晶体结构和空间点阵PPT教案

1、会计学1晶体结构和空间点阵晶体结构和空间点阵固态物质：晶体固态物质：晶体 非晶体非晶体2.1 2.1 晶体学基础晶体学基础空间点阵和晶胞、晶向指数和晶面指数、晶空间点阵和晶胞、晶向指数和晶面指数、晶带、晶面间距、倒易点阵、晶体的对称性、带、晶面间距、倒易点阵、晶体的对称性、第1页/共43页 1 1、晶体、晶体晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特征开始征开始在古代，无论中外，都把具有规则的几何多在古代，无论中外，都把具有规则的几何多面体形态的水晶称为晶体面体形态的水晶称为晶体凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体形凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态的固

2、体都称之为晶体态的固体都称之为晶体 以上两种定义都是不正确的以上两种定义都是不正确的一、晶体的基本概念一、晶体的基本概念第2页/共43页l19121912年，年，X X射线晶体衍射实验成功射线晶体衍射实验成功，对晶体的研，对晶体的研究从晶体的外部进入到晶体的内部，使结晶学进究从晶体的外部进入到晶体的内部，使结晶学进入一个崭新的发展阶段。入一个崭新的发展阶段。l现已证明，现已证明，一切晶体一切晶体不论其外形如何，它的内部不论其外形如何，它的内部质点（原子、离子或分子）都是在三维空间有规质点（原子、离子或分子）都是在三维空间有规律排列，主要表现为同种质点的周期重复，构成律排列，主要表现为同种质点的

3、周期重复，构成了所谓的了所谓的“空间格子空间格子”。l所有晶体都具有格子构造所有晶体都具有格子构造晶体的共同特点。晶体的共同特点。第3页/共43页Cl-Na+l晶体的正确的定义：晶体的正确的定义：晶体是内部质点在三维晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体；或者说晶体空间呈周期性重复排列的固体；或者说晶体就是具有空间格子的固体。就是具有空间格子的固体。石石 盐盐 晶晶 体体 结结 构构第4页/共43页无色水晶无色水晶第5页/共43页钻石原石钻石原石第6页/共43页2 2、非晶体、非晶体 l有些状似固体的物质如玻璃、琥珀、松香等，它有些状似固体的物质如玻璃、琥珀、松香等，它们的们的内部质点

4、不作规则排列，不具有格子构造，内部质点不作规则排列，不具有格子构造，称为非晶体。称为非晶体。l从内部结构看，非晶体中质点的分布颇似于液体从内部结构看，非晶体中质点的分布颇似于液体，严格地说，它们不是固体，是过冷液体。，严格地说，它们不是固体，是过冷液体。 l只有晶体才能称为真正的固体。只有晶体才能称为真正的固体。 第7页/共43页晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。晶体和非晶体的两大性能区别晶体和非晶体的两大性能区别:例如：玻璃、石蜡和沥青等都是非晶体，冰块、NaCl、ZnS

5、 等都是晶体。各向同性各向同性各向异性各向异性固定熔点固定熔点熔化范围熔化范围 熔熔 点：点：晶体晶体非晶体非晶体方向性：方向性：第8页/共43页晶体的性质：晶体的性质：第9页/共43页第10页/共43页u玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃u通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得得 到非晶态到非晶态u获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法 ）第11页/共43页阵点阵点实际晶体的质点在三维空间可以有无限多种排列方式，为了便实际晶体的质点在三维空间可以有无

6、限多种排列方式，为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。列于空间的几何点，称之为阵点。第12页/共43页空间点阵空间点阵 为了说明点阵排列的规律与特点，在点阵中取出一个具有为了说明点阵排列的规律与特点，在点阵中取出一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点元，称为晶胞。将

7、晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。阵。晶晶 胞胞第13页/共43页晶胞a c b a c b 第14页/共43页图 空间点阵第15页/共43页第16页/共43页第17页/共43页第18页/共43页第19页/共43页第20页/共43页所以根据晶胞中结点的分布情况，所有晶胞可以所以根据晶胞中结点的分布情况，所有晶胞可以分为四种格子类型：分为四种格子类型：原始格子、底心格子、体心原始格子、底心格子、体心格子和面心格子格子和面心格子。 原始格子原始格子底心格子底心格子体心格子体心格子面心格子面心格子第21页/共43页第22页/共43页第23页/共43页三斜：简单三斜单斜：简单单斜 底心单斜,90o

8、abc,90oabc第24页/共43页正交：简单正交 底心正交体心正交面心正交,90oabc第25页/共43页菱方：简单菱方六方：简单六方123,90 ,120ooaaac,90oabc第26页/共43页四方：简单四方 体心四方,90oabc第27页/共43页立方：简单立方 体心立方 面心立方,90oabc第28页/共43页同一空间点阵可因选取晶胞的方式不同而得出不同的晶胞同一空间点阵可因选取晶胞的方式不同而得出不同的晶胞体心立方体心立方面心立方面心立方简单菱方简单菱方简单三斜简单三斜新晶胞不能反映立方晶系空间点阵的对称性，故不能这样选取新晶胞不能反映立方晶系空间点阵的对称性，故不能这样选取。

9、第29页/共43页+PICF第30页/共43页aab c120o120o120o六方晶系只有简单六方点阵，六方晶系只有简单六方点阵，在简单六方点阵的上下面中心在简单六方点阵的上下面中心添加结点后是否形成一个新的添加结点后是否形成一个新的点阵点阵底心六方点阵，如果底心六方点阵，如果它满足六方晶系的对称性，那它满足六方晶系的对称性，那它就是一个新的点阵。它就是一个新的点阵。但是所形成的点阵不再具有但是所形成的点阵不再具有6次旋转对称，因而不再是六方晶次旋转对称，因而不再是六方晶系，而带心点阵可以连成简单单斜点阵，因而不是新点阵。系，而带心点阵可以连成简单单斜点阵，因而不是新点阵。第31页/共43页

10、为什么没有底心四方和面心四方？为什么没有底心四方和面心四方？如果存在，从上图可以看出，底心四方可以连成体积更小如果存在，从上图可以看出，底心四方可以连成体积更小的简单四方点阵，面心四方可以连成体积更小的体心四方的简单四方点阵，面心四方可以连成体积更小的体心四方点阵，因此不存在底心四方点阵和面心四方点阵。点阵，因此不存在底心四方点阵和面心四方点阵。第32页/共43页由上图可以看出。由上图可以看出。4个简单四方可以连成一个底心四方，个简单四方可以连成一个底心四方，4个体心四方可以连成一个面心四方，但面积都比原来个体心四方可以连成一个面心四方，但面积都比原来大，这与晶胞的选取原则相抵触。大，这与晶胞

11、的选取原则相抵触。第33页/共43页为什么不存在体心单斜和面心单斜点阵？为什么不存在体心单斜和面心单斜点阵？如果存在，由上图可以看出，如果存在，由上图可以看出，2个体心和面心单斜都可个体心和面心单斜都可以连成一个底心单斜点阵，因而不是新的点阵。以连成一个底心单斜点阵，因而不是新的点阵。第34页/共43页空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，它是由几何点在三维空间析晶体结构的周期性和对称性，它是由几何点在三维空间理想的周期性规则排列而成，由于各阵点的周围环境相同，理想的周期性规则排列而成，由于各阵点的周围环

12、境相同，它只能有它只能有14种类型。种类型。晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此实际存在体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此实际存在的晶体结构是无限的。的晶体结构是无限的。第35页/共43页上图是金属中常见的密排六方晶体结构，但它不能看作一上图是金属中常见的密排六方晶体结构，但它不能看作一种空间点阵，这是因为位于晶胞内的原子与晶胞角上的原种空间点阵，这是因为位于晶胞内的原子与晶胞角上的原子具有不同的周围环境，这样的晶体结构应属简单六方点子具有不同的周围环境，这样的晶体结构应属简单六方点阵。阵。第36页/共43页图 几种晶体结构的点阵分析(a) -Fe (b) NaCl (c) CaF2 (d) ZnS 尽管它们的晶体结构完全不同，但是它们的点阵类型相同，都是面心立方尽管它们的晶体结构完全不同，但是它们的点阵类型相同，都是面心立方。第37页/共43页任何一种晶体都有它自己的特定的晶体结构，不可能有两任何一种晶体都有它自己的特定的晶体结构，不可能有两种晶体具有完全相同的晶体结构。因此，晶体结构的数目种晶体具有完全相同的晶体结构。因此，晶体结构的数目极多，为了便于研究晶体，可把它抽象为空间点阵。极多，为了便于研究晶体，可把它抽象为空间点阵。第38页/共43页第39页/共