晶體及結(jié)晶學(xué)課件

361結(jié)晶學(xué)（晶體學(xué)）發(fā)展歷史及分支學(xué)科簡(jiǎn)介：結(jié)晶學(xué)始于17世紀(jì)中葉人類的礦業(yè)活動(dòng)，與天文學(xué)一起成為人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界發(fā)展最早的兩門自然科學(xué)。17～18世紀(jì)：以研究晶體形態(tài)為主，也初步推測(cè)研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何規(guī)律；這一階段主要以數(shù)學(xué)為工具（同種礦物的晶體其對(duì)應(yīng)晶面夾角守恒）。19世紀(jì)末～20世紀(jì)初：X－射線的發(fā)現(xiàn)及其對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)量，進(jìn)入晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究階段；20世紀(jì)70年代以來(lái)：透射電鏡研究晶體內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；20世紀(jì)80年代，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體，開(kāi)辟了晶體對(duì)稱理論新領(lǐng)域。362經(jīng)典的結(jié)晶學(xué)是以幾何或數(shù)學(xué)的理論研究晶體宏觀形態(tài)中晶面分布規(guī)律、內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)分布規(guī)律，主要是對(duì)稱規(guī)律。分支學(xué)科：（X射線）晶體結(jié)構(gòu)學(xué)－研究各原子離子占位及成鍵的具體規(guī)律、結(jié)構(gòu)缺陷，X射線測(cè)試晶體結(jié)構(gòu)的原理與方法。晶體化學(xué)－研究晶體成分、化學(xué)鍵及其與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。晶體生長(zhǎng)學(xué)－研究晶體生長(zhǎng)機(jī)理及其影響因素。晶體物理學(xué)－研究晶體的光、電、磁等物理性質(zhì)受晶體對(duì)稱影響產(chǎn)生的各向異性規(guī)律。本課程以經(jīng)典結(jié)晶學(xué)（幾何結(jié)晶學(xué)）為主，即主要介紹晶體形態(tài)對(duì)稱規(guī)律及晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)稱規(guī)律；簡(jiǎn)介晶體化學(xué)與晶體生長(zhǎng)。晶體物理學(xué)在“礦物學(xué)”部分的第14章（礦物物理性質(zhì)）有初步介紹。363第一章晶體及結(jié)晶學(xué)364第一章晶體及結(jié)晶學(xué)一、晶體概念發(fā)展過(guò)程早期定義：具有規(guī)則幾何多面體形態(tài)的水晶晶體的內(nèi)部本質(zhì)是什么？其他礦物—規(guī)則幾何多面體形態(tài)后期定義：能自發(fā)生長(zhǎng)成規(guī)則幾何多面體外形的固體。晶體的現(xiàn)代定義：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間周期性重復(fù)排列（格子構(gòu)造）所構(gòu)成的固體物質(zhì)。

有些晶體不發(fā)育成幾何多面體外形365366非晶體（非晶態(tài)）：不具格子構(gòu)造的固態(tài)物質(zhì)。晶體：內(nèi)部結(jié)構(gòu)中原子、離子是有規(guī)律排列的，具格子構(gòu)造；非晶體：內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不規(guī)律的，不具格子構(gòu)造。近程規(guī)律：非晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在很小范圍內(nèi)具某些有序性；遠(yuǎn)程規(guī)律：在整個(gè)結(jié)構(gòu)范圍的有序。晶體既有近程規(guī)律也有遠(yuǎn)程規(guī)律，非晶體只有近程規(guī)律。晶體與非晶體結(jié)構(gòu)（平面）示意圖（a）晶體，（b）玻璃（非晶體）367液體結(jié)構(gòu)也只具有近程規(guī)律；氣體既無(wú)遠(yuǎn)程規(guī)律，也無(wú)近程規(guī)律。晶化：晶體與非晶體在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化如：火山玻璃晶體脫?；园l(fā)進(jìn)行晶體比非晶體穩(wěn)定，故自然界中絕大多數(shù)物質(zhì)是晶體。但顆粒大小懸殊，微米級(jí)～幾米或幾十米。非晶體熱力學(xué)能高、不穩(wěn)定內(nèi)能小、穩(wěn)定非晶化：晶體因內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則排列遭到破壞轉(zhuǎn)化為非晶體。非晶化一般需要外能。例如，一些含放射性元素的礦物晶體，由于受放射性蛻變所發(fā)出的α射線的作用，晶體遭到破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w。368準(zhǔn)晶體(準(zhǔn)晶態(tài))：介于晶體與非晶體之間具有近程和遠(yuǎn)程規(guī)律，沒(méi)有平移周期（不具格子構(gòu)造）1984年電子顯微鏡研究369具五次對(duì)稱軸，無(wú)格子構(gòu)造短程有序3610晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)最基本特征：具格子構(gòu)造二、空間格子質(zhì)點(diǎn)(原子、離子或分子)在三維空間有規(guī)律地周期性重復(fù)排列空間格子：表示晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)周期性重復(fù)排列規(guī)律的幾何圖形。具體晶體結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，含許多原子、離子，我們很辨清它們的重復(fù)規(guī)律，如果避開(kāi)原子、離子，從晶體結(jié)構(gòu)中找出周期重復(fù)規(guī)律性，畫出空間格子，具體、復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)的周期重復(fù)規(guī)律性就會(huì)變得一目了然。從晶體結(jié)構(gòu)中畫出空間格子，必須找出相當(dāng)點(diǎn)。相當(dāng)點(diǎn)（滿足兩個(gè)條件）：①點(diǎn)的內(nèi)容(或種類)相同；②點(diǎn)的周圍環(huán)境相同。將相當(dāng)點(diǎn)按照一定規(guī)則連接起來(lái)空間格子3611空間格子的導(dǎo)出：為簡(jiǎn)化，我們從平面結(jié)構(gòu)中尋找找相當(dāng)點(diǎn)連接相當(dāng)點(diǎn)二、空間格子3612注意相當(dāng)點(diǎn)的選?。翰煌椎南喈?dāng)點(diǎn)在空間的分布都是一樣的同種質(zhì)點(diǎn)并不一定是相當(dāng)點(diǎn)右圖中02-分屬幾套相當(dāng)點(diǎn)?請(qǐng)同學(xué)們自己找出O2-的相當(dāng)點(diǎn)并畫出空間格子。3613幾何結(jié)晶學(xué)研究的內(nèi)容晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)—是主要空間格子及其對(duì)稱規(guī)律，不涉及具體晶體結(jié)構(gòu)中的離子、原子等?？臻g格子這一簡(jiǎn)單的幾何圖形包含了晶體結(jié)構(gòu)中最重要、最本質(zhì)的規(guī)律，它在研究晶體宏觀與微觀對(duì)稱、晶體生長(zhǎng)等方面起著非常重要的作用。

空間格子的意義3614結(jié)點(diǎn)（格點(diǎn)）：空間格子中的點(diǎn)——晶體結(jié)構(gòu)中的相當(dāng)點(diǎn)?？臻g格子特點(diǎn)空間格子要素：實(shí)際晶體中，結(jié)點(diǎn)的位置一定是由同種質(zhì)點(diǎn)所占據(jù)；實(shí)際晶體中的同種質(zhì)點(diǎn)并不一定只占據(jù)在同一套結(jié)點(diǎn)上；就結(jié)點(diǎn)本身而言，不代表任何質(zhì)點(diǎn)，只具幾何意義，為幾何點(diǎn)。3615空間格子要素：行列——結(jié)點(diǎn)在直線上的排列即構(gòu)成行列。空間格子中任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來(lái)就是一條行列的方向。

同一行列中結(jié)點(diǎn)間距相等在平行的行列上結(jié)點(diǎn)間距也相等；不同方向的行列，結(jié)點(diǎn)間距一般不等。結(jié)點(diǎn)間距：行列中相鄰結(jié)點(diǎn)間的距離3616面網(wǎng)密度：面網(wǎng)上單位面積內(nèi)結(jié)點(diǎn)的密度。面網(wǎng)——結(jié)點(diǎn)在平面上的分布即構(gòu)成面網(wǎng)。空間格子要素：相互平行的面網(wǎng)，面網(wǎng)密度必相同面網(wǎng)間距：任意兩相鄰面網(wǎng)間的垂直距離。相互平行的面網(wǎng)，面網(wǎng)密度必相同，面網(wǎng)間距也必定相等互不平行的面網(wǎng)，面網(wǎng)密度及面網(wǎng)間距一般不同面網(wǎng)密度大的面網(wǎng)，其面網(wǎng)間距亦大，反之，密度小，間距亦小空間格子中任意兩個(gè)相交的行列——決定一個(gè)面網(wǎng)一個(gè)面網(wǎng)上的結(jié)點(diǎn)分布——可以連接成一個(gè)一個(gè)的平行四邊形3617面網(wǎng)AA’間距d1面網(wǎng)BB’間距d2面網(wǎng)CC’間距d3面網(wǎng)DD’間距d4面網(wǎng)間距依次減小,面網(wǎng)密度也依次減小的.所以:面網(wǎng)密度與面網(wǎng)間距成正比.面網(wǎng)間距與面網(wǎng)密度的關(guān)系：

首先要將右圖看成一個(gè)立體圖的投影，即：點(diǎn)代表一個(gè)行列的投影，點(diǎn)之間的連線代表面網(wǎng)的投影。3618空間格子要素：平行六面體——空間格子可以劃出一個(gè)最小重復(fù)單位

平行六面體：由6個(gè)兩兩平行而且相等的面組成晶胞：實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中所劃分出的相應(yīng)的單位

整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)：晶胞在三維空間平行地、無(wú)間隙重復(fù)累疊。

晶胞的形狀與大小：取決軸長(zhǎng)(a，b，c)和軸角(αβγ)。

acb3619NaCl晶胞金紅石晶胞平行六面體對(duì)應(yīng)的實(shí)際晶體中相應(yīng)的范圍叫晶胞。3620平行六面體可具有各種不同的形狀，各種形狀的平行六面體的軸長(zhǎng)與軸角（晶胞參數(shù)）怎么樣？我們以后將會(huì)看到，平行六面體的形狀一共有7種，對(duì)應(yīng)有7套晶胞參數(shù)的形式，也對(duì)應(yīng)7個(gè)晶系。即：平行六面體的形狀決定了晶體的所屬晶系，也決定了晶體不同的對(duì)稱性質(zhì)。3621自限性：是指晶體在適當(dāng)條件下可以自發(fā)地形成幾何多面體外形的性質(zhì)。三、晶體的基本性質(zhì)——晶體所共有的、由格子構(gòu)造所決定晶體為平的晶面所包圍晶面相交成直的晶棱晶棱會(huì)聚成尖的角頂面網(wǎng)晶面行列晶棱結(jié)點(diǎn)角頂3622礦物自限性3623礦物自限性3624玻璃的不同部分折射率、膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等均相同。液體和氣體也具有統(tǒng)計(jì)均一性。

三、晶體的基本性質(zhì)均一性：晶體是具有格子狀構(gòu)造的固體，在同一個(gè)晶體的各個(gè)不同部分，質(zhì)點(diǎn)的分布是一樣的，所以同一晶體的各個(gè)部分的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)完全相同。

晶體的均一性是絕對(duì)均一性，取決于格子構(gòu)造，稱結(jié)晶均一性非晶體的均一性是統(tǒng)計(jì)的、平均近似的均一，稱為統(tǒng)計(jì)均一性3625如：藍(lán)晶石（二硬石）的硬度

平行晶體延長(zhǎng)方向：小于小刀垂直晶體延長(zhǎng)方向：大于小刀三、晶體的基本性質(zhì)異向性(各向異性)

：同一格子構(gòu)造中，在不同方向上質(zhì)點(diǎn)排列一般是不一樣的，所以，晶體的性質(zhì)也隨著方向的不同而有所差異。又如：礦物晶體的力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)晶體多面體形態(tài)也是異向性的表現(xiàn)，無(wú)異向性的外形是球形。思考：均一性與異向性矛盾嗎？異向性與自限性有何聯(lián)系？3626三、晶體的基本性質(zhì)——晶體所共有的、由格子構(gòu)造所決定對(duì)稱性：同一晶體中，晶體形態(tài)相同的幾個(gè)部分（或物理性質(zhì)相同的幾個(gè)部分）在不同方向或位置上有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)。對(duì)稱性是晶體極其重要的性質(zhì)，是晶體分類的基礎(chǔ)在晶體的外形上，常有相等的晶面、晶棱和角頂重復(fù)出現(xiàn)晶體的格子構(gòu)造本身就是質(zhì)點(diǎn)重復(fù)規(guī)律的體現(xiàn)思考：對(duì)稱性與異向性有何聯(lián)系？3627三、晶體的基本性質(zhì)——晶體所共有的、由格子構(gòu)造所決定最小內(nèi)能性：在相同的熱力學(xué)條件下，晶體與同種物質(zhì)的非晶質(zhì)體相比較，內(nèi)能最小。實(shí)驗(yàn)證明：物體由氣態(tài)、液態(tài)、非晶態(tài)→結(jié)晶狀態(tài)時(shí)——析熱結(jié)晶態(tài)→非結(jié)晶態(tài)（晶格的破壞）——吸熱。

內(nèi)能包括質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能與勢(shì)能(位能)。動(dòng)能與物體所處熱力學(xué)條件有關(guān)——不能比較內(nèi)能大小勢(shì)能取決于質(zhì)點(diǎn)間的距離與排列——可比較內(nèi)能大小晶體——具格子構(gòu)造——內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)有規(guī)律排列——質(zhì)點(diǎn)間的引力與斥力達(dá)到平衡——破壞平衡需要能量3628熔點(diǎn)時(shí)間時(shí)間溫度溫度晶體的穩(wěn)定性是晶體具有最小內(nèi)能性的必然結(jié)果晶體具有一定的熔點(diǎn)，非晶體沒(méi)有一定的熔點(diǎn)。穩(wěn)定性：在相同熱力學(xué)條件下，晶體比具有相同化學(xué)成分的非晶體穩(wěn)定，非晶體有自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的趨勢(shì)，而晶體不會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w。3629下面的問(wèn)題請(qǐng)同學(xué)們思考并討論：1)非晶體（玻璃）的定義及特點(diǎn)？

（引出遠(yuǎn)程規(guī)律與近程規(guī)律）2)液體、氣體的結(jié)構(gòu)具有什么規(guī)律？3)晶體與非晶體的轉(zhuǎn)化？36304)準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)及定義：1984年發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，具有近程、遠(yuǎn)程規(guī)律。但沒(méi)有重復(fù)周期。這是什么意思呢？5)準(zhǔn)晶體與晶體、非晶體的關(guān)系？3631請(qǐng)大家將教材上圖1－2（a）的平面晶體結(jié)構(gòu)的空間格子畫出來(lái)。36323633本章包括3組重要的基本概