晶體點陣結構和晶體性質

1、關于晶體的點陣結構和晶體的性質第一張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1什么是晶體在開始研究晶體結構的時候，首先要明確什么是晶體。人們在自然界中與很多天然晶體接觸，從而建立了這樣一個初步的概念：一般說來，具有整齊外形，以多面體出現(xiàn)的固體物質，就稱為晶體。例如六角柱狀的水晶，立方體的食鹽，菱面體的方解石等。 但是自然界也還有很多物質不是多面體，如碎片水晶，其性質和六角柱狀的水晶完全一 樣，所以也應該當作晶體。又如金屬，肉眼看起來不象晶體，但在顯微鏡下仍可設法決定它們是 很多的單個晶體堆積而成的。再如花崗石和某些化學沉淀物的顆粒，它們的外形很不象晶體， 但可用光學方法證明，就其內部結構與性質

2、來說，它們也是晶體。第二張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2長石: 具體的種類有月光石、天河石、日光石和拉長石。天河石的化學分子式為KAlSi3O8；日光石、拉長石為NaAlSi3O8和CaAl2Si3O8。長石屬單斜或三斜晶系。翡翠: 化學分子式為NaAlSi2O6。屬單斜晶系。晶體形態(tài)為短柱狀、纖維狀微晶集合體。翡翠的顏色千變萬化，多為綠、紅、紫、藍、黃、灰、黑、無色等尖晶石: 寶石級尖晶石則主要是指鎂鋁尖晶石，化學分子式為MgAl2O4，是一種鎂鋁氧化物。屬等軸晶系。晶體形態(tài)為八面體及八面體與菱形十二面體的聚形。顏色豐富多彩，有無色、粉紅色、紅色、紫紅色、淺紫色、藍紫色、藍色、黃

3、色、褐色等。第三張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3石鹽又稱巖鹽，化學成分為NaCl，晶體都屬等軸晶系的鹵化物。單晶體呈立方體，在立方體晶面上常有階梯狀凹陷，集合體常呈粒狀或塊狀。純凈的石鹽無色透明，含雜質時呈淺灰、黃、紅、黑等色，玻璃光澤。三組立方體解理完全。摩氏硬度2.5，比重2.17。易溶于水。味咸。石鹽是典型的化學沉積成因的礦物。在鹽湖或瀉湖中與鉀石鹽和石膏共生。石鹽可作為食品調料和防腐劑，是重要的化工原料。NaCl第四張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月4方解石化學成分為CaCO3，晶體屬三方晶系的碳酸鹽礦物。通常為無色、乳白色，含雜質則染成各種顏色，有時具暈色，其中無

4、色透明的晶體稱冰洲石，玻璃光澤。摩氏硬度3，比重2.6-2.9，三組完全菱面體解理，故名方解石，性脆。遇冷稀鹽酸劇烈起泡，放出CO2。鑒定特征：菱面體完全解理，硬度不大，加稀鹽酸劇烈起泡。方解石是分布最廣的礦物之一，是組成石灰?guī)r和大理巖的主要成分。在石灰?guī)r地區(qū)，溶解在溶液中的重碳酸鈣在適宜的條件下沉淀出方解石，形成千姿百態(tài)的鐘乳石、石筍、石幔、石柱等自然景觀。方解石在冶金工業(yè)上用做熔劑，在建筑工業(yè)方面用來生產水泥、石灰。冰洲石是制作偏光棱鏡的高級材料。第五張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月5水晶 SiO2瑪瑙:瑪瑙的化學成分以SiO2為主，還常含有微量元素，如鐵、錳、鎳等第六張，PPT

5、共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月6石榴子石化學通式為A3B2SiO43，晶體屬等軸晶系的一族島狀結構硅酸鹽礦物的總稱?；瘜W式中A代表二價陽離子，主要有鎂、鐵、錳和鈣等；B代表三價陽離子，主要有鋁、鐵、鉻、鈦等。石榴子石按成分特征，通常分為鋁系和鈣系兩個系列。鋁系礦物成員有：紫紅色、玫瑰紅色鎂鋁榴石；紅褐色、橙紅色鐵鋁榴石；深紅色錳鋁榴石。鈣系礦物成員有：黃褐色、黃綠色鈣鋁榴石；棕、黃綠色鈣鐵榴石；鮮綠色鈣鉻榴石。石榴子石晶形好，常呈菱形十二面體、四角三八面體或兩者的聚形體，集合體呈致密塊狀或粒狀。顏色變化大（深紅、紅褐、棕綠、黑等），無解理，斷口參差狀，玻璃光澤至金剛光澤，斷口為油脂光澤，半透

6、明。摩氏硬度6.5-7.5，比重3.32-4.19。性脆。石榴子石第七張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月7藍銅礦的化學組成Cu2CO32(OH)2，晶體屬單斜晶系的碳酸鹽礦物。中國古代稱為石青。晶體為柱狀或厚板狀，通常多呈粒狀、鐘乳狀、皮殼狀或土狀集合體。深藍色，條痕為天藍色玻璃光澤，土狀塊體為淺藍色。貝殼狀斷口。摩氏硬度3.5-4，比重3.7-3.9。常與孔雀石共生。產于銅礦床氧化帶中，是含銅硫化物氧化的次生產物，可用作尋找原生銅礦的標志?？兹甘捎糜跓掋~，質純色美者可做為裝飾品及工藝品原料，其粉末可作天藍色顏料。 藍銅礦第八張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月8孔雀石的化學組

7、成Cu2CO3(OH)2，晶體屬單斜晶系的碳酸鹽礦物。因顏色類似藍孔雀羽毛的顏色而得名。晶體為柱狀、針狀或纖維狀，通常呈鐘乳狀、腎狀、被膜狀或土狀集合體。呈綠色，玻璃光澤，半透明。摩氏硬度3.5-4，比重4-4.5。遇鹽酸起泡。產于銅礦床氧化帶中，是含銅硫化物氧化的次生產物，常與藍銅礦、赤銅礦、褐鐵礦等共生，可用作尋找原生銅礦的標志。孔雀石可用于煉銅，質純色美者可做為裝飾品及工藝品原料，其粉末可做綠色顏料（稱石綠）。俄羅斯烏拉爾、中國海南島石碌等地盛產孔雀石。 孔雀石第九張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月9因此，結晶物質的分布非常廣泛，可以這樣說，自然界的固體物質中絕大多數(shù)都是結晶物質

8、。整個巖石礦物界（除極少數(shù)例外），工業(yè)產品中的金屬，合金，硅酸鹽制品（玻璃除外），大多數(shù)的無機化合物和有機化合物，甚至是植物纖維，這些都是結晶物質。 如上所述，晶體有的具有整齊外形，如食鹽及石英，有的不具有整齊外形，如金屬及很多化 學沉淀物。一切結晶物質共通的特性是什么呢？對于這個問題，人們很早就從晶體外形的 規(guī)律性中推測到晶體內部構造中的規(guī)律性了。但這種推測一直到1912年用X射線研究晶體的方法發(fā)現(xiàn)以后，才在實驗上得到證實。 第十張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月10用X射線研究的結果，得知一切晶體是由在空間排列 得很有規(guī)律的微粒組成的，例如食鹽的晶體就是如圖1一1 所示的立方體（食

9、鹽的晶胞）并排密積地堆砌而成。當然，晶體的大小只隨晶胞的數(shù)目多少而變，在一切氯 化鈉晶體中，不論晶體的大小或有無平整的晶面，其內部的 晶胞本身和晶胞在空間重復再現(xiàn)的方式都是一樣的。第十一張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月11所以，應該把晶體認為是微粒（分子、原子、離子）在空 間有規(guī)則地排列成的一種固體，這就是晶體的定義。微粒在空間排列的規(guī)律性稱為周期性。在 結晶學里，微粒排列的周期性也還可以解釋為微粒按照點陣（格子）的方式排列。 晶體是由原子或分子、離子在空間按一定的規(guī)律周期重復地排列構成的固體物質。第十二張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月12第一節(jié) 晶體結構的周期性和點陣晶體

10、的特征點陣和結構基元點陣和點陣結構理想晶體和實際晶體第十三張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月13一、晶體的特征1晶體的均勻性：一塊晶體，各部分的性質相同，這就是均勻性，晶體的均勻性只可能在宏觀觀察中表現(xiàn)出來，它是由于晶胞重復排列的結果。宏觀看起來，這塊晶體就是連續(xù)的，均勻的；與此相反，在微觀觀察中，晶體內結構就是不連續(xù)的，粒性的，非均勻的，研究方法不同， 所得的結果完全不同。 氣體、液體、無定形體也具有均勻性，但它們的均勻性是由于微粒排列得極為混亂，各種性質都是平均值，因而在本質原因上和晶體不同。第十四張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月14圖7.1 晶體（a）和玻璃體（b）的結

11、構特點(a)(b)第十五張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月152晶體的各向異性（向量性）晶體中，不同的方向具有不同的性質，這就稱為各向異性。例如云母片上蠟的熔化圖形呈橢圓形，說明不同方向上的導熱速度不同。又例如石墨（層型結構）在與層垂直的方向上的電導率（X）為與層平行方向上的電導率的1/104。 各向異性是由于晶體內部各方向上微粒排列的情況不同所致。 氣體、液體、無定形體都不具有各向異性，而是各向同性的。 第十六張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月16第十七張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月173晶體的對稱性,所有晶體都或多或少地具有對稱性，也就是說，各種晶體的對稱程度各

12、有高低，但都有對稱性。例如食鹽晶體具有立方體外形，云母片上的蠟熔化圖形呈橢圓形，而不是呈其他任意的不規(guī)則形狀，這些都說明有對稱性存在。 晶體的對稱性，當然也是微粒排列的規(guī)律性所引起的，非晶體就不具有對稱性。 第十八張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月184晶體能使X射線發(fā)生衍射,衍射問題在下面將介紹，這個特性也是由于晶體內部 微粒排列的規(guī)律性所引起的。 晶體的特性還有其他一些，如自范性、固定熔點等，但總起來說，這些特性都是由于周期性所致。要研究晶體的結構和性質，必須先了解晶體的周期性問題，即點陣的問題。第十九張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月195.晶體學經驗定律（自范性）人們認

13、識晶體，總是先從晶體外形開始，然后再進入到晶體的內部結構。晶體外形的規(guī)律性，最早總結出來的就是晶面角守恒定律和有理指數(shù)定律。晶面角守恒定律: 晶面的形狀和大小是隨外界條件而變，但同一品種的晶體的相應晶面（或晶棱）間的夾角卻不受外界條件的影響，它們保持恒定不變的值，這就是晶面角守恒定律，是斯丹諾（Steno，丹麥，1669）羅蒙諾索夫(俄，1749），羅美德利爾（法，1772一1783）等人先后從實際測量的結果而發(fā)現(xiàn)和證實的。第二十張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月20二、點陣和結構基元1點陣與平移群 晶體是微粒在空間有規(guī)則地排列成的，這就是說，一個晶體結構包含兩個因素：第一，微粒是什么

14、？第二，微粒以什么方式來排列？現(xiàn)在著重介紹微粒排列的方式問題，也就是點陣的問題。點陣連接, 點陣按其結點分布的情況，分為三類：直線點陣（單維點陣），平面點陣（二維點陣），空間點陣（立體點陣，三維點陣）。第二十一張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月21點陣：一組無限個點，這些點在空間有規(guī)律的排布，沒有大小、 質量，不可分裂，且連接其中兩點可得一向量，平移向量 能復原的一組點稱為點陣。點陣點：點陣中的每一個點，簡稱為陣點。結構基元：每一個點陣點代表的內容。晶體結構=點陣+結構基元第二十二張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月22第二十三張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月23 直線

15、點陣是等距離的無限多的結點組成的，如圖所示 圖示 直線點陣在直線點陣中，任取一點為，與相鄰一點A相聯(lián)結的向量為a，稱為素向量（素是最簡單的意思）。此向量的長度a即為點陣的周期。把這些直線點陣按照+a、+2a、+3a等進行平移，則每一點與另一相當點重合，看來好象沒有移動過一樣，也就是說，平移以后，點陣又復原了。第二十四張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月24能使點陣復原的所有平移，包括素向量和大于a的復向量，組成一個向量群，這個向量群， 稱為平移群。上述直線點陣的平移群可以寫成：Tm=ma (m=0,+1,+2,)。點陣是微粒排列的方式，這種方式可用模型來表示，可以畫圖表示，也可以用數(shù)學表

16、示，平移群就是點陣的數(shù)學表達式。可以說，Tm=ma就是上述直線點陣的平移群，可以代表上述直線點陣。第二十五張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月25點陣與平移群的適應關系可歸納為兩條: 第一，用平移群中的任何一個向量，使點陣中任一結點進行平移，向量頂端必指向另一結點； 第二，點陣中任意兩點間相聯(lián)的向量必定屬于平移群。 如果不滿足這兩條，就可斷定那些點的排列不成 為點陣，或者說平移群寫錯了。第二十六張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月26 在一平面點陣中，任取一點為0，并在兩個方向上取與0最相鄰的兩點為A、B而0、A、 B三點須不在同一直線上，則向量 及 ，形成該平面點陣的一套素向量。

17、這套素向量規(guī)定的一個平行四邊形只攤到一個點陣點，故稱此平行四邊形為該平面點陣的素單位。若平行四邊形中攤到兩個或兩個以上點陣點，則此平行四邊形稱為復單位。第二十七張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月27第二十八張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月28 圖示 平面點陣與平面格子根據(jù)點陣的性質，按向量 Tmn=ma+nb（m，n2，1，0，1，2，） 進行的全部平移即為該平面點陣的平移群，其中的a和b必須是與素單位相應的一套素向量。平面點陣可按照它本身的周期劃分為無數(shù)并置的平行四邊形單位，即成為平面格子。 第二十九張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月29圖示 空間點陣與空間格子第三

18、十張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月30根據(jù)點陣的性質，按向量Tmnp=ma+nb+pc (m,n,p=2，1，0，1，2，）進行的全部平移即為該空間點陣的平移群。其中a、b、c必須是與素單位相應的一套素向量。空間點陣可按照它本身的周期劃分為無數(shù)并置的平行六面體單位，即成為空間格子（立體格子）。從上面討論可歸納：點陣必須是無限多的、不連續(xù)的點所組成，它可以用平移群來表示。第三十一張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月31平移群有一個重要的性質：屬于某平移群的任何兩向量之和或差也屬于平移群：Tmn=ma+nb,T1=m1a+n1b,T2=m2a+n2b,T3=T1T2=(m1m2)a

19、+(n1n2)b=M3a+N3b由于M3和N3，也是整數(shù)，所以向量T3，也屬于平移群。第三十二張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月32點陣結構：任何能為某一點陣的平移群復原的結構稱為 點陣結構。其中有直線點陣結構、平面點陣 結構和空間點陣結構。晶體中絕大多數(shù)為空 間點陣結構，只有極少數(shù)近似于直線點陣結 構（例如石棉，纖維）和平面點陣結構（例 如云母）。 點陣結構與點陣：區(qū)別：點陣結構中任意兩點的向量不能復原。聯(lián)系：點陣結構中能抽出點陣，點陣可復原為點陣結構。 晶體具有點陣結構，用點陣理論來討論晶體的結構。 三、點陣和點陣結構第三十三張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月33在物質世界

20、中，理想的、完整的點陣結構實際上是不存在的，只存在著實際晶體。實際晶體不具有理想的、完整的點陣結構，正如實際氣體不符合pVNRT公式一樣。實際晶體不具有理想的、完整的點陣結構，主要是由于下述原因：四、理想晶體和實際晶體第三十四張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月34（1）實際晶體中微粒數(shù)總是有限的。這樣，處于晶體邊緣的微粒，就不能通過平移來和其他微粒重合了。但是，這種邊緣微粒數(shù)目比起整個晶體中微粒數(shù)來說，畢竟是很小的，也就是說，可以近似地把實際晶體的結構也看成是無很的結構。第三十五張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月35（2）晶體中的微粒在它的平衡位置附近作經久不息的振動，這種振動

21、即使在00K時也還存在，由于微粒的振動，兩個微粒間距離（周期）就不是常數(shù)，有時大、有時??；也就是說微粒的振動破壞了結構的周期性。但是，微粒振動的振幅也遠比周期小得多，可以忽略；也就是說可以把實際晶體近似地看成具有周期性的。第三十六張，PPT共四十二頁，創(chuàng)作于2022年6月36（3）由于某些原因，晶體內部可能出現(xiàn)某些缺陷，這也就使晶體的點陣結構受到程度不同的破壞；例如雜質微粒的存在，某些地方缺一個或幾個結構基元等。晶體的缺陷按幾何形式劃分為點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷等。點缺陷：包括空位、雜質原子、間隙原子、錯位原子和變價原子等。原子在晶體內移動造成的正離子空位和間隙原子稱為Frenkel缺陷；正負離子空位并存的缺陷稱為Schottky缺陷。線缺陷：最重要的是位錯，位錯是使晶體出現(xiàn)鑲嵌結構的根源。面缺陷：反映在晶面、堆積層錯、晶粒和雙晶的界面、晶疇的界面等。體缺陷：反映在晶體中出現(xiàn)空洞、氣泡、包裹物、沉積物等。晶體的缺陷影響晶體的性質，可使晶體的某些優(yōu)良性能降低，但是從缺陷可以改變晶體的性質角度看，在晶體中造成種種缺陷，就可以使晶體的性質有著各種各樣的變化，晶體的許