Calcul de la compacité dans le système hexagonal compact

Partie

Question

Soient trois mailles de type hexagonal compact représentées ci-dessous, contenant des atomes assimilés à des sphères tangentes de rayon R. La maille contient Z atomes. Les paramètres de maille sont a et c.

Système hexagonal compact : représentation de trois mailles élémentaires
Projection sur la base

Dans le système hexagonal compact, on montre que c et a sont liés par la relation :

\(\frac{\mathrm{c}}{\mathrm{a}}=1,633\)

Déterminer la compacité de cette maille.

Aide simple

Le volume d'une sphère est \(\mathrm{V=\frac{4}{3}\pi~R^3}\).

La base de la maille est un losange. Le grand angle vaut 120°. Ce losange est composé de deux triangles équilatéraux de côté a.

Aide méthodologique

Déterminer le volume de la maille en fonction du paramètre a.

Déterminer le nombre de groupements formulaires Z dans la maille.

Représenter la maille en identifiant un plan dans lequel les atomes sont tangents.

Déterminer la relation entre R et a, imposée par l'empilement compact.

Solution détaillée

Le volume de la maille hc est le produit de la hauteur par la surface de la base.

La hauteur c est égale à \(\mathrm{c=1,633~a}\)

La surface de la base vaut deux fois la surface d'un triangle équilatéral de côté.a.

C'est aussi la surface d'un rectangle de côtés a et\( \mathrm{a}\sin(120°)\) représenté ci-dessous.

La surface du losange est donc :

\(\mathrm{S=a^2\sin(120°)=\frac{\sqrt3}{2}a^2}\)

et le volume de la maille est :

\(\mathrm{v=S~c=1,633\frac{\sqrt3}{2}a^3}\)

Sur la base de la maille représentée ci-dessous les atomes sont tangents sur l'arête. Il vient alors \(\mathrm{a=2R}\)

Soit V le volume d'un atome. Il vient donc :

\(\mathrm{V=\frac{4}{3}\pi~R^3=\frac{4}{3}\pi\left(\frac{a}{2}\right)^3=\frac{\pi}{6}a^3}\)

Dans la maille, chaque atome situé sur un sommet compte pour un huitième. Il y a huit sommets. L'atome situé à l'intérieur de la maille compte pour un. Le nombre de groupements formulaires est :

\(\mathrm{Z=8\times\frac{1}{8}+1\times1=2}\)

La compacité s'exprime comme le rapport :

\(\mathrm{C=\frac{Z~V}{v}=2\times\frac{\pi}{6}a^3\times\frac{2}{1,633\sqrt3~a^3}=\frac{2\pi}{3\times1,633\times\sqrt3}=0,74}\)

On retrouve la compacité maximale d'un empilement compact. C'est la même valeur que pour l'empilement cfc.