晶体原子堆垛

1、刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 16/21/2021 8:00:36 AM 1.5.1 晶体中原子堆垛方式 1.5.2 晶体结构中的间隙 1.5.3 同素异构现象 1.5.4 原子半径 1.5.5 其它晶体结构 1.5.6 晶体的极射投影简介 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 26/21/2021 8:00:36 AM 1.5.1 晶体中原子的堆垛方式晶体中原子的堆垛方式 等径球在平面上最紧密堆垛方式 A层原子紧密排列

2、，第二层可排B与C位置，但不可同时排B与C位置 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 36/21/2021 8:00:36 AM A层原子紧密排列，第二层可排B与C位置，但不可同时排B与C位置 A B CC BB BB C C CC C BB B A A A AA A A A A AA AAA A A A AA AA AA A A AA A A C C B A A （111）面原子排列平面示意图 110 BB B FCC结构原子堆垛示意图结构原子堆垛示意图 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机

3、 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 46/21/2021 8:00:37 AM 面心立方密排面心立方密排 面心立方：密排面为111 ABCABCABC 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 56/21/2021 8:00:37 AM 面心立方面心立方 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 66/21/2021 8:00:37 AM 密排六方密排密排六方密排 密排面为（密排面为（0001） ABAB

4、AB 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 76/21/2021 8:00:37 AM Packing of the hcp crystal Packing of the hcp crystal (ABAB) 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 86/21/2021 8:00:38 AM AB ABC ATOMIC PACKING 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiSho

5、u University 96/21/2021 8:00:38 AM 体心立方堆垛体心立方堆垛 密排面为（110） ABABAB. 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 106/21/2021 8:00:38 AM B B B B B B A A AA A A A A A AA AA A A A A B BB B A AA A AA 111 （110）面原子平面排列示意图 B B B B B B 体心立方堆垛 密排面为（110），不是最密排结构。ABABAB 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机

6、机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 116/21/2021 8:00:38 AM 1.5.2 1.5.2 晶体结构中的间隙晶体结构中的间隙 从晶体中原子排列的刚球模型和对致密度可以看出，金属晶 体中存在间隙 分为四面体间隙和八面体间隙 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 126/21/2021 8:00:39 AM Interstitials 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 136/21

7、/2021 8:00:39 AM Interstitials 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 146/21/2021 8:00:39 AM Interstitials 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 156/21/2021 8:00:39 AM 棱边长 位于立方体正中心和每个棱边中心 a aa 2 2 22 22 面心立方八面体间隙面心立方八面体间隙 数目=1+121/4=4 设原子半径为rA，间隙中能容纳的 最大圆

8、球半径rB rB /rA = 0.414 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 166/21/2021 8:00:39 AM 位于由一个顶角原子和 三个面中心原子连接成 的正四面体中心 面心立方四面体间隙面心立方四面体间隙 数目为8 rB / rA =0.225 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 176/21/2021 8:00:40 AM 密排六方八面体间隙密排六方八面体间隙 与面心立方结构的八面体 和四面体间隙形状完全

9、相似 八面体间隙 位置不同 rB / rA = 0.414 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 186/21/2021 8:00:40 AM 密排六方四面体间隙密排六方四面体间隙 四面体间隙 rB /rA = 0.225 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 196/21/2021 8:00:40 AM 位于立方体每个面中心和每根棱 中间 体心立方八面体间隙体心立方八面体间隙 数目为6 rB / rA = 0.15 rB /

10、rA = 0.633 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 206/21/2021 8:00:40 AM 位于两个体心原子和两个顶 角原子所组成的四面体中心 体心立方四面体间隙体心立方四面体间隙 数目为12 rB / rA = 0.29 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 216/21/2021 8:00:40 AM 晶体结构中的间隙晶体结构中的间隙 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学

11、学 院院 JiShou University 226/21/2021 8:00:40 AM 1.5.3 同素异晶性（多型性）同素异晶性（多型性） 当外界条件（温度、压力）改变时，元素的晶体结构可以发生 转变，这种性能称作同素异晶性，或称多型性 锡在温度低于18时为金刚石结构的-Sn，也称为灰锡 这种转变则称为同素异晶转变或多型性转变 转变的产物叫同素异晶体 碳具有六方结构和金刚石结构两种晶型 锡在温度高于18时为正方结构的-Sn，也称为白锡 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 236/21/2021 8:00

12、:40 AM 同素异构转变同素异构转变 晶体结构改变，金属的性能如体积、强度、塑性、 磁性、导电性等往往要发生突变 钢铁材料和钛合金等许多其他的金属材料能够通过 热处理来改变性能，原因之一就是因为它们具有晶 型转变 如纯铁加热时候的膨胀曲线 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 246/21/2021 8:00:40 AM Fe的同素异构转变的同素异构转变 912以下为体心立方结构，-Fe 9121,394之间为面心立方结构， -Fe 温度超过1,394时，又变为体心 立方结构，称为-Fe 在150 KPa高压

13、下铁还可以具有密 排六方结构，称为-Fe 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 256/21/2021 8:00:41 AM 同素异构转变同素异构转变 与金属中的多晶型类似，在聚合物中存在非常多的异构体， 并使异构体熔点和沸点等都不相同 丙醇的异构体 a-正丙醇；b-异丙醇，它们成分相同，结构不同 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 266/21/2021 8:00:41 AM 碳的同素异构碳的同素异构 石墨结构 金刚石结构

14、刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 276/21/2021 8:00:41 AM 1.5.4 原子大小原子大小 原子半径：最近邻的两个原子中心之间的距离的一半 a 4 2 a 4 3 2 a R 342 1 3 3 22 1 22 2 2 2 ac a c R 表征原子大小通常采用两种量度方法：原子半径和结构原子体积 bcc fcc hcp c/a=1.633 c/a1.633 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 286/2

15、1/2021 8:00:41 AM 影响原子半径因素影响原子半径因素 一般情况下都是指常温、常压下的数据 1.温度与压力的影响 温度改变时由于原子热振动及晶体内点阵缺陷平衡浓度的变化， 使原子间距产生改变，影响到原子半径的大小 室温下Ag的原子半径为0.144429nm 原子并非刚性接触，存在一定可压缩性，压力改变也会引起原 子半径的变化 温度升高1时则变为0.144432nm 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 296/21/2021 8:00:41 AM 影响原子半径因素影响原子半径因素 晶体中原子的平均

16、间距与结合键类型及键合的强弱有关 2结合键的影响 离子键与共价键是较强的结合键，原子间距相应较小 范德瓦尔斯键的键能最小，因此原子间距最大 同一金属晶体分别以金属键和离子键结合时，原子半径与离 子半径有很大的差异 如Fe原子的原子半径为0.124nm，而Fe2+和Fe3+的离子半径 分别为0.083nm和0.067nm 碱金属与过渡族金属相比，由于结合键较弱，因此碱金属的 原子半径比离子半径大得多 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 306/21/2021 8:00:41 AM 影响原子半径因素影响原子半径因

17、素 原子排列密集程度与原子半径密切相关 3配位数的影响 把配位数为12的密排晶体的原子半径作为1，对不同配位数时原子半径的相对值 原子半径随晶体中原子配位数的减少而减少 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 316/21/2021 8:00:41 AM 金属配位数影响原子半径金属配位数影响原子半径 从高配位数结构向低配位数结构发生同素异构转变 由面心立方结构的-铁转变为体心立方结构的-铁 致密度的减少，晶体体积的膨胀 原子半径产生收缩，减少转变时的体积变化 以维持其最低的能量状态 致密度从0.74降到0.68，

18、原子半径不变应产生9%体积膨胀 实际测出的体积膨胀只有0.8% 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 326/21/2021 8:00:41 AM 影响原子半径因素影响原子半径因素 各个元素的原子半径随原子 序数的递增而呈现周期性 变化的特点 原子核外层电子结构的影响 刘志勇 吉吉 首首 大大 学学 物物 理理 与与 机机 电电 工工 程程 学学 院院 JiShou University 336/21/2021 8:00:41 AM 原子核外层电子结构影响原子半径 每一周期 从第1周期到第5周期 镧族收缩 开始随着原子序数增加，原子核外层电子数目增加（电子壳层数目不 变），电子壳层逐渐被电子填满，原子半径逐渐减少 原子半径达到最小值之后，原子半径又随着原子序数的增加而增加 每个周期内原子半径的最大值和最小值随着周期数的增加而提高