晶體及結(jié)晶學課件

361結(jié)晶學（晶體學）發(fā)展歷史及分支學科簡介：結(jié)晶學始于17世紀中葉人類的礦業(yè)活動，與天文學一起成為人類認識物質(zhì)世界發(fā)展最早的兩門自然科學。17～18世紀：以研究晶體形態(tài)為主，也初步推測研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何規(guī)律；這一階段主要以數(shù)學為工具（同種礦物的晶體其對應晶面夾角守恒）。19世紀末～20世紀初：X－射線的發(fā)現(xiàn)及其對晶體結(jié)構(gòu)的測量，進入晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究階段；20世紀70年代以來：透射電鏡研究晶體內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)細節(jié)；20世紀80年代，發(fā)現(xiàn)準晶體，開辟了晶體對稱理論新領(lǐng)域。362經(jīng)典的結(jié)晶學是以幾何或數(shù)學的理論研究晶體宏觀形態(tài)中晶面分布規(guī)律、內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點分布規(guī)律，主要是對稱規(guī)律。分支學科：（X射線）晶體結(jié)構(gòu)學－研究各原子離子占位及成鍵的具體規(guī)律、結(jié)構(gòu)缺陷，X射線測試晶體結(jié)構(gòu)的原理與方法。晶體化學－研究晶體成分、化學鍵及其與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。晶體生長學－研究晶體生長機理及其影響因素。晶體物理學－研究晶體的光、電、磁等物理性質(zhì)受晶體對稱影響產(chǎn)生的各向異性規(guī)律。本課程以經(jīng)典結(jié)晶學（幾何結(jié)晶學）為主，即主要介紹晶體形態(tài)對稱規(guī)律及晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對稱規(guī)律；簡介晶體化學與晶體生長。晶體物理學在“礦物學”部分的第14章（礦物物理性質(zhì)）有初步介紹。363第一章晶體及結(jié)晶學364第一章晶體及結(jié)晶學一、晶體概念發(fā)展過程早期定義：具有規(guī)則幾何多面體形態(tài)的水晶晶體的內(nèi)部本質(zhì)是什么？其他礦物—規(guī)則幾何多面體形態(tài)后期定義：能自發(fā)生長成規(guī)則幾何多面體外形的固體。晶體的現(xiàn)代定義：內(nèi)部質(zhì)點在三維空間周期性重復排列（格子構(gòu)造）所構(gòu)成的固體物質(zhì)。

有些晶體不發(fā)育成幾何多面體外形365366非晶體（非晶態(tài)）：不具格子構(gòu)造的固態(tài)物質(zhì)。晶體：內(nèi)部結(jié)構(gòu)中原子、離子是有規(guī)律排列的，具格子構(gòu)造；非晶體：內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不規(guī)律的，不具格子構(gòu)造。近程規(guī)律：非晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在很小范圍內(nèi)具某些有序性；遠程規(guī)律：在整個結(jié)構(gòu)范圍的有序。晶體既有近程規(guī)律也有遠程規(guī)律，非晶體只有近程規(guī)律。晶體與非晶體結(jié)構(gòu)（平面）示意圖（a）晶體，（b）玻璃（非晶體）367液體結(jié)構(gòu)也只具有近程規(guī)律；氣體既無遠程規(guī)律，也無近程規(guī)律。晶化：晶體與非晶體在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化如：火山玻璃晶體脫玻化，自發(fā)進行晶體比非晶體穩(wěn)定，故自然界中絕大多數(shù)物質(zhì)是晶體。但顆粒大小懸殊，微米級～幾米或幾十米。非晶體熱力學能高、不穩(wěn)定內(nèi)能小、穩(wěn)定非晶化：晶體因內(nèi)部質(zhì)點的規(guī)則排列遭到破壞轉(zhuǎn)化為非晶體。非晶化一般需要外能。例如，一些含放射性元素的礦物晶體，由于受放射性蛻變所發(fā)出的α射線的作用，晶體遭到破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w。368準晶體(準晶態(tài))：介于晶體與非晶體之間具有近程和遠程規(guī)律，沒有平移周期（不具格子構(gòu)造）1984年電子顯微鏡研究369具五次對稱軸，無格子構(gòu)造短程有序3610晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)最基本特征：具格子構(gòu)造二、空間格子質(zhì)點(原子、離子或分子)在三維空間有規(guī)律地周期性重復排列空間格子：表示晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點周期性重復排列規(guī)律的幾何圖形。具體晶體結(jié)構(gòu)很復雜，含許多原子、離子，我們很辨清它們的重復規(guī)律，如果避開原子、離子，從晶體結(jié)構(gòu)中找出周期重復規(guī)律性，畫出空間格子，具體、復雜的晶體結(jié)構(gòu)的周期重復規(guī)律性就會變得一目了然。從晶體結(jié)構(gòu)中畫出空間格子，必須找出相當點。相當點（滿足兩個條件）：①點的內(nèi)容(或種類)相同；②點的周圍環(huán)境相同。將相當點按照一定規(guī)則連接起來空間格子3611空間格子的導出：為簡化，我們從平面結(jié)構(gòu)中尋找找相當點連接相當點二、空間格子3612注意相當點的選?。翰煌椎南喈旤c在空間的分布都是一樣的同種質(zhì)點并不一定是相當點右圖中02-分屬幾套相當點?請同學們自己找出O2-的相當點并畫出空間格子。3613幾何結(jié)晶學研究的內(nèi)容晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)—是主要空間格子及其對稱規(guī)律，不涉及具體晶體結(jié)構(gòu)中的離子、原子等?？臻g格子這一簡單的幾何圖形包含了晶體結(jié)構(gòu)中最重要、最本質(zhì)的規(guī)律，它在研究晶體宏觀與微觀對稱、晶體生長等方面起著非常重要的作用。

空間格子的意義3614結(jié)點（格點）：空間格子中的點——晶體結(jié)構(gòu)中的相當點?？臻g格子特點空間格子要素：實際晶體中，結(jié)點的位置一定是由同種質(zhì)點所占據(jù)；實際晶體中的同種質(zhì)點并不一定只占據(jù)在同一套結(jié)點上；就結(jié)點本身而言，不代表任何質(zhì)點，只具幾何意義，為幾何點。3615空間格子要素：行列——結(jié)點在直線上的排列即構(gòu)成行列?？臻g格子中任意兩個結(jié)點聯(lián)結(jié)起來就是一條行列的方向。

同一行列中結(jié)點間距相等在平行的行列上結(jié)點間距也相等；不同方向的行列，結(jié)點間距一般不等。結(jié)點間距：行列中相鄰結(jié)點間的距離3616面網(wǎng)密度：面網(wǎng)上單位面積內(nèi)結(jié)點的密度。面網(wǎng)——結(jié)點在平面上的分布即構(gòu)成面網(wǎng)?？臻g格子要素：相互平行的面網(wǎng)，面網(wǎng)密度必相同面網(wǎng)間距：任意兩相鄰面網(wǎng)間的垂直距離。相互平行的面網(wǎng)，面網(wǎng)密度必相同，面網(wǎng)間距也必定相等互不平行的面網(wǎng)，面網(wǎng)密度及面網(wǎng)間距一般不同面網(wǎng)密度大的面網(wǎng)，其面網(wǎng)間距亦大，反之，密度小，間距亦小空間格子中任意兩個相交的行列——決定一個面網(wǎng)一個面網(wǎng)上的結(jié)點分布——可以連接成一個一個的平行四邊形3617面網(wǎng)AA’間距d1面網(wǎng)BB’間距d2面網(wǎng)CC’間距d3面網(wǎng)DD’間距d4面網(wǎng)間距依次減小,面網(wǎng)密度也依次減小的.所以:面網(wǎng)密度與面網(wǎng)間距成正比.面網(wǎng)間距與面網(wǎng)密度的關(guān)系：

首先要將右圖看成一個立體圖的投影，即：點代表一個行列的投影，點之間的連線代表面網(wǎng)的投影。3618空間格子要素：平行六面體——空間格子可以劃出一個最小重復單位

平行六面體：由6個兩兩平行而且相等的面組成晶胞：實際晶體結(jié)構(gòu)中所劃分出的相應的單位

整個晶體結(jié)構(gòu)：晶胞在三維空間平行地、無間隙重復累疊。

晶胞的形狀與大小：取決軸長(a，b，c)和軸角(αβγ)。

acb3619NaCl晶胞金紅石晶胞平行六面體對應的實際晶體中相應的范圍叫晶胞。3620平行六面體可具有各種不同的形狀，各種形狀的平行六面體的軸長與軸角（晶胞參數(shù)）怎么樣？我們以后將會看到，平行六面體的形狀一共有7種，對應有7套晶胞參數(shù)的形式，也對應7個晶系。即：平行六面體的形狀決定了晶體的所屬晶系，也決定了晶體不同的對稱性質(zhì)。3621自限性：是指晶體在適當條件下可以自發(fā)地形成幾何多面體外形的性質(zhì)。三、晶體的基本性質(zhì)——晶體所共有的、由格子構(gòu)造所決定晶體為平的晶面所包圍晶面相交成直的晶棱晶棱會聚成尖的角頂面網(wǎng)晶面行列晶棱結(jié)點角頂3622礦物自限性3623礦物自限性3624玻璃的不同部分折射率、膨脹系數(shù)、熱導率等均相同。液體和氣體也具有統(tǒng)計均一性。

三、晶體的基本性質(zhì)均一性：晶體是具有格子狀構(gòu)造的固體，在同一個晶體的各個不同部分，質(zhì)點的分布是一樣的，所以同一晶體的各個部分的物理性質(zhì)與化學性質(zhì)完全相同。

晶體的均一性是絕對均一性，取決于格子構(gòu)造，稱結(jié)晶均一性非晶體的均一性是統(tǒng)計的、平均近似的均一，稱為統(tǒng)計均一性3625如：藍晶石（二硬石）的硬度

平行晶體延長方向：小于小刀垂直晶體延長方向：大于小刀三、晶體的基本性質(zhì)異向性(各向異性)

：同一格子構(gòu)造中，在不同方向上質(zhì)點排列一般是不一樣的，所以，晶體的性質(zhì)也隨著方向的不同而有所差異。又如：礦物晶體的力學、光學、熱學、電學等性質(zhì)晶體多面體形態(tài)也是異向性的表現(xiàn)，無異向性的外形是球形。思考：均一性與異向性矛盾嗎？異向性與自限性有何聯(lián)系？3626三、晶體的基本性質(zhì)——晶體所共有的、由格子構(gòu)造所決定對稱性：同一晶體中，晶體形態(tài)相同的幾個部分（或物理性質(zhì)相同的幾個部分）在不同方向或位置上有規(guī)律地重復出現(xiàn)。對稱性是晶體極其重要的性質(zhì)，是晶體分類的基礎(chǔ)在晶體的外形上，常有相等的晶面、晶棱和角頂重復出現(xiàn)晶體的格子構(gòu)造本身就是質(zhì)點重復規(guī)律的體現(xiàn)思考：對稱性與異向性有何聯(lián)系？3627三、晶體的基本性質(zhì)——晶體所共有的、由格子構(gòu)造所決定最小內(nèi)能性：在相同的熱力學條件下，晶體與同種物質(zhì)的非晶質(zhì)體相比較，內(nèi)能最小。實驗證明：物體由氣態(tài)、液態(tài)、非晶態(tài)→結(jié)晶狀態(tài)時——析熱結(jié)晶態(tài)→非結(jié)晶態(tài)（晶格的破壞）——吸熱。

內(nèi)能包括質(zhì)點的動能與勢能(位能)。動能與物體所處熱力學條件有關(guān)——不能比較內(nèi)能大小勢能取決于質(zhì)點間的距離與排列——可比較內(nèi)能大小晶體——具格子構(gòu)造——內(nèi)部質(zhì)點有規(guī)律排列——質(zhì)點間的引力與斥力達到平衡——破壞平衡需要能量3628熔點時間時間溫度溫度晶體的穩(wěn)定性是晶體具有最小內(nèi)能性的必然結(jié)果晶體具有一定的熔點，非晶體沒有一定的熔點。穩(wěn)定性：在相同熱力學條件下，晶體比具有相同化學成分的非晶體穩(wěn)定，非晶體有自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的趨勢，而晶體不會自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w。3629下面的問題請同學們思考并討論：1)非晶體（玻璃）的定義及特點？

（引出遠程規(guī)律與近程規(guī)律）2)液體、氣體的結(jié)構(gòu)具有什么規(guī)律？3)晶體與非晶體的轉(zhuǎn)化？36304)準晶體的發(fā)現(xiàn)及定義：1984年發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，具有近程、遠程規(guī)律。但沒有重復周期。這是什么意思呢？5)準晶體與晶體、非晶體的關(guān)系？3631請大家將教材上圖1－2（a）的平面晶體結(jié)構(gòu)的空間格子畫出來。36323633本章包括3組重要的基本概