《晶體結(jié)構(gòu)和對稱性》課件

晶體結(jié)構(gòu)和對稱性晶體結(jié)構(gòu)和對稱性是材料科學(xué)的重要組成部分，對理解材料的物理、化學(xué)和機(jī)械性能至關(guān)重要。課程介紹課程目標(biāo)了解晶體結(jié)構(gòu)和對稱性基本概念。掌握晶體學(xué)的基本知識和操作方法。課程內(nèi)容晶體結(jié)構(gòu)、對稱性、晶體系統(tǒng)、晶胞、晶面指數(shù)、晶體衍射。X射線衍射分析方法，常見晶體結(jié)構(gòu)的介紹。什么是晶體?自然界中的晶體雪花是自然界中最常見的晶體之一。它們具有獨特的六角形對稱性，由水分子以特定方式排列而成。礦物晶體水晶、石英等礦物晶體通常具有清晰的幾何形狀和光學(xué)性質(zhì)。它們在自然界中廣泛存在，具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)。鹽晶體鹽晶體是由鈉離子和氯離子以特定方式排列而成。它們通常呈立方體形狀，易溶于水。晶體的特點晶體是由原子、離子或分子以規(guī)則、周期性的方式排列形成的。晶體具有確定的幾何外形，例如立方體、六邊形或菱形。晶體具有各向異性，即不同方向的物理性質(zhì)不同，例如硬度、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)。晶體具有解理性，即沿特定方向容易發(fā)生斷裂，形成光滑的解理面。原子在晶體中的排列原子在晶體中并非隨機(jī)排列，而是以特定規(guī)律排列。晶體中原子排列的規(guī)律性，決定了晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而決定了晶體的物理化學(xué)性質(zhì)。不同的晶體，原子排列方式不同，具有不同的晶體結(jié)構(gòu)。例如，金剛石和石墨都是由碳原子構(gòu)成，但由于原子排列方式不同，它們具有完全不同的性質(zhì)。晶胞和平移矢量1晶胞晶胞是晶體結(jié)構(gòu)中最小的重復(fù)單元。它包含了晶體所有原子排列的信息，并可以無限重復(fù)地填充整個晶體。2平移矢量平移矢量表示晶胞在空間中的平移方向和距離，它將一個晶胞平移到另一個相同的晶胞。3晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是由晶胞和平移矢量共同決定的，它們決定了晶體中原子在空間中的排列方式。晶面和晶面指數(shù)晶面晶體中原子排列形成的平面。每個晶面都有其獨特的原子排列方式。晶面指數(shù)用三個整數(shù)(hkl)表示晶面，描述晶面在晶胞中的位置和方向。米勒指數(shù)用于表示晶面和晶向的指標(biāo)，是晶體學(xué)中重要的工具。重要性晶面指數(shù)可以幫助我們了解晶體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，并預(yù)測其在材料科學(xué)中的應(yīng)用。晶體的幾何對稱性晶體的幾何對稱性是指晶體結(jié)構(gòu)在空間上的對稱性。晶體中原子或分子在空間上的重復(fù)排列方式，使得晶體表現(xiàn)出各種對稱性。這些對稱性可以通過一些對稱操作來描述，例如旋轉(zhuǎn)、反射和反演等。晶體的對稱性可以用來識別和分類不同的晶體結(jié)構(gòu)。晶體系統(tǒng)分類晶體系統(tǒng)晶體系統(tǒng)是根據(jù)晶胞的形狀和對稱性進(jìn)行分類的，共有七種晶體系統(tǒng)立方晶系立方晶系的特點是晶胞為立方體，具有最高的對稱性，例如食鹽、金剛石四方晶系四方晶系的特點是晶胞為正方體，但晶胞沿c軸伸長或縮短，例如金紅石六方晶系六方晶系的特點是晶胞為六棱柱，具有六重對稱性，例如石英立方晶系高對稱性立方晶系是最對稱的晶系，具有三個相等的晶軸，互相垂直。簡單結(jié)構(gòu)立方晶系中的晶胞形狀為立方體，簡單易懂。常見物質(zhì)許多常見物質(zhì)，如食鹽、金剛石和金屬銅，都屬于立方晶系。四方晶系四方晶系是七大晶系之一，以其獨特的對稱性而聞名。該晶系具有四條相同的對稱軸，它們與晶胞的邊平行。四方晶胞通常有兩個相等的邊長，而第三個邊長則不同。這個晶系在自然界中十分常見，例如，許多金屬、陶瓷和礦物都屬于四方晶系。六方晶系六方晶系是七大晶系之一，具有獨特的對稱性，在自然界和材料科學(xué)中都非常重要。例如，石英、云母、石墨等常見礦物都屬于六方晶系。六方晶系晶體通常具有六邊形的截面，展現(xiàn)出獨特的視覺效果。三方晶系三方晶系，也被稱為菱形晶系，具有3個等長的晶軸，其中2個晶軸之間的夾角為120度，另外2個晶軸之間的夾角為90度。三方晶系具有4個對稱元素，分別是3重旋轉(zhuǎn)軸、3個垂直于旋轉(zhuǎn)軸的鏡面、3個垂直于旋轉(zhuǎn)軸的2重旋轉(zhuǎn)軸。常見的具有三方晶系的礦物有方解石、石英、云母等。斜方晶系三個不等軸斜方晶系具有三個相互垂直的晶軸，長度互不相等，且都為對稱軸，分別為二軸對稱軸。對稱性特點斜方晶系對稱性較高，具有三個互相垂直的二軸對稱軸，以及三個垂直于對稱軸的鏡面。典型礦物常見的斜方晶系礦物包括硫黃、石膏、重晶石等，具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。三斜晶系三斜晶系是最不規(guī)則的晶體系統(tǒng)。它們具有三個不等長的軸，這些軸彼此傾斜，且不相互垂直。三斜晶系中，晶胞具有三個不等長的軸，且三個軸之間的夾角都不等于90°。這類晶體的對稱性最低，因此它們的形狀也最為復(fù)雜，常見的有長石、蛋白石等。單斜晶系單斜晶系單斜晶系是七個晶系之一，有兩個角為直角，另一個角不為直角。晶體結(jié)構(gòu)單斜晶系的晶體結(jié)構(gòu)通常具有一個傾斜的軸，導(dǎo)致它們具有不尋常的對稱性。常見礦物一些常見的單斜晶系礦物包括石膏、長石和云母。晶體學(xué)基本操作1晶胞構(gòu)建將晶體中的原子或離子按照其在晶體中的排列方式，以三維空間的規(guī)則排列，構(gòu)建出晶胞。2晶胞參數(shù)晶胞參數(shù)包括晶胞的三個邊長和三個夾角，它們決定了晶胞的形狀和大小。3晶面指數(shù)晶面指數(shù)表示晶體中不同晶面的方位，它可以用來描述晶體的形貌和對稱性。用X射線描述晶體結(jié)構(gòu)X射線與晶體結(jié)構(gòu)X射線是一種高能電磁輻射，可以穿透物質(zhì)并與原子相互作用。當(dāng)X射線照射到晶體時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射圖案可以用來分析晶體結(jié)構(gòu)。衍射圖案X射線衍射圖案是一系列明亮的斑點，這些斑點的位置和強(qiáng)度取決于晶體中原子的排列方式。布拉格定律和晶體衍射布拉格定律描述了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，它與晶體結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。1波的疊加X射線波在晶體中被多個原子散射。2路徑差散射波在特定角度疊加，路徑差為波長的整數(shù)倍。3衍射滿足布拉格定律時，發(fā)生相長干涉，產(chǎn)生衍射。布拉格定律是解釋晶體衍射現(xiàn)象的關(guān)鍵，通過分析衍射圖譜，可以推斷出晶體的結(jié)構(gòu)信息。傅里葉變換和X射線衍射圖譜傅里葉變換將X射線衍射數(shù)據(jù)從空間域轉(zhuǎn)換到倒空間域。將衍射圖譜的強(qiáng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為晶胞中電子密度的分布信息。衍射圖譜分析傅里葉變換后的結(jié)果呈現(xiàn)為電子密度分布圖，反映了晶體結(jié)構(gòu)中原子或離子在空間的排列方式。結(jié)構(gòu)確定通過分析電子密度分布圖，可以確定晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如晶胞參數(shù)、原子坐標(biāo)等。晶體結(jié)構(gòu)分析的步驟1數(shù)據(jù)采集使用X射線衍射儀收集晶體衍射數(shù)據(jù)。2數(shù)據(jù)處理將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)因子，并進(jìn)行校正和整合。3結(jié)構(gòu)解析利用直接法或帕特森法等方法解析晶體結(jié)構(gòu)。4結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過最小二乘法等方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型，使其符合實驗數(shù)據(jù)。通過這些步驟，科學(xué)家可以了解晶體內(nèi)部原子的排列方式、化學(xué)鍵、晶體對稱性和空間群等重要信息。有代表性的晶體結(jié)構(gòu)11.金剛石結(jié)構(gòu)碳原子以共價鍵連接，形成堅固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，非常硬且穩(wěn)定。22.氯化鈉結(jié)構(gòu)鈉離子和氯離子以交替排列的方式形成立方晶格，是離子晶體最典型的結(jié)構(gòu)。33.鈣鈦礦結(jié)構(gòu)ABO3型化合物，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在材料科學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，例如太陽能電池和催化劑。44.碳酸鈣結(jié)構(gòu)碳酸鈣在自然界中廣泛存在，常見的方解石和文石是其兩種不同晶體結(jié)構(gòu)的代表。金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)是一種非常緊密的結(jié)構(gòu)，每個碳原子與四個其他碳原子形成正四面體結(jié)構(gòu)，并通過共價鍵連接在一起。這種結(jié)構(gòu)使得金剛石具有極高的硬度、熔點和導(dǎo)熱性。金剛石結(jié)構(gòu)中的每個碳原子都位于正四面體結(jié)構(gòu)的中心，并且與四個相鄰的碳原子形成共價鍵。由于碳原子是sp3雜化的，因此碳原子之間的鍵角為109.5度。這種結(jié)構(gòu)使金剛石具有高度的對稱性，并導(dǎo)致其具有許多獨特的物理性質(zhì)。氯化鈉結(jié)構(gòu)氯化鈉結(jié)構(gòu)是一種常見的晶體結(jié)構(gòu)，也稱為立方密堆積結(jié)構(gòu)。它由陽離子和陰離子交替排列形成，形成一個穩(wěn)定的晶格。在氯化鈉結(jié)構(gòu)中，每個鈉離子周圍有六個氯離子，每個氯離子周圍也有六個鈉離子。這種結(jié)構(gòu)具有高度的對稱性和穩(wěn)定性，這使得氯化鈉成為一種常見的礦物和鹽類物質(zhì)。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)是一種常見的晶體結(jié)構(gòu)類型，以礦物鈣鈦礦命名。這種結(jié)構(gòu)通常由一個陽離子(A)位于立方晶胞的頂點，另一個陽離子(B)位于晶胞中心，陰離子(X)則位于晶胞的每個面心。這種結(jié)構(gòu)可用于描述許多不同類型的材料，包括氧化物、鹵化物和硫化物。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的典型例子是二氧化鈦(TiO2)，它在太陽能電池、催化劑和傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)中的陽離子(Ti)位于立方晶胞的中心，而陰離子(O)則位于晶胞的每個面心。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的另一個重要特征是其高度可調(diào)節(jié)性，可以通過改變A、B或X位點的化學(xué)成分來改變其性質(zhì)。碳酸鈣結(jié)構(gòu)碳酸鈣(CaCO3)是一種常見的礦物，存在于多種晶體結(jié)構(gòu)中。最常見的形式是方解石，其中鈣離子被六個氧原子包圍，形成八面體配位環(huán)境。碳酸根離子為三角形平面結(jié)構(gòu)，通過三個氧原子與鈣離子相連。方解石的結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的對稱性，是六方晶系。它具有良好的解理性質(zhì)，可以沿著晶面方向輕松裂開。方解石也是一種重要的工業(yè)原料，用于制造水泥、玻璃和石灰等產(chǎn)品?？偨Y(jié)與思考晶體結(jié)構(gòu)的重要性理解晶體結(jié)構(gòu)對材料科學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)等領(lǐng)域至關(guān)重要