晶体及结晶学课件

361结晶学（晶体学）发展历史及分支学科简介：结晶学始于17世纪中叶人类的矿业活动，与天文学一起成为人类认识物质世界发展最早的两门自然科学。17～18世纪：以研究晶体形态为主，也初步推测研究晶体内部结构的几何规律；这一阶段主要以数学为工具（同种矿物的晶体其对应晶面夹角守恒）。19世纪末～20世纪初：X－射线的发现及其对晶体结构的测量，进入晶体内部结构研究阶段；20世纪70年代以来：透射电镜研究晶体内部超微结构细节；20世纪80年代，发现准晶体，开辟了晶体对称理论新领域。362经典的结晶学是以几何或数学的理论研究晶体宏观形态中晶面分布规律、内部结构中质点分布规律，主要是对称规律。分支学科：（X射线）晶体结构学－研究各原子离子占位及成键的具体规律、结构缺陷，X射线测试晶体结构的原理与方法。晶体化学－研究晶体成分、化学键及其与晶体结构的关系。晶体生长学－研究晶体生长机理及其影响因素。晶体物理学－研究晶体的光、电、磁等物理性质受晶体对称影响产生的各向异性规律。本课程以经典结晶学（几何结晶学）为主，即主要介绍晶体形态对称规律及晶体内部结构对称规律；简介晶体化学与晶体生长。晶体物理学在“矿物学”部分的第14章（矿物物理性质）有初步介绍。363第一章晶体及结晶学364第一章晶体及结晶学一、晶体概念发展过程早期定义：具有规则几何多面体形态的水晶晶体的内部本质是什么？其他矿物—规则几何多面体形态后期定义：能自发生长成规则几何多面体外形的固体。晶体的现代定义：内部质点在三维空间周期性重复排列（格子构造）所构成的固体物质。

有些晶体不发育成几何多面体外形365366非晶体（非晶态）：不具格子构造的固态物质。晶体：内部结构中原子、离子是有规律排列的，具格子构造；非晶体：内部结构是不规律的，不具格子构造。近程规律：非晶体的内部结构在很小范围内具某些有序性；远程规律：在整个结构范围的有序。晶体既有近程规律也有远程规律，非晶体只有近程规律。晶体与非晶体结构（平面）示意图（a）晶体，（b）玻璃（非晶体）367液体结构也只具有近程规律；气体既无远程规律，也无近程规律。晶化：晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化如：火山玻璃晶体脱玻化，自发进行晶体比非晶体稳定，故自然界中绝大多数物质是晶体。但颗粒大小悬殊，微米级～几米或几十米。非晶体热力学能高、不稳定内能小、稳定非晶化：晶体因内部质点的规则排列遭到破坏转化为非晶体。非晶化一般需要外能。例如，一些含放射性元素的矿物晶体，由于受放射性蜕变所发出的α射线的作用，晶体遭到破坏而转变为非晶体。368准晶体(准晶态)：介于晶体与非晶体之间具有近程和远程规律，没有平移周期（不具格子构造）1984年电子显微镜研究369具五次对称轴，无格子构造短程有序3610晶体内部结构最基本特征：具格子构造二、空间格子质点(原子、离子或分子)在三维空间有规律地周期性重复排列空间格子：表示晶体内部结构中质点周期性重复排列规律的几何图形。具体晶体结构很复杂，含许多原子、离子，我们很辨清它们的重复规律，如果避开原子、离子，从晶体结构中找出周期重复规律性，画出空间格子，具体、复杂的晶体结构的周期重复规律性就会变得一目了然。从晶体结构中画出空间格子，必须找出相当点。相当点（满足两个条件）：①点的内容(或种类)相同；②点的周围环境相同。将相当点按照一定规则连接起来空间格子3611空间格子的导出：为简化，我们从平面结构中寻找找相当点连接相当点二、空间格子3612注意相当点的选取：不同套的相当点在空间的分布都是一样的同种质点并不一定是相当点右图中02-分属几套相当点?请同学们自己找出O2-的相当点并画出空间格子。3613几何结晶学研究的内容晶体内部结构—是主要空间格子及其对称规律，不涉及具体晶体结构中的离子、原子等。空间格子这一简单的几何图形包含了晶体结构中最重要、最本质的规律，它在研究晶体宏观与微观对称、晶体生长等方面起着非常重要的作用。

空间格子的意义3614结点（格点）：空间格子中的点——晶体结构中的相当点。空间格子特点空间格子要素：实际晶体中，结点的位置一定是由同种质点所占据；实际晶体中的同种质点并不一定只占据在同一套结点上；就结点本身而言，不代表任何质点，只具几何意义，为几何点。3615空间格子要素：行列——结点在直线上的排列即构成行列。空间格子中任意两个结点联结起来就是一条行列的方向。

同一行列中结点间距相等在平行的行列上结点间距也相等；不同方向的行列，结点间距一般不等。结点间距：行列中相邻结点间的距离3616面网密度：面网上单位面积内结点的密度。面网——结点在平面上的分布即构成面网。空间格子要素：相互平行的面网，面网密度必相同面网间距：任意两相邻面网间的垂直距离。相互平行的面网，面网密度必相同，面网间距也必定相等互不平行的面网，面网密度及面网间距一般不同面网密度大的面网，其面网间距亦大，反之，密度小，间距亦小空间格子中任意两个相交的行列——决定一个面网一个面网上的结点分布——可以连接成一个一个的平行四边形3617面网AA’间距d1面网BB’间距d2面网CC’间距d3面网DD’间距d4面网间距依次减小,面网密度也依次减小的.所以:面网密度与面网间距成正比.面网间距与面网密度的关系：

首先要将右图看成一个立体图的投影，即：点代表一个行列的投影，点之间的连线代表面网的投影。3618空间格子要素：平行六面体——空间格子可以划出一个最小重复单位

平行六面体：由6个两两平行而且相等的面组成晶胞：实际晶体结构中所划分出的相应的单位

整个晶体结构：晶胞在三维空间平行地、无间隙重复累叠。

晶胞的形状与大小：取决轴长(a，b，c)和轴角(αβγ)。

acb3619NaCl晶胞金红石晶胞平行六面体对应的实际晶体中相应的范围叫晶胞。3620平行六面体可具有各种不同的形状，各种形状的平行六面体的轴长与轴角（晶胞参数）怎么样？我们以后将会看到，平行六面体的形状一共有7种，对应有7套晶胞参数的形式，也对应7个晶系。即：平行六面体的形状决定了晶体的所属晶系，也决定了晶体不同的对称性质。3621自限性：是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体外形的性质。三、晶体的基本性质——晶体所共有的、由格子构造所决定晶体为平的晶面所包围晶面相交成直的晶棱晶棱会聚成尖的角顶面网晶面行列晶棱结点角顶3622矿物自限性3623矿物自限性3624玻璃的不同部分折射率、膨胀系数、热导率等均相同。液体和气体也具有统计均一性。

三、晶体的基本性质均一性：晶体是具有格子状构造的固体，在同一个晶体的各个不同部分，质点的分布是一样的，所以同一晶体的各个部分的物理性质与化学性质完全相同。

晶体的均一性是绝对均一性，取决于格子构造，称结晶均一性非晶体的均一性是统计的、平均近似的均一，称为统计均一性3625如：蓝晶石（二硬石）的硬度

平行晶体延长方向：小于小刀垂直晶体延长方向：大于小刀三、晶体的基本性质异向性(各向异性)

：同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，所以，晶体的性质也随着方向的不同而有所差异。又如：矿物晶体的力学、光学、热学、电学等性质晶体多面体形态也是异向性的表现，无异向性的外形是球形。思考：均一性与异向性矛盾吗？异向性与自限性有何联系？3626三、晶体的基本性质——晶体所共有的、由格子构造所决定对称性：同一晶体中，晶体形态相同的几个部分（或物理性质相同的几个部分）在不同方向或位置上有规律地重复出现。对称性是晶体极其重要的性质，是晶体分类的基础在晶体的外形上，常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出现晶体的格子构造本身就是质点重复规律的体现思考：对称性与异向性有何联系？3627三、晶体的基本性质——晶体所共有的、由格子构造所决定最小内能性：在相同的热力学条件下，晶体与同种物质的非晶质体相比较，内能最小。实验证明：物体由气态、液态、非晶态→结晶状态时——析热结晶态→非结晶态（晶格的破坏）——吸热。

内能包括质点的动能与势能(位能)。动能与物体所处热力学条件有关——不能比较内能大小势能取决于质点间的距离与排列——可比较内能大小晶体——具格子构造——内部质点有规律排列——质点间的引力与斥力达到平衡——破坏平衡需要能量3628熔点时间时间温度温度晶体的稳定性是晶体具有最小内能性的必然结果晶体具有一定的熔点，非晶体没有一定的熔点。稳定性：在相同热力学条件下，晶体比具有相同化学成分的非晶体稳定，非晶体有自发转变为晶体的趋势，而晶体不会自发地转变为非晶体。3629下面的问题请同学们思考并讨论：1)非晶体（玻璃）的定义及特点？

（引出远程规律与近程规律）2)液体、气体的结构具有什么规律？3)晶体与非晶体的转化？36304)准晶体的发现及定义：1984年发现的新现象，具有近程、远程规律。但没有重复周期。这是什么意思呢？5)准晶体与晶体、非晶体的关系？3631请大家将教材上图1－2（a）的平面晶体结构的空间格子画出来。36323633本章包括3组重要的基本概