现代科技综述知识文库：矿物晶体结构分析

1、现代科技综述系列矿物晶体结构分析科技是人类区别于动物的重要文明之一，是人类对自然规律研究和利用的学科。本文提供对科技基本概念“矿物晶体结构分析”的解读，以供大家了解。矿物晶体结构分析是用X射线衍射、中子衍射及电子衍射等方法揭示矿物这种自然界存在的固体晶态物质在微观层次上的原子排列及其晶体化学特点，它可以完整地提供矿物晶体的晶胞尺寸、点群及空间群类型、原子坐标、原子间的键长和键角、化学键性质等晶体化学资料。这对于矿物及无机晶体中与晶体结构有关的物理化学性质的阐明、晶体的合成与生长、矿物成因等方面都具重要意义。矿物晶体结构分析的理论基础，是孕育于矿物学中的经典晶体学(结晶学)长期发展中奠定的。17

2、84年阿羽依(RJHauy)在他的着作中提出晶体结构是由相同的分子所组成，他认为菱面体是构成晶体的几种基本构造单元中的一种特殊形状。他的理论含蓄地提出每一组成分子都有一特定的化学内容，组成分子本身就是基本物质，任何进一步的分割都会破坏它本身的特性。1815年魏斯(SWeiss)提出了结晶轴概念和结晶轴三维空间中的对称轴关系，并确定了等轴、四方和正交晶系。1830年赫塞尔(THessel)得出了32个晶类以及只有1、2、3、4、6次旋转轴才与平移对称相容的见解。1848年布拉维(ABravais)提出了14种空间点阵，并指出这14种空间点阵可划分成7种点阵对称，对应于以前所认识的7个晶系。这就为

3、宏观外部对称研究的结晶学进入微观层次的空间点阵研究提供了理论武器。1879年leonard Sohncke发现了螺旋轴扣滑移面这两种对称要素。在掌握这些概念的基础上，俄国晶体学家弗德洛夫(ESFederov)提出了230个空间群。这一重要理论不仅是现代矿物晶体结构分析的基础，而且也是一个理论发展走在实验前头的有趣的例子。因后来通过现代实验技术得出的晶胞内原子排列情况毫无例外证实了该对称理论的正确性。矿物晶体结构的近代研究是由1895年伦琴发现X射线而引发的。1911年劳埃(vonLaue)将一束X射线通过硫酸铜晶体，得到了第1张X射线衍射照片，从而导致了两个有意义的结果：(1)X射线具有电磁性

4、质并具有短的波长；(2)该波长与规则排列的原子间距相近，从而导致X射线衍射效应。1913年布拉格父子(WHBragg&WLBragg)用X射线测定了第1个晶体结构并在30年代完成了大部分硅酸盐矿物的晶体结构测定工作。到60年代，中国完成葡萄石晶体结构分析止，占地壳主要成分的硅酸盐矿物的晶体结构的测定工作差不多全部完成了。在这个测定基础上，完整的硅酸盐的晶体化学体系也建立起来了。进入7080年代，X射线晶体学由于X射线源、探测器及计算机技术的发展使得测定速度、精度及数量方面有了极大的提高。例如X射线源的功率，在50年代只是在1kW以下，进入70年代由于旋转阳极靶的使用而提高到60100kW，而现

5、代同步辐射源的应用，功率又可以比旋转阳极靶提高12个数量级。在结构解析的理论方面，研究的焦点集中在如何在相当数量的强度衍射数据中推引出结构因子的位相值。这个问题由于卡尔(karle)等人的不懈努力，在直接法方面研究取得突破性进展。由于上述的实验技术及理论体系的发展和完善，矿物晶体结构分析目前已成为近于常规的测试手段并越来越普及。除X射线衍射外，中子衍射也已成为矿物晶体结构测试的有效手段。它的优点是可以获得原子核的准确位置，并且对于轻原子位置的测定特别有效。由于X射线测定精度的提高及中子衍射法的应用，目前矿物晶体结构的任务已不局限于点原子位置的确定，而是可以获得晶体结构中价电子云的密度，从而对原

6、子的化学键性进行定量的解释。自70年代起矿物物理学及矿物谱学的兴起，为探索矿物晶体结构的量子化学特征提供了有力武器。对于矿物晶体结构的研究，目前的发展趋势是从统计、平均结构的测定，走向实时、局部及表面结构的方向，透射电子显微镜的应用不仅可以提供矿物微区(1100nm)的晶体学对称信息，而且可以实时地观察到晶畴及晶胞级区域的局部结构图象。自1987年以来，扫描隧道显镜及原子力显微镜的发明并被引入矿物学领域，从而导致矿物的表面结构的直接观察，由于它能提供01nm水平分辨率及001nm左右的垂直分辨率，成为当今世界上观察矿物晶体表面分辨率最高的仪器，随着这一研究方法的成熟和完善，人类一睹微观原子世界

7、真面目的理想将变成现实。【参考文献】： 1 Voe Fedorv E S. Throrie der kristallstruktur, Einleitung Reglmassige punktsysteme mit udersichteicher graphisher Darstellung. Z kristallogr,1985. 24,209252 2 W. L. (1913)Peoc Camb.Phil Soc, 1913,17:43 3 M. M. woolfson Direct Metlod in cryslallogrophy. Oxford University press. 1961 4 Binning G,Rohrer H. Surface Sci. ,1983,126,236 5 Friedric