大学化学第3章晶体结构

1、钻石钻石富勒烯富勒烯 3.1 晶体的宏观特性晶体的宏观特性3.1 晶体的宏观特性晶体的宏观特性3.2 晶体的微观结构晶体的微观结构3.2 晶体的微观结构晶体的微观结构 把晶体中的每个结构单元（原子、分子、原子团或把晶体中的每个结构单元（原子、分子、原子团或离子）抽象为一个点，间距相等的点排成一行直线点阵，离子）抽象为一个点，间距相等的点排成一行直线点阵，直线点阵平行排列而形成一个平面点阵，许多平面点阵直线点阵平行排列而形成一个平面点阵，许多平面点阵平 行 排 列 就 成 了 三 维 空 间 点 阵 。平 行 排 列 就 成 了 三 维 空 间 点 阵 。 在点阵中以三维空间在点阵中以三维空间3

2、 3个周期个周期a a、b b和和c c为边长而形成为边长而形成的平行六面体格子被称为晶格。（所以，晶格是一种几的平行六面体格子被称为晶格。（所以，晶格是一种几何概念，是从晶体结构中抽象出来的简化的描述）何概念，是从晶体结构中抽象出来的简化的描述） 如果将组成晶体的结构单元置于晶格的节点上，可如果将组成晶体的结构单元置于晶格的节点上，可以得到晶体中与晶格相对应的实际结构以得到晶体中与晶格相对应的实际结构晶胞。这是二晶胞。这是二者的基本定义。可见，晶胞是一个大小和形状与晶格相者的基本定义。可见，晶胞是一个大小和形状与晶格相同的平行六面体，既包括晶格的形式与大小，也包括对同的平行六面体，既包括晶格

3、的形式与大小，也包括对应于晶格结点的结构单元内容。应于晶格结点的结构单元内容。 3.2 晶体的微观结构晶体的微观结构3.2 晶体的微观结构晶体的微观结构3.2 晶体的微观结构晶体的微观结构3.2 晶体的微观结构晶体的微观结构3.2 晶体的微观结构晶体的微观结构3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型金属晶体的结构3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型空间占有率：空间占有率： 74.05%配位数：配位数：123.3 晶体的基本类型晶体的基本类型空间占有率：空间占有率： 74.05%配位数：配位数

4、：123.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型3.3 晶体的基本类型晶体的基本类型NOONCoCl2CH3CNNOONCoClClnCH2Cl23.4 晶体材料晶体材料传声器、话筒、电磁点火系统和打火机传声器、话筒、电磁点火系统和打火机PZT做成的做成的“火石火石” ，打火次数：，打火次数：100万次以上万次以上3

5、.4 晶体材料晶体材料3.4 晶体材料晶体材料3.4 晶体材料晶体材料3.4 晶体材料晶体材料BGO是是Bi2O3-GeO2系化合物的总称锗酸铋的缩写，目前又往往系化合物的总称锗酸铋的缩写，目前又往往特指其中的一种化合物特指其中的一种化合物。BGO是一种闪烁晶体，无是一种闪烁晶体，无色透明。当色透明。当 一定能量的电子、一定能量的电子、射线或重带电粒子进入射线或重带电粒子进入BGO时，时，它能发出蓝绿色的荧光，记录荧光的强度和位置，就能计算出它能发出蓝绿色的荧光，记录荧光的强度和位置，就能计算出入射电子、入射电子、射线等的能量和位置。这就是射线等的能量和位置。这就是 BGO的的“眼睛眼睛”作作

6、用，即可用作高能粒子的用，即可用作高能粒子的“探测器探测器”。3.4 晶体材料晶体材料准晶体准晶体 准晶体，是一种介于准晶体，是一种介于晶体晶体和和非晶体非晶体之间的之间的固体固体。准晶体具有与晶体相。准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列，但是准晶体不具备晶体的平移对称性。似的长程有序的原子排列，但是准晶体不具备晶体的平移对称性。 因而可因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。以具有晶体所不允许的宏观对称性。以色列以色列科学家丹尼尔科学家丹尼尔-谢赫特曼（谢赫特曼（Daniel Shechtman）因发现准晶体而）因发现准晶体而 一一人独享了人独享了2011年年诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖。 1

7、982年，谢赫特曼在美国霍普金斯大学工作时发现了准晶，这种新的年，谢赫特曼在美国霍普金斯大学工作时发现了准晶，这种新的结构因为缺少空间结构因为缺少空间周期性周期性而不是晶体，但又不像非晶体，准晶展现了完美而不是晶体，但又不像非晶体，准晶展现了完美的的长程有序长程有序，这个事实给晶体学界带来了巨大的冲击，它对长程有序与周，这个事实给晶体学界带来了巨大的冲击，它对长程有序与周期性等价的基本概念提出了挑战。期性等价的基本概念提出了挑战。准晶体，亦称为准晶体，亦称为“准晶准晶”或或“拟晶拟晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的，是一种介于晶体和非晶体之间的固体结构。在准晶的原子排列中，其结构是长程有序的，

8、这一点和晶体相固体结构。在准晶的原子排列中，其结构是长程有序的，这一点和晶体相似；但是准晶不具备平移对称性，这一点又和晶体不同。普通晶体具有的似；但是准晶不具备平移对称性，这一点又和晶体不同。普通晶体具有的是二次、三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其是二次、三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或者更高的六次以上对称性。他的对称性，例如五次对称性或者更高的六次以上对称性。3.4 晶体材料晶体材料1982年年4月月8日，谢赫特曼首次在电子显微镜下观察到一种日，谢赫特曼首次在电子显微镜下观察到一种“反常反常”现象现象：铝锰合金铝锰合金

9、的的 原子采用一种不重复、非周期性但对称有序的方式排列。而原子采用一种不重复、非周期性但对称有序的方式排列。而当时人们普遍认为，晶体内的原子都以周期性不断重复的对称模式排列，当时人们普遍认为，晶体内的原子都以周期性不断重复的对称模式排列，这种重复结构是形成晶体所必须的，自然界中不可能存在具有谢赫特曼发这种重复结构是形成晶体所必须的，自然界中不可能存在具有谢赫特曼发现的那种原子排列方式的晶体。随后，科学家们在实验室中制造出了越来现的那种原子排列方式的晶体。随后，科学家们在实验室中制造出了越来越多的各种准晶体，并于越多的各种准晶体，并于2009年首次发现了纯天然准晶体。年首次发现了纯天然准晶体。1

10、982年，谢赫特曼在进行年，谢赫特曼在进行“衍射光栅衍射光栅”实验时，让电子通过铝锰合金进实验时，让电子通过铝锰合金进行衍射，结果发现无数个同心圆各被行衍射，结果发现无数个同心圆各被10个光点包围，恰恰就是一个个光点包围，恰恰就是一个10次对次对称。谢赫特曼当时认为称。谢赫特曼当时认为“这是不可能的这是不可能的”，还在笔记本上写道：，还在笔记本上写道：“10次次?”然而，然而，1987年，法国和日本科学家成功地在实验室中制造出了准晶体结构年，法国和日本科学家成功地在实验室中制造出了准晶体结构；2009年，科学家们在俄罗斯东部哈泰尔卡湖获取的矿物样本中发现了天年，科学家们在俄罗斯东部哈泰尔卡湖获

11、取的矿物样本中发现了天然准晶体的然准晶体的“芳踪芳踪”，这种名为，这种名为icosahedrite（取自正二十面体）的新矿物（取自正二十面体）的新矿物质由铝、铜和铁组成质由铝、铜和铁组成;瑞典一家公司也在一瑞典一家公司也在一 种耐用性最强的钢中发现了准晶种耐用性最强的钢中发现了准晶体，这种钢被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中。体，这种钢被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中。3.4 晶体材料晶体材料 准晶体具有独特的属性，坚硬又有弹性、非常平滑，而准晶体具有独特的属性，坚硬又有弹性、非常平滑，而且，与大多数金属不同的是，其导电、且，与大多数金属不同的是，其导电、导热性导热性很差，因此在很差，因此在日常生活中大有用武之地。科学家正尝试将其应用于其他产日常生活中大有用武之地。科学家正尝试将其应用于其他产品中，比如不粘锅