第 1 章晶体与非晶体

第 1 章晶体与非晶体

Crystallography



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主要教学内容

晶体的概念与特点 * 空间格子的概念及组成要素 * 晶体的基本性质


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1.1 晶体的概念


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早期对晶体的认识

石英 (SiO2) 石盐（ NaCl) 黄铁矿 (FeS2)

晶体：是内部质点在三维空间周期性重复排列的固体。

人类最初从天然矿物开始认识晶体，认为晶体是天然形成的具有几何多面体外形的固体。


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实验引起的思考将任意形态的 NaCl颗粒放在过饱和 NaCl溶液中，

最后总能形成立方体形态的晶体。立方体形态的NaCl和任意形态的 NaCl，具有完全相同的成分和物理、化学性质。

规则几何多面体外形是晶体的表象 ,晶体的本质是什么呢？人类对晶体的认识经历了由外形到结构的漫长发展过程。

晶体概念的发展


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惠更斯晶体是由一定形状、有序排列的质点垒叠而成

(1648 年 ) 。这一观点是晶体构造思想的最早萌芽。


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阿羽衣（ R.J.Hauy ，法国晶体学家）

几何多面体形态的“分子”

晶体是由多面体外形的“组成单位（分子）”构成(1784 年 ) 。


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阿羽衣遇到的困难主要有三方面：

① 有的晶体，打碎后的碎块不能堆砌成完整晶体。② 许多晶体，如石英，不能破碎成几何多面体。③ 最小的平行六面体并不是“分子”。

萤石的八面体解理块


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布拉维（ A.Bravais ）推导出 14 种空间格子，提出晶体结构的空间格子

理论 (1848 年 ) 。


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劳埃 (Max Von Laue) ，德国科学家。用 X 射线研究晶体结构，于 1912 年发现了晶体

的 X 射线衍射现象，研究结果表明：所有的晶体，其内部质点都是在三维空间周期性重复排列，形成格子构造。

晶体：是内部质点在三维空间周期性重复排列的

固体。


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近代，高分辨率的电子显微镜，可以观察到晶体结构中原子的排列情况。

自然金（ 111 ）面上金原子的分布（原子力扫描隧道显微镜）


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1.2 晶体结构的空间格子规律


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(1) 空间格子概念

空间格子是表示晶体结构中质点重复规律的立体几何图形。

NaC1 的晶体结构模型空间格子


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首先，在结构中任选一几何点。以此点为标准，把结构中这样的点全找出来－相当点。用直线连接相当点，即构成空间格子。

⑵ 空间格子的选定


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相当点条件① 同质点如果选在质点中心，则质点的种类要相同。② 同环境质点周围的环境要相同。

相当点由晶体结构中种类和环境都相同的质点抽象出来。


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C1- Na+

A

B

C

一维图形

A ： NaC1 结构中沿 Y 轴 Na+ 和 C1- 的排列情况B ： C1- 的直线排列C ：相当点在直线上的分布，构成直线点阵


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C1- Na+C1- Na+

二维图形

NaC1 结构中 {100} 平面上 Na+ 和 C1- 的排列情况

相当点在平面上的分布构成平面点阵

aa


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C1- Na+C1- Na+

NaC1{100} 平面相当点选定 {100} 面网的结点分布a ， b 为结点间距

b

a

二维图形

相当点在平面上的分布构成平面点阵。


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三维图形

NaCl- 的结构抽象为空间格子

相当点在三维空间分布，构成空间点阵。相当点的分布，能反映晶体结构中所有质点的重复规律。


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空间格子中的点代表从晶体结构中选取的相当点晶体结构中，结点位置可以是同环境同成分的质点；空间格子中，结点本身只有几何意义，为几何点。

(3) 空间格子要素

①结点


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连接分布在同一直线上的结点构成一个行列；一个空间点阵中有无穷多不同方向的行列；相互平行的行列，结点间距相同；不同方向的行列，结点间距一般不同。

结点间距：行列中相邻两结点间的距离。

②行列


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联接分布在同一平面内的结点则构成一个面网；一个空间点阵有无穷多不同方向的面网；相互平行的面网，面网密度相同；互不平行的面网，面网密度一般不同。

面网密度：面网上单位面积的结点数。

③面网


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空间格子在三维空间划分出的最小重复单位。由六个两两平行且相等的面组成。大小和形状由三条棱长和交角决定。

④单位平行六面体

c

abα

γβ

a 、 b 、 c 和 α 、 β 、 γ称为单位平行六面体参数


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在 1mm3大小的 NaCl 晶体中，这样的结构单元为 7×1017 个。

空间格子被看成是无限图形。单位平行六面体三维空间叠置堆垛构成空间格

子。

a=b=c=0.5628nmα=β=γ=90°


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1.3 晶体的基本性质


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晶体在合适条件下，能自发长成规则几何多面体外形。

⑴ 自限性（自范性）


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晶体的物理性质等常随方向不同表现出量的差异。

NaC1 晶体抗拉强度的异向性（单位： g/mm2 ）

晶体结构的不同方向，质点的种类和排列方式不同

⑵ 异向性


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同一种晶体，物理性质和化学组成相同。

异向性：同种晶体不同结晶方向的性质差异。均一性：同种晶体局部与整体的性质相同。

⑶ 均一性


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⑷ 对称性

所有的晶体都是对称的；晶体的对称是有限的；晶体的对称不但表现在外形上，其内部构造和

物理性质也是对称的。570

570

570

NaC1 晶体结构、形态、抗拉强度（ g/mm2 ）的对称性


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指晶体具有固定熔点的性质。

晶体的加热曲线非晶质体的加热曲线

(6) 定熔性

t

熔点

T


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⑸ 稳定性

在相同的热力学条件下，晶体与同种成分的非晶质体、液体、气体相比，以晶体最为稳定。


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1.4 非晶质体


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无定形固体；不具格子构造；各向同性；没有固定的熔点。

石英晶体（左）和石英玻璃（右）


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针状辉锑矿晶体(antimonite, Sb2S3)

纤维状蛇纹石石棉晶体


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片状云母晶体

电气石晶体 (Tourmaline)

天河石晶体Amazonite

金刚石晶体 1 x 1 x 1 cm


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铁铝榴石 almandine 铬钒钙铝榴石 Grossulars


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。

透石膏中的自然铜晶体高岭土

高岭石晶体 (Kaolinite)


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蒙脱石晶 Montmorillonite

膨润土

碳酸钙晶体


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LiTaO3 晶体 YAG LASER ROD (Y3AL5O12 ）


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复习与思考1. 晶体的概念与基本性质。2. 空间格子概念和组成要素。3. 如何理解晶体的异向性与均一性的统一？

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第 1 章 晶体与非晶体

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