Коротко — потому что кристаллическая структура определяется не только "числом электронов", а минимизацией полной энергии кристалла, в которую входят вклад электронной зоны, кулоновская энергия и отталкивание ядер/облачек; малые различия в радиусе атома, заполнении d‑подуровня, спине (магнетизме) и релятивистских эффектов смещают баланс и дают разные решётки при близкой электронной конфигурации.
Почему так происходит (пояснение):
- Полная энергия кристалла получается как сумма вкладов:
$$E_{\text{tot}}=E_{\text{band}}+E_{\text{ion-ion}}+E_{\text{repulsion}}+\dots$$ малые изменения в $E_{\text{band}}$ (зависящем от формы зоны и заполнения d‑подуровня) могут перевесить разницу в геометрии упаковки.
- Для переходных металлов d‑электроны дают направленное (узкополосное) связывание; изменение заполнения d‑зоны меняет энергию связи при разных межатомных расстояниях и, как следствие, предпочитаемую решётку.
- Атомный радиус и соотношение межатомных расстояний влияют на эффективность упаковки и на конкуренцию между плотной упаковкой (fcc/hcp) и менее плотной bcc.
- Магнитная энергия (например, у Fe/Co/Ni) и релятивистские сдвиги (у тяжёлых элементов) дополнительно меняют энергетический баланс.
- Температура и давление могут изменять относительные энергии фаз — полиморфизм (пример: Fe bcc → fcc при нагреве).
Примеры:
- Co (3d^74s^2) — hcp при RT; Ni (3d^84s^2) — fcc. Небольшое изменение заполнения d‑зоны меняет $E_{\text{band}}$ и предпочитаемую упаковку.
- Fe: α‑Fe (bcc) при RT → γ‑Fe (fcc) при повышении температуры (энергетический баланс меняется с T).
Как это влияет на механические свойства:
- Плотность упаковки: для fcc/hcp коэффициент упаковки
$${\text{APF}}_{\text{fcc/hcp}}=\frac{\pi }{3\sqrt{2}}\approx 0.7405,$$ для bcc
$${\text{APF}}_{\text{bcc}}=\frac{\sqrt{3}\pi }{8}\approx \mathrm{0.6802.}$$ - Количество и ориентация систем скольжения определяют пластичность: fcc имеет 12 легко активируемых систем скольжения → высокая пластичность; bcc имеет более сложную, температурозависимую пластичность; hcp — мало активных систем → меньшая пластичность и сильная анизотропия.
- Жёсткость/модуль связаны с крутизной межатомного потенциала (производными энергии по расстоянию) — разные структуры дают разные упругие константы.
Как это влияет на электрические свойства:
- Форма зон и зона Бриллюэна зависят от решётки — это меняет дисперсию электронов и плотность состояний на уровне Ферми $N(E_F)$.
- В простом приближении проводимость задаётся
$$\sigma =\frac{n{e}^2\tau }{m^{\ast }},$$ где структурные особенности влияют на эффективную массу $m^{\ast }$, время релаксации $\tau$ (рассеяние на фононах/дефектах) и концентрацию носителей $n$.
- Анизотропные решётки (hcp) дают анизотропную проводимость; различия в электронно‑фононной связи и форме Ферми‑поверхности влияют на сопротивление, сверхпроводимость и магнитные явления.
Итог: одинаковая внешняя конфигурация не означает одинаковую форму кристалла, потому что тонкая структура зон, размеры и взаимодействия атомов определяют минимальную энергию; выбранная решётка затем прямо влияет на пластичность, твёрдость, упругие константы и электронные свойства (проводимость, анизотропию, электронные фазы).