大學化學第3章晶體結構

1、鉆石鉆石富勒烯富勒烯 3.1 晶體的宏觀特性晶體的宏觀特性3.1 晶體的宏觀特性晶體的宏觀特性3.2 晶體的微觀結構晶體的微觀結構3.2 晶體的微觀結構晶體的微觀結構 把晶體中的每個結構單元（原子、分子、原子團或把晶體中的每個結構單元（原子、分子、原子團或離子）抽象為一個點，間距相等的點排成一行直線點陣，離子）抽象為一個點，間距相等的點排成一行直線點陣，直線點陣平行排列而形成一個平面點陣，許多平面點陣直線點陣平行排列而形成一個平面點陣，許多平面點陣平 行 排 列 就 成 了 三 維 空 間 點 陣 。平 行 排 列 就 成 了 三 維 空 間 點 陣 。 在點陣中以三維空間在點陣中以三維空間3

2、 3個周期個周期a a、b b和和c c為邊長而形成為邊長而形成的平行六面體格子被稱為晶格。（所以，晶格是一種幾的平行六面體格子被稱為晶格。（所以，晶格是一種幾何概念，是從晶體結構中抽象出來的簡化的描述）何概念，是從晶體結構中抽象出來的簡化的描述） 如果將組成晶體的結構單元置于晶格的節(jié)點上，可如果將組成晶體的結構單元置于晶格的節(jié)點上，可以得到晶體中與晶格相對應的實際結構以得到晶體中與晶格相對應的實際結構晶胞。這是二晶胞。這是二者的基本定義?？梢?，晶胞是一個大小和形狀與晶格相者的基本定義?？梢?，晶胞是一個大小和形狀與晶格相同的平行六面體，既包括晶格的形式與大小，也包括對同的平行六面體，既包括晶格

3、的形式與大小，也包括對應于晶格結點的結構單元內容。應于晶格結點的結構單元內容。 3.2 晶體的微觀結構晶體的微觀結構3.2 晶體的微觀結構晶體的微觀結構3.2 晶體的微觀結構晶體的微觀結構3.2 晶體的微觀結構晶體的微觀結構3.2 晶體的微觀結構晶體的微觀結構3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型金屬晶體的結構3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型空間占有率：空間占有率： 74.05%配位數(shù)：配位數(shù)：123.3 晶體的基本類型晶體的基本類型空間占有率：空間占有率： 74.05%配位數(shù)：配位數(shù)

4、：123.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型3.3 晶體的基本類型晶體的基本類型NOONCoCl2CH3CNNOONCoClClnCH2Cl23.4 晶體材料晶體材料傳聲器、話筒、電磁點火系統(tǒng)和打火機傳聲器、話筒、電磁點火系統(tǒng)和打火機PZT做成的做成的“火石火石” ，打火次數(shù)：，打火次數(shù)：100萬次以上萬次以上3

5、.4 晶體材料晶體材料3.4 晶體材料晶體材料3.4 晶體材料晶體材料3.4 晶體材料晶體材料BGO是是Bi2O3-GeO2系化合物的總稱鍺酸鉍的縮寫，目前又往往系化合物的總稱鍺酸鉍的縮寫，目前又往往特指其中的一種化合物特指其中的一種化合物。BGO是一種閃爍晶體，無是一種閃爍晶體，無色透明。當色透明。當 一定能量的電子、一定能量的電子、射線或重帶電粒子進入射線或重帶電粒子進入BGO時，時，它能發(fā)出藍綠色的熒光，記錄熒光的強度和位置，就能計算出它能發(fā)出藍綠色的熒光，記錄熒光的強度和位置，就能計算出入射電子、入射電子、射線等的能量和位置。這就是射線等的能量和位置。這就是 BGO的的“眼睛眼睛”作作

6、用，即可用作高能粒子的用，即可用作高能粒子的“探測器探測器”。3.4 晶體材料晶體材料準晶體準晶體 準晶體，是一種介于準晶體，是一種介于晶體晶體和和非晶體非晶體之間的之間的固體固體。準晶體具有與晶體相。準晶體具有與晶體相似的長程有序的原子排列，但是準晶體不具備晶體的平移對稱性。似的長程有序的原子排列，但是準晶體不具備晶體的平移對稱性。 因而可因而可以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。以色列以色列科學家丹尼爾科學家丹尼爾-謝赫特曼（謝赫特曼（Daniel Shechtman）因發(fā)現(xiàn)準晶體而）因發(fā)現(xiàn)準晶體而 一一人獨享了人獨享了2011年年諾貝爾化學獎諾貝爾化學獎。 1

7、982年，謝赫特曼在美國霍普金斯大學工作時發(fā)現(xiàn)了準晶，這種新的年，謝赫特曼在美國霍普金斯大學工作時發(fā)現(xiàn)了準晶，這種新的結構因為缺少空間結構因為缺少空間周期性周期性而不是晶體，但又不像非晶體，準晶展現(xiàn)了完美而不是晶體，但又不像非晶體，準晶展現(xiàn)了完美的的長程有序長程有序，這個事實給晶體學界帶來了巨大的沖擊，它對長程有序與周，這個事實給晶體學界帶來了巨大的沖擊，它對長程有序與周期性等價的基本概念提出了挑戰(zhàn)。期性等價的基本概念提出了挑戰(zhàn)。準晶體，亦稱為準晶體，亦稱為“準晶準晶”或或“擬晶擬晶”，是一種介于晶體和非晶體之間的，是一種介于晶體和非晶體之間的固體結構。在準晶的原子排列中，其結構是長程有序的，

8、這一點和晶體相固體結構。在準晶的原子排列中，其結構是長程有序的，這一點和晶體相似；但是準晶不具備平移對稱性，這一點又和晶體不同。普通晶體具有的似；但是準晶不具備平移對稱性，這一點又和晶體不同。普通晶體具有的是二次、三次、四次或六次旋轉對稱性，但是準晶的布拉格衍射圖具有其是二次、三次、四次或六次旋轉對稱性，但是準晶的布拉格衍射圖具有其他的對稱性，例如五次對稱性或者更高的六次以上對稱性。他的對稱性，例如五次對稱性或者更高的六次以上對稱性。3.4 晶體材料晶體材料1982年年4月月8日，謝赫特曼首次在電子顯微鏡下觀察到一種日，謝赫特曼首次在電子顯微鏡下觀察到一種“反常反?！爆F(xiàn)象現(xiàn)象：鋁錳合金鋁錳合金

9、的的 原子采用一種不重復、非周期性但對稱有序的方式排列。而原子采用一種不重復、非周期性但對稱有序的方式排列。而當時人們普遍認為，晶體內的原子都以周期性不斷重復的對稱模式排列，當時人們普遍認為，晶體內的原子都以周期性不斷重復的對稱模式排列，這種重復結構是形成晶體所必須的，自然界中不可能存在具有謝赫特曼發(fā)這種重復結構是形成晶體所必須的，自然界中不可能存在具有謝赫特曼發(fā)現(xiàn)的那種原子排列方式的晶體。隨后，科學家們在實驗室中制造出了越來現(xiàn)的那種原子排列方式的晶體。隨后，科學家們在實驗室中制造出了越來越多的各種準晶體，并于越多的各種準晶體，并于2009年首次發(fā)現(xiàn)了純天然準晶體。年首次發(fā)現(xiàn)了純天然準晶體。1

10、982年，謝赫特曼在進行年，謝赫特曼在進行“衍射光柵衍射光柵”實驗時，讓電子通過鋁錳合金進實驗時，讓電子通過鋁錳合金進行衍射，結果發(fā)現(xiàn)無數(shù)個同心圓各被行衍射，結果發(fā)現(xiàn)無數(shù)個同心圓各被10個光點包圍，恰恰就是一個個光點包圍，恰恰就是一個10次對次對稱。謝赫特曼當時認為稱。謝赫特曼當時認為“這是不可能的這是不可能的”，還在筆記本上寫道：，還在筆記本上寫道：“10次次?”然而，然而，1987年，法國和日本科學家成功地在實驗室中制造出了準晶體結構年，法國和日本科學家成功地在實驗室中制造出了準晶體結構；2009年，科學家們在俄羅斯東部哈泰爾卡湖獲取的礦物樣本中發(fā)現(xiàn)了天年，科學家們在俄羅斯東部哈泰爾卡湖獲

11、取的礦物樣本中發(fā)現(xiàn)了天然準晶體的然準晶體的“芳蹤芳蹤”，這種名為，這種名為icosahedrite（取自正二十面體）的新礦物（取自正二十面體）的新礦物質由鋁、銅和鐵組成質由鋁、銅和鐵組成;瑞典一家公司也在一瑞典一家公司也在一 種耐用性最強的鋼中發(fā)現(xiàn)了準晶種耐用性最強的鋼中發(fā)現(xiàn)了準晶體，這種鋼被用于剃須刀片和眼科手術用的手術針中。體，這種鋼被用于剃須刀片和眼科手術用的手術針中。3.4 晶體材料晶體材料 準晶體具有獨特的屬性，堅硬又有彈性、非常平滑，而準晶體具有獨特的屬性，堅硬又有彈性、非常平滑，而且，與大多數(shù)金屬不同的是，其導電、且，與大多數(shù)金屬不同的是，其導電、導熱性導熱性很差，因此在很差，因此在日常生活中大有用武之地。科學家正嘗試將其應用于其他產日常生活中大有用武之地。科學家正嘗試將其應用于其他產品中，比如不粘鍋