Gitterebene

Auswahl von Gitterebenen in einem Würfel

Als Gitter- oder Netzebene bezeichnet man in der Kristallographie eine Ebene, die durch Punkte des Kristallgitters aufgespannt wird. Ihre Lage im Raum wird durch die millerschen Indizes (hkl) beschrieben.

Beschreibung

Ein Kristallgitter lässt sich beschreiben als ganzzahlige Linearkombination der Basisvektoren ${\vec {a}}_{1}$, ${\vec {a}}_{2}$ und ${\vec {a}}_{3}$ (Richtungen der Kristallachsen des jeweiligen Kristallsystems). Eine Ebene diese Gitters ist festgelegt durch ihre drei Schnittpunkte mit den Kristallachsen.

Die millerschen Indizes (hkl) bezeichnen die Ebene, die an den Punkten ${\tfrac {1}{h}}{\vec {a}}_{1}$, ${\tfrac {1}{k}}{\vec {a}}_{2}$ und ${\tfrac {1}{l}}{\vec {a}}_{3}$ von den Kristallachsen geschnitten wird, d. h. gerade an den Kehrwerten der einzelnen Indizes (in der Abb. besonders gut zu sehen z. B. am Fall (102) unten: Schnittpunkte (1|0|0) und (0|0|½)). Ein Index von Null bezeichnet dabei einen Schnittpunkt im Unendlichen bzw. einen effektiv nicht vorhandenen Schnittpunkt, d. h. der zugehörige Basisvektor ist parallel zur Ebene.

Senkrecht auf der durch die millerschen Indizes (hkl) definierten Gitterebene steht der Gittervektor ${\vec {G}}=h{\vec {g}}_{1}+k{\vec {g}}_{2}+l{\vec {g}}_{3}$ des reziproken Gitters mit den Basisvektoren ${\vec {g}}_{1}$, ${\vec {g}}_{2}$ und ${\vec {g}}_{3}$ .

Gitterebenenabstand

Eine Schar von Gitterebenen besteht aus allen parallel verlaufenden Gitterebenen mit jeweils dem Gitterebenenabstand $d_{\mathrm {hkl} }$. Dieser kann aus den millerschen Indizes und den reziproken Gittervektoren berechnet werden:

$d_{\mathrm {hkl} }={\frac {2\pi }{|h\,{\vec {g}}_{1}+k\,{\vec {g}}_{2}+l\,{\vec {g}}_{3}|}}$

Für Kristallsysteme mit rechtwinkligen Achsen, also orthorhombische und höher symmetrische Gitter (tetragonale und kubische Systeme), gilt mit den Gitterkonstanten $a$, $b$, $c$:

$d_{\mathrm {hkl} }={\frac {1}{\sqrt {\left({\frac {h}{a}}\right)^{2}+\left({\frac {k}{b}}\right)^{2}+\left({\frac {l}{c}}\right)^{2}}}}$

Dies vereinfacht sich z. B. für kubische Systeme durch Gleichsetzen von $a=b=c$ weiter:

$d_{\mathrm {hkl} }={\frac {a}{\sqrt {h^{2}+k^{2}+l^{2}}}}$

Herleitungen

Eine Ebene (hkl) ist eindeutig definiert durch drei nicht auf einer Gerade liegende Punkte. Dies sind hier die Schnittpunkte mit den Kristallachsen: ${\vec {P}}_{1}={\frac {1}{h}}{\vec {a}}_{1}$, ${\vec {P}}_{2}={\frac {1}{k}}{\vec {a}}_{2}$ und ${\vec {P}}_{3}={\frac {1}{l}}{\vec {a}}_{3}$. Die Vorfaktoren ${\frac {1}{h}}$, ${\frac {1}{k}}$, Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \frac{1}{l}} ergeben sich aus den Kehrwerten der millerschen Indizes.

Die Punkte auf der Ebene lassen sich beschreiben durch die Parameterform Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec r = \vec r_0 + \lambda \vec u + \mu \vec v} (mit Aufpunkt und zwei Richtungsvektoren, die in der Ebene liegen und nicht kollinear sind). Liegen zwei Punkte in der Ebene, so liegt deren Verbindungsvektor ebenfalls in der Ebene. Hierüber lassen sich die Richtungsvektoren konstruieren (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec u = \vec P_1-\vec P_2} und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec v = \vec P_2-\vec P_3} ). Als Aufpunkt wähle irgendeinen in der Ebene liegenden Punkt (hier Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec P_1} ):

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{r}=\frac{1}{h}\vec{a}_1+\lambda \left(\frac{1}{h}\vec{a}_1 - \frac{1}{k}\vec{a}_2\right) + \mu \left(\frac{1}{k}\vec{a}_2 - \frac{1}{l}\vec{a}_3\right)}

Bildet man das Skalarprodukt zwischen dem reziproken Gittervektor Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{G}=h\vec{g}_1 + k\vec{g}_2 + l\vec{g}_3} und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{r}} unter Ausnutzung der Relation Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{g}_{i}\cdot\vec{a}_{j}=2\pi \delta_{ij}} , so ergibt sich:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{G}\cdot\vec{r}=\underbrace{\frac{1}{h}\underbrace{\vec{G}\cdot\vec{a}_{1}}_{2\pi\, h}}_{=2\pi}+\lambda\underbrace{\left(\frac{1}{h}\underbrace{\vec{G}\cdot\vec{a}_{1}}_{2\pi\, h}-\frac{1}{k}\underbrace{\vec{G}\cdot\vec{a}_{2}}_{2\pi\, k}\right)}_{=0}+\mu\underbrace{\left(\frac{1}{k}\underbrace{\vec{G}\cdot\vec{a}_{2}}_{2\pi\, k}-\frac{1}{l}\underbrace{\vec{G}\cdot\vec{a}_{3}}_{2\pi\, l}\right)}_{=0}=2\pi}

Für einen Normalenvektor der Ebene Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{n}} sind die Skalarprodukte mit den Richtungsvektoren gleich Null (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{n}\cdot\vec{u}=0} und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{n}\cdot\vec{v}=0} ). Genau das trifft auf Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{G}=h\vec{g}_1 + k\vec{g}_2 + l\vec{g}_3} zu, dieser steht also auf der Ebene (hkl) senkrecht.

Durch den Gitterpunkt am Koordinatenursprung verläuft parallel zur gerade betrachteten Ebene durch Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle P_1} auch eine Ebene mit den Indizes (hkl). Deren Abstand ist die Projektion eines Verbindungsvektors beider Ebenen (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{r}-\vec{0}=\vec{r}} ) auf den normierten Normalenvektor (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{G}/G} ). Dies ergibt zusammen mit obiger Rechnung den Gitterebenenabstand:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \frac{\vec{G}}{G}\cdot\vec{r}=\frac{2\pi}{|h \vec{g}_1 + k \vec{g}_2 + l \vec{g}_3|}\equiv d_{\mathrm{hkl}}}

Im Nenner treten bei der Betragsbildung sowohl die Längen der reziproken Gittervektoren auf (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{g}_{i}^{\,2}=|\vec{g}_{i}|^{2}} ) als auch die Projektionen der Gittervektoren aufeinander (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{g}_{i}\cdot\vec{g}_{j}} mit Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle i\neq j} ). Letztere sind bei nicht-orthogonalen Kristallsystemen ungleich Null:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle d_{\mathrm{hkl}}=\frac{2\pi}{|h\vec{g}_{1}+k\vec{g}_{2}+l\vec{g}_{3}|}=\frac{2\pi}{\sqrt{h^{2}\vec{g}_{1}^{\,2}+k^{2}\vec{g}_{2}^{\,2}+l^{2}\vec{g}_{3}^{\,2}+2hk\,\vec{g}_{1}\cdot\vec{g}_{2}+2hl\,\vec{g}_{1}\cdot\vec{g}_{3}+2kl\,\vec{g}_{2}\cdot\vec{g}_{3}}}}

Ein orthorhombisches Kristallsystem ist ein rechtwinkliges Kristallsystem mit drei 90°-Winkeln, jedoch ohne gleich lange Achsen. Die Gittervektoren lauten hier ausgedrückt bzgl. der kanonischen Einheitsbasis:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{a}_1=a\,\hat{e}_x}

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{a}_2=b\,\hat{e}_y}

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{a}_3=c\,\hat{e}_z}

Und die dazugehörigen reziproken Gittervektoren sind ebenfalls orthogonal (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{g}_{i}\cdot\vec{g}_{j}=0} für Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle i\neq j} ):

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{g}_1=\frac{2\pi}{a}\,\hat{e}_x}

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{g}_2=\frac{2\pi}{b}\,\hat{e}_y}

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \vec{g}_3=\frac{2\pi}{c}\,\hat{e}_z}

Setze diese in obige allgemeine Formel für den Gitterebenenabstand ein:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle d_{\mathrm{hkl}}=\frac{2\pi}{\left|h\frac{2\pi}{a}\,\hat{e}_x + k\frac{2\pi}{b}\,\hat{e}_y + l\frac{2\pi}{c}\,\hat{e}_z\right|} = \frac{1}{\sqrt{\left(\frac{h}{a}\right)^{2}+\left(\frac{k}{b}\right)^{2}+\left(\frac{l}{c}\right)^{2}}} }

Das kubische Kristallsystem ist ebenfalls rechtwinklig, aber zusätzlich sind die Gitterkonstanten bezüglich jeder Kristallachse gleich Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a=b=c} und die Formel vereinfacht sich weiter zu:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle d_{\mathrm{hkl}}=\frac{a}{\sqrt{h^{2}+k^{2}+l^{2}}}}

Siehe auch

• Raumgitter