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1、第一章 结晶学基础,大纲要求：掌握晶体及其基本性质；掌握晶体的对称及晶体的分类；熟悉晶体的理想形态和实际形态；熟悉晶体的定向及晶面符号、了解晶带及单形符号；熟悉双晶。,第一章 结晶学基础,第一节 晶体及其基本性质第二节 晶体的对称及晶体的分类第三节 晶体的理想形态第四节 晶体的定向和晶面符号第五节 双晶的连生,自然界的物质，按照结晶质点排列方式划分： 结晶质（晶体）： 非晶质： 准晶：晶体的规则几何外形是其内部质点规则排列的反映，整个晶体就是由很小的有规则形状的晶体格子堆砌起来的 。,第一节 晶体及其基本性质,一、晶体及其相关的概念,1985年在电子显微镜研究中发现的一种新物态，其内部结构的具
2、体形式虽然仍在探索之中，但从其对称性可知，其质点的排列应是长程有序，但不体现周期重复，即不存在格子构造，人们把它称为准晶体。,是内部质点（原子、离子或者分子）在三维空间作周期性重复排列的固体物质，或者称内部具有格子状构造的固体。,凡内部质点不能在三维空间作重复性周期排列的物质为非晶质。如玻璃、琥珀、松香等 。,方解石晶体（冰洲石）CaCO3,常见的矿物晶体展示,石英晶体（SiO2）,黑云母晶体,黄铁矿晶体,结晶质：菱锰矿,结晶质：白铅矿,一、晶体及其相关的概念,第一节 晶体及其基本性质,1.结晶质：是内部质点（原子、离子或者分子）在三维空间作周期性重复排列的固体物质，或者称内部具有格子状构造的
3、固体。 结晶质的特点：内部结构（质点）具有周期性重复，即具有格子构造 。 格子构造= 空间格子 空间格子：表示晶体结构周期重复规律的简单几何图形。,第一节 晶体及其基本性质,第一节 晶体及其基本性质,第一节 晶体及其基本性质,第一节 晶体及其基本性质,2.非晶质：凡内部质点不能在三维空间作重复性周期排列的物质为非晶质。如玻璃、琥珀、松香、蔗糖等 。 特点： A ：在非晶质体的各个部位上，没有任何两部分的内部结构是完全相同的； B ：非晶质体的内部质点在不同方向上的排布状况无任何规律可循； C： 在外形，非晶质体在任何条件下都不可能自发地长成规则的几何多面体外形。,一、晶体及其相关的概念,非晶质
4、：琥珀,晶体与非晶体的区别：,第一节 晶体及其基本性质, 在内部结构上：晶体具有格子状构造，质点的排列既具有短程有序性，又具有长程有序性；非晶质体则不具有格子状构造，质点的排列只具有短程有序性，不具有长程有序性。 外形上：晶体具有规则几何多面体形状，非晶质体为无定形体。 在物性上：非晶质体不具有确定的熔点。 在分布上：由于晶体比非晶体稳定，所以晶体的分布更广泛，自然界的固体物质绝大多数是晶体。,一、晶体及其相关的概念,3.准晶体（quasicrystal）,第一节 晶体及其基本性质,是一种内部结构由多级呈自相似的配位多面体在三维空间作长程定向有序分布的固体。 1984年由以色列化学家Danie
5、l Shechtman和Cahn以及我国的叶恒强和郭可信分别确定的一种新的物质的凝聚态。是在研究快速冷凝的Al2Mn和（Ti0.9V0.1）2Ni合金中各自发现的。其内部结构的具体形式虽然仍在探索之中，但从其对称性可知，其质点的排列应是长程有序，但不体现周期重复，即不存在格子构造，人们把它称为准晶体。 Daniel Shechtman获得了2011年诺贝尔化学奖。,一、晶体及其相关的概念,它可具有晶体所不能有的5次或高于6次的对称。,二、晶体的空间格子,第一节 晶体及其基本性质,空间格子最基本的特征: 质点在三维空间作有规律的周期性重复排列。,表示晶体内部构造中质点重复规律的几何图形。,1.空
6、间格子：,NaCl晶体结构中，沿立方体棱的方向，Na和Cl相间排列，每隔0.56402 nm重复一次，在面对角线方向，以0.39882 nm重复一次等等。,第一节 晶体及其基本性质,二、晶体的空间格子,2.空间格子的组成要素,第一节 晶体及其基本性质,1）结点: 空间格子中的点,代表具体晶体结构中的相当点.2）行列: 结点在直线上的排列。3）结点间距：每一行列上相邻结点之间的距离称为结点间距。,二、晶体的空间格子,2.空间格子的组成要素,第一节 晶体及其基本性质,4）面网: 结点在平面上的分布。 面网间距：平等且相邻的二面网间的垂直距离称面网间距。 面网密度：面网中单位面积内结点的数目称为面网
7、密度。,二、晶体的空间格子,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，面网密度也是依次减小的。所以：面网密度与面网间距成正比。,平行六面体（晶胞）: 结点在三维空间形成的最小单位 （晶胞参数：a, b, c; ,，也称为轴长与轴角）。,第一节 晶体及其基本性质,二、晶体的空间格子,平行六面体的选择原则:要反映其整体的对称性。平行六面体中棱与棱之间尽可能平行或垂直。其体积应最小。,第一节 晶体及其基本性质,二、晶体的空间格子,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
8、胞参数的形式，也对应7个晶系。,第一节 晶体及其基本性质,二、晶体的空间格子,研究意义：,第一节 晶体及其基本性质,空间格子可以使复杂晶体结构的重复规律变得简单化。 它只具有几何意义，不具有实际意义 或者说，空间格子是晶体格子构造空间分布规律的形象化表征。,二、晶体的空间格子,3.单位空间格子及晶胞,第一节 晶体及其基本性质,晶胞：实际晶体中所划分的单位空间格子（平行六面体），称为晶胞（cell）。 晶体可以被认为是晶胞在三维空间无间断的平移、叠置而成。 晶胞参数：表征空间格子大小及形状的三个棱长 a b c 和三者之间的夹角，称为晶胞参数。,二、晶体的空间格子,单位平行六面体参数（点阵参数）
9、,三个棱长：a 、 b、 c三个棱的夹角: 、,第一节 晶体及其基本性质,二、晶体的空间格子,1）立方格子：a=b=c，；=90； 2）四方格子：a=bc，=90； 3）六方格子：a=bc，=90，=120； 4）三方格子：a=b=c，=90； 5）斜方格子：abc，=90； 6）单斜格子：abc，= =90、90 7）三斜格子：abc，90,第一节 晶体及其基本性质,依据单位空间格子的三个棱长a、b、c及其夹角、的相互关系，常将空间格子分为如下七类：,二、晶体的空间格子,7种平行六面体（晶胞）形状,第一节 晶体及其基本性质,二、晶体的空间格子,空间格子按照结点分布位置：4种格子类型,原始格子
10、（P）：结点分布于平行六面体的八个角顶上。 底心格子（C）：结点分布于平行六面体的角顶及某一对面的中心。 体心格子（I）：结点分布于平行六面体的角顶和体中心。 面心格子（F）：结点分布于平行六面体的角顶和三对面的中心。,第一节 晶体及其基本性质,二、晶体的空间格子,原始格子,底心格子,体心格子,面心格子,4种格子类型平行六面体中结点的分布规律（只能有4种情况）,由7种平行六面体和4种结点分布位置相结合，可以导出晶体中只可能出现14种不同形式的空间格子。这是布拉维1848年最先导出的，因此称为14种布拉维格子。它表明实际晶体中抽象出来的空间格子只有14种。,14种布拉维格子,第一节 晶体及其基本
11、性质,二、晶体的空间格子,十四种空间格子模型,问题,理论：由7种平行六面体和4种结点分布规律应有74 = 28种格子类型实际：只有14种格子类型原理：将重复者和不存在者去掉实例：四方底心格子等于四方原始格子； 三斜面心格子等于三斜原始格子。,三、晶体的基本性质,第一节 晶体及其基本性质,定义 为一切晶体所共有的，并能以此与其他性质的物质相区别的性质。本质 晶体的格子构造所决定的。,1. 自限性（自范性）2. 均一性及异向性3. 对称性4. 具有固定的熔点5. 最小内能性6. 稳定性,三、晶体的基本性质,第一节 晶体及其基本性质,1.自限性（自范性）,第一节 晶体及其基本性质,晶体的多面体形态是
12、其格子构造在外形上的直接反映。晶面、晶棱和角顶分别与格子构造中的面网、行列和结点相对应。,晶体在生长过程中，在适当的条件下，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,布拉维法则,实际晶体通常由面网密度大的面网所包围晶体上的实际晶面平行于对应空间格子中面网密度大的面网，且面网密度越大，相应晶面的重要性越大。,1855（1866，1885）年，布拉维（法国）根据晶体上不同晶面的相对生长速度与面网上结点的密度成反比的推论导出的。该法则阐明了晶面发育的基本规律。,第一节 晶体及其基本性质,三、晶体的基本性质,2.均一性和异向性,Z(AA)4-5Y(BB)6.5-7,第一节 晶体及其基本
13、性质,均一性：指晶体中各个部分的物理性质和化学性质是相同的。 由于质点周期性重复排列，晶体的任何一部分在结构上都是相同的，因此，由结构决定的一切物理性质，如密度、颜色、导热性、膨胀性等也都具有均一性。 异向性：同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，因此，晶体的性质也随方向的不同而有所差异这就是晶体的异向性。 例：蓝晶石的硬度，矿物的解理,三、晶体的基本性质,3.对称性,第一节 晶体及其基本性质,晶体相同的性质在不同方向或位置上作有规律的重复。,宏观对称晶体相同部位能够在不同的方向或位置上有规律重复出现的特性，宏观对称是晶体分类的基础。 微观结构对称格子状构造本身就是质点在三维空间
14、呈周期性重复的体现，从这个意义上说，所以的晶体都是对称的。,三、晶体的基本性质,4.一定的熔点,晶体具有一定的熔点，晶体加热在熔点温度开始熔化，直到晶体完全融化温度才继续升高。玻璃、蔗糖等非晶质则不具有固定的熔点，熔化过程温度的变化为一条曲线；,第一节 晶体及其基本性质,三、晶体的基本性质,内能动能势能,动能晶体内部质点在平衡点周围作无规则运动所决定的，与T、P有关。,势能质点间相互位置所决定的，与质点的排列有关。 当T、P一定时，动能一定，这样决定物质内能大小的就是势能了。因为晶体内部质点都已经达到平衡位置，所以其势能最小。,非晶质体、液体、气体的质点排列没有规律，质点间的距离不是平衡距离，它们的势能都比晶体势能大。,第一节 晶体及其基本性质,5.最小内能性 相同热力学条件下，晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体状态相比较，其内能最小。,三、晶体的基本性质,在相同的热力学条件下，晶体比具有相同化学成分的非晶质体稳定。 气体： 液体： 非晶质体： 晶体：稳定性是其具最小内能的必然结果。,6.稳定性,扩散作用使质点作直线运动，不改变方向，具有占据最大空间的运动趋势，稳定性差；,流动作用使质点移动，稳定性决定于容器的形状；,质点运动类似晶体，质点处于振动状态，且质点的相对移动极为困难。但时间加长，这种运动可以显现出来，在温度较高时，这种运动更为显著。,
