних осі (перехрестя на нескінченність).

Введіть число або 0 для нескінченності

Введіть число або 0 для нескінченності

Введіть число або 0 для нескінченності

Індекси Міллера

Індекси Міллера для цієї площини:

(1,1,1)
Копіювати в буфер обміну

Візуалізація

Що таке індекси Міллера?

Індекси Міллера - це система позначень, що використовується в кристалографії для вказівки площин і напрямків у кристалічних решітках.

Щоб обчислити індекси Міллера (h,k,l) з перехрестів (a,b,c):

1. Візьміть обернені значення перехрестів: (1/a, 1/b, 1/c) 2. Перетворіть на найменший набір цілих чисел з однаковим співвідношенням 3. Якщо площина паралельна осі (перехрестя = нескінченність), її відповідний індекс Міллера дорівнює 0

  • Від'ємні індекси позначаються рискою над числом, наприклад, (h̄,k,l)
  • Позначення (hkl) представляє конкретну площину, тоді як {hkl} представляє родину еквівалентних площин
  • Індекси напрямків записуються в квадратних дужках [hkl], а родини напрямків позначаються <hkl>
📚

Документація

Калькулятор індексів Міллера

Вступ

Калькулятор індексів Міллера — це потужний інструмент для кристалографів, матеріалознавців та студентів, який дозволяє визначити індекси Міллера кристалічних площин. Індекси Міллера — це система позначень, що використовується в кристалографії для специфікації площин і напрямків у кристалічних решітках. Цей калькулятор дозволяє легко перетворити перехоплення кристалічної площини з координатними осями на відповідні індекси Міллера, надаючи стандартизований спосіб ідентифікувати та спілкуватися про конкретні кристалічні площини.

Індекси Міллера є фундаментальними для розуміння кристалічних структур та їх властивостей. Представляючи площини простим набором з трьох цілих чисел (h,k,l), індекси Міллера дозволяють вченим аналізувати рентгенівські дифракційні патерни, прогнозувати поведінку кристалів під час росту, обчислювати міжпланове відстань та вивчати різні фізичні властивості, які залежать від кристалографічної орієнтації.

Що таке індекси Міллера?

Індекси Міллера — це набір трьох цілих чисел (h,k,l), які визначають сімейство паралельних площин у кристалічній решітці. Ці індекси отримуються з обернених значень дробових перехоплень, які площина робить з кристалографічними осями. Позначення надає стандартизований спосіб ідентифікувати конкретні площини в кристалічній структурі.

Візуальне представлення індексів Міллера

x y z

O

a=2 b=3 c=6

(3,2,1) Площина

Індекси Міллера (3,2,1) Кристалічна площина

3D візуалізація кристалічної площини з індексами Міллера (3,2,1). Площина перехоплює осі x, y та z у точках 2, 3 та 6 відповідно, що призводить до індексів Міллера (3,2,1) після взяття обернених значень та знаходження найменшого набору цілих чисел з тією ж пропорцією.

Формула для обчислення індексів Міллера

Щоб обчислити індекси Міллера (h,k,l) кристалічної площини, виконайте ці математичні кроки:

  1. Визначте перехоплення площини з осями x, y та z, отримуючи значення a, b та c.
  2. Візьміть обернені значення цих перехоплень: 1/a, 1/b, 1/c.
  3. Перетворіть ці обернені значення в найменший набір цілих чисел, які зберігають ту ж пропорцію.
  4. Отримані три цілі числа є індексами Міллера (h,k,l).

Математично це можна виразити як:

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

Де:

  • (h,k,l) — це індекси Міллера
  • a, b, c — це перехоплення площини з осями x, y та z відповідно

Спеціальні випадки та угоди

Декілька спеціальних випадків та угод важливі для розуміння:

  1. Перехоплення безкінечності: Якщо площина паралельна осі, її перехоплення вважається безкінечністю, і відповідний індекс Міллера стає нульовим.

  2. Від'ємні індекси: Якщо площина перехоплює вісь на негативній стороні початку координат, відповідний індекс Міллера є від'ємним, що позначається рискою над числом в кристалографічній нотації, наприклад, (h̄kl).

  3. Дробові перехоплення: Якщо перехоплення є дробовими, вони перетворюються в цілі числа, множачи на найменше спільне кратне.

  4. Спрощення: Індекси Міллера завжди зменшуються до найменшого набору цілих чисел, які зберігають ту ж пропорцію.

Покроковий посібник з використання калькулятора

Наш калькулятор індексів Міллера надає простий спосіб визначити індекси Міллера для будь-якої кристалічної площини. Ось як його використовувати:

  1. Введіть перехоплення: Введіть значення, де площина перехоплює осі x, y та z.

    • Використовуйте позитивні числа для перехоплень на позитивній стороні початку координат.
    • Використовуйте негативні числа для перехоплень на негативній стороні.
    • Введіть "0" для площин, які паралельні осі (перехоплення безкінечності).
  2. Перегляньте результати: Калькулятор автоматично обчислить та відобразить індекси Міллера (h,k,l) для вказаної площини.

  3. Візуалізуйте площину: Калькулятор включає 3D візуалізацію, щоб допомогти вам зрозуміти орієнтацію площини в кристалічній решітці.

  4. Скопіюйте результати: Використовуйте кнопку "Копіювати в буфер обміну", щоб легко перенести обчислені індекси Міллера в інші додатки.

Приклад обчислення

Давайте пройдемо через приклад:

Припустимо, площина перехоплює осі x, y та z у точках 2, 3 та 6 відповідно.

  1. Перехоплення: (2, 3, 6).
  2. Взяти обернені значення: (1/2, 1/3, 1/6).
  3. Щоб знайти найменший набір цілих чисел з тією ж пропорцією, помножте на найменше спільне кратне знаменників (LCM з 2, 3, 6 = 6): (1/2 × 6, 1/3 × 6, 1/6 × 6) = (3, 2, 1).
  4. Отже, індекси Міллера: (3,2,1).

Варіанти використання індексів Міллера

Індекси Міллера мають численні застосування в різних наукових та інженерних галузях:

Кристалографія та рентгенівська дифракція

Індекси Міллера є важливими для інтерпретації рентгенівських дифракційних патернів. Відстань між кристалічними площинами, що ідентифікуються їх індексами Міллера, визначає кути, під якими рентгенівські промені дифрагуються, відповідно до закону Брегга:

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

Де:

  • nn — це ціле число
  • λ\lambda — довжина хвилі рентгенівських променів
  • dhkld_{hkl} — відстань між площинами з індексами Міллера (h,k,l)
  • θ\theta — кут падіння

Матеріалознавство та інженерія

  1. Аналіз поверхневої енергії: Різні кристалічні площини мають різні поверхневі енергії, що впливають на такі властивості, як ріст кристалів, каталіз та адгезія.

  2. Механічні властивості: Орієнтація кристалічних площин впливає на механічні властивості, такі як системи зсуву, площини розколу та поведінка при руйнуванні.

  3. Виробництво напівпровідників: У виготовленні напівпровідників вибираються специфічні кристалічні площини для епітаксіального росту та виготовлення пристроїв через їх електронні властивості.

  4. Аналіз текстури: Індекси Міллера допомагають охарактеризувати переважні орієнтації (текстуру) в полікристалічних матеріалах, що впливають на їх фізичні властивості.

Мінералогія та геологія

Геологи використовують індекси Міллера для опису кристалічних граней та площин розколу в мінералах, що допомагає в ідентифікації та розумінні умов формування.

Освітні застосування

Індекси Міллера є фундаментальними концепціями, які викладаються на курсах матеріалознавства, кристалографії та фізики твердого тіла, що робить цей калькулятор цінним освітнім інструментом.

Альтернативи індексам Міллера

Хоча індекси Міллера є найбільш поширеною нотацією для кристалічних площин, існує кілька альтернативних систем:

  1. Індекси Міллера-Брава: Чотиризначна нотація (h,k,i,l), що використовується для гексагональних кристалічних систем, де i = -(h+k). Ця нотація краще відображає симетрію гексагональних структур.

  2. Символи Вебера: Використовуються переважно в старішій літературі, особливо для опису напрямків у кубічних кристалах.

  3. Прямі вектори решітки: У деяких випадках площини описуються за допомогою прямих векторів решітки, а не індексів Міллера.

  4. Позиції Вайкоффа: Для опису атомних позицій у кристалічних структурах, а не площин.

Незважаючи на ці альтернативи, індекси Міллера залишаються стандартною нотацією завдяки своїй простоті та універсальній застосовності в усіх кристалічних системах.

Історія індексів Міллера

Система індексів Міллера була розроблена британським мінералогом і кристалографом Вільямом Галоуесом Міллером у 1839 році, опублікована в його праці "Трактат з кристалографії". Нотація Міллера базується на ранній роботі Огюста Браве та інших, але надає більш елегантний і математично послідовний підхід.

Перед системою Міллера для опису кристалічних граней використовувалися різні позначення, включаючи параметри Вайса та символи Наумана. Інновацією Міллера було використання обернених значень перехоплень, що спростило багато кристалографічних розрахунків і надало більш інтуїтивне представлення паралельних площин.

Прийняття індексів Міллера прискорилося з відкриттям рентгенівської дифракції Максом фон Лауе у 1912 році та подальшою роботою Вільяма Лоренса Брегга та Вільяма Генрі Брегга. Їх дослідження продемонстрували практичну корисність індексів Міллера в інтерпретації дифракційних патернів і визначенні кристалічних структур.

Протягом 20 століття, оскільки кристалографія стала дедалі важливішою в матеріалознавстві, фізиці твердого тіла та біохімії, індекси Міллера стали міцно встановленими як стандартна нотація. Сьогодні вони залишаються незамінними в сучасних методах характеристики матеріалів, обчислювальній кристалографії та дизайні наноматеріалів.

Приклади коду для обчислення індексів Міллера

1import math
2import numpy as np
3
4def calculate_miller_indices(intercepts):
5    """
6    Обчислити індекси Міллера з перехоплень
7    
8    Args:
9        intercepts: Список з трьох перехоплень [a, b, c]
10        
11    Returns:
12        Список з трьох індексів Міллера [h, k, l]
13    """
14    # Обробка безкінечних перехоплень (паралельно осі)
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    # Знайти ненульові значення для розрахунку НСД
23    non_zero = [r for r in reciprocals if r != 0]
24    
25    if not non_zero:
26        return [0, 0, 0]
27    
28    # Масштабувати до розумних цілих чисел (уникнення проблем з плаваючою комою)
29    scale = 1000
30    scaled = [round(r * scale) for r in non_zero]
31    
32    # Знайти НСД
33    gcd_value = np.gcd.reduce(scaled)
34    
35    # Перетворити назад на найменші цілі числа
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# Приклад використання
46intercepts = [2, 3, 6]
47indices = calculate_miller_indices(intercepts)
48print(f"Індекси Міллера для перехоплень {intercepts}: {indices}")  # Вихід: [3, 2, 1]
49

Числові приклади

Ось кілька поширених прикладів обчислення індексів Міллера:

  1. Приклад 1: Стандартний випадок

    • Перехоплення: (2, 3, 6)
    • Обернені значення: (1/2, 1/3, 1/6)
    • Помножити на НСД знаменників (6): (3, 2, 1)
    • Індекси Міллера: (3,2,1)
  2. Приклад 2: Площина паралельно осі

    • Перехоплення: (1, ∞, 2)
    • Обернені значення: (1, 0, 1/2)
    • Помножити на 2: (2, 0, 1)
    • Індекси Міллера: (2,0,1)
  3. Приклад 3: Від'ємні перехоплення

    • Перехоплення: (-1, 2, 3)
    • Обернені значення: (-1, 1/2, 1/3)
    • Помножити на 6: (-6, 3, 2)
    • Індекси Міллера: (-6,3,2)
  4. Приклад 4: Дробові перехоплення

    • Перехоплення: (1/2, 1/3, 1/4)
    • Обернені значення: (2, 3, 4)
    • Вже в цілій формі
    • Індекси Міллера: (2,3,4)
  5. Приклад 5: Спеціальна площина (100)

    • Перехоплення: (1, ∞, ∞)
    • Обернені значення: (1, 0, 0)
    • Індекси Міллера: (1,0,0)

Часті запитання

Для чого використовуються індекси Міллера?

Індекси Міллера використовуються для ідентифікації та опису площин і напрямків у кристалічних решітках. Вони надають стандартизовану нотацію, яка допомагає кристалографам, матеріалознавцям та інженерам спілкуватися про конкретні кристалічні орієнтації. Індекси Міллера є важливими для аналізу рентгенівських дифракційних патернів, розуміння росту кристалів, обчислення міжпланового відстані та вивчення різних фізичних властивостей, які залежать від кристалографічної орієнтації.

Як обробити площину, яка паралельна одній з осей?

Коли площина паралельна осі, вона ніколи не перехоплює цю вісь, тому перехоплення вважається безкінечністю. У нотації індексів Міллера обернене значення безкінечності є нулем, тому відповідний індекс Міллера стає нульовим. Наприклад, площина, паралельна осі y, матиме перехоплення (a, ∞, c) та індекси Міллера (h,0,l).

Що означають від'ємні індекси Міллера?

Від'ємні індекси Міллера вказують на те, що площина перехоплює відповідну вісь на негативній стороні початку координат. У кристалографічній нотації від'ємні індекси зазвичай позначаються рискою над числом, наприклад, (h̄kl). Від'ємні індекси представляють площини, які еквівалентні їх позитивним аналогам з точки зору фізичних властивостей, але мають різні орієнтації.

Як індекси Міллера пов'язані з кристалічною структурою?

Індекси Міллера безпосередньо пов'язані з атомним розташуванням у кристалічній структурі. Відстань між площинами з певними індексами Міллера (dhkl) залежить від кристалічної системи та параметрів решітки. У рентгенівській дифракції ці площини діють як відбивні площини відповідно до закону Брегга, що виробляє характерні дифракційні патерни, які розкривають кристалічну структуру.

Яка різниця між індексами Міллера та індексами Міллера-Брава?

Індекси Міллера використовують три цілі числа (h,k,l) і підходять для більшості кристалічних систем. Індекси Міллера-Брава використовують чотири цілі числа (h,k,i,l) і спеціально розроблені для гексагональних кристалічних систем. Четвертий індекс, i, є надлишковим (i = -(h+k)), але допомагає зберегти симетрію гексагональної системи та робить еквівалентні площини більш легко впізнаваними.

Як я можу обчислити кут між двома кристалічними площинами?

Кут θ між двома площинами з індексами Міллера (h₁,k₁,l₁) та (h₂,k₂,l₂) у кубічній кристалічній системі можна обчислити за допомогою:

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)}}

Для некубічних систем розрахунок є більш складним і включає метричний тензор кристалічної системи.

Чи можуть індекси Міллера бути дробами?

Ні, за угодою індекси Міллера завжди є цілими числами. Якщо обчислення спочатку дає дроби, вони перетворюються в найменший набір цілих чисел, які зберігають ту ж пропорцію. Це робиться шляхом множення всіх значень на найменше спільне кратне знаменників.

Як я можу визначити індекси Міллера кристалічної грані експериментально?

Індекси Міллера кристалічних граней можна визначити експериментально за допомогою рентгенівської дифракції, електронної дифракції або оптичної гонометрії. У рентгенівській дифракції кути, під якими відбувається дифракція, пов'язані з відстанню d між кристалічними площинами через закон Брегга, який можна використовувати для ідентифікації відповідних індексів Міллера.

Які індекси Міллера для звичних кристалічних площин?

Деякі звичні кристалічні площини та їх індекси Міллера включають:

  • (100), (010), (001): Основні кубічні грані
  • (110), (101), (011): Діагональні грані в кубічних системах
  • (111): Октаедрична грань у кубічних системах
  • (112): Загальна площина зсуву в металлах з об'ємно-центрованою кубічною структурою

Посилання

  1. Міллер, В. Г. (1839). Трактат з кристалографії. Кембридж: Для Дж. та Дж. Дж. Дейтон.

  2. Ашкрофт, Н. В., & Мермин, Н. Д. (1976). Фізика твердого тіла. Хolt, Rinehart and Winston.

  3. Хаммонд, Ч. (2015). Основи кристалографії та дифракції (4-е видання). Оксфордський університет.

  4. Калліті, Б. Д., & Сток, С. Р. (2014). Елементи рентгенівської дифракції (3-е видання). Pearson Education.

  5. Кіттель, Ч. (2004). Вступ до фізики твердого тіла (8-е видання). Wiley.

  6. Келлі, А., & Ноулз, К. М. (2012). Кристалографія та дефекти кристалів (2-е видання). Wiley.

  7. Міжнародний союз кристалографії. (2016). Міжнародні таблиці для кристалографії, Том A: Симетрія групи простору. Wiley.

  8. Джаковаццо, Ч., Монако, Х. Л., Артіолі, Г., Вітебо, Д., Феррарі, Г., Джіллі, Г., Занотті, Г., & Катті, М. (2011). Основи кристалографії (3-е видання). Оксфордський університет.

  9. Бюргер, М. Дж. (1978). Елементарна кристалографія: Вступ до основних геометричних особливостей кристалів. MIT Press.

  10. Тіллі, Р. Дж. (2006). Кристали та кристалічні структури. Wiley.

Спробуйте наш калькулятор індексів Міллера сьогодні, щоб швидко та точно визначити індекси Міллера для будь-якої кристалічної площини. Незалежно від того, чи ви студент, який вивчає кристалографію, дослідник, що аналізує структури матеріалів, чи інженер, що розробляє нові матеріали, цей інструмент допоможе вам ідентифікувати та зрозуміти кристалічні площини з легкістю.