结晶矿物学之晶体与非晶质体

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1、第一章 晶体与非晶质体,晶体的定义 空间格子的概念 十四种布拉维格子 晶胞概念 晶体的基本性质 非晶质体 准晶体,主要内容,晶体的初步认识,晶体分单晶体和多晶体，其构成的材料分别为单晶材料和多晶材料。,单晶材料有人造半导体材料单晶硅和锗，金刚石、红宝石等。,多晶材料包括金属及陶瓷等。,晶体固有的性质对材料的性质具有重要的决定作用。,碧玺(电气石),常林钻石 158.786克拉（1克拉=0.2克）,绿柱石,红宝石和兰宝石,月光石 锰锂榴石,a-LiIO3,Nd：YAG,多晶材料,石英晶体 石盐晶体及解理块,第一章 晶体和非晶质体,1晶体的共性 晶体的外表特征 认识晶体 外表特征 内部构造 内部构

2、造的共同规律 晶体定义。,绿柱石晶体（祖母绿）,刚玉晶体（红宝石）,.1 晶体的定义,返回目录,从外表看，石英晶体有这样一些特征： 是一种固体，有棱有角，有规则的几何外形 它是在一定环境下形成的。 它有它自己的基本形态，而且这些形态在多种环境下保持相对的稳定性。,石英晶体,石英晶簇,第一章 晶体和非晶质体,从外表特征描述，晶体是天然具有规则几何外形的固体 晶面：晶体的外表平面 晶棱：两晶面相交直线 角顶：晶棱汇聚的点,金刚石,锆石,第一章 晶体和非晶质体,晶体的本质 晶体内部质点的有序排列决定晶体的外表特征：规则的几何外形 晶体内部质点不同排列方式决定晶体外表特征的差异。,氯化钠晶体,氯化钠内

3、部质点排列,第一章 晶体和非晶质体,晶体内部质点有序性的证明： 1912年德国科学家劳厄用晶体作光栅，使X射线产生衍射，证明晶体内部质点是有序排列的 1914年英国科学家布拉格父子用各种各样的晶体作大量的衍射实验 三位科学家研究成果揭示了一切晶体皆具有格子构造的秘密,第一章 晶体和非晶质体,晶体的共性： 一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原子、离子、离子团或分子）都是有规律排列的。即晶体内部相同质点在三维空间均呈周期性重复。,白云母层状结构,石英架状结构,第一章 晶体和非晶质体,NaCl的晶体结构,在1mm3的石盐内，就包含了大约71017个这样的立方体小块。 在棱的方向，Cl和Na+ 以相

4、等的间隔交替排列，每隔5.628重复一次， 在对角线方向，Cl或Na+各自均以3.978 的相等间隔连续排列。,第一章 晶体和非晶质体,晶体定义,从NaCl的晶体结构可知， Cl和Na+在三维空间均成周期性重复的规则排列而构成一种格子状的构造。,对于其它任何一种晶体而言，情况都是完全类同的。所不同的仅仅是，不同的晶体，其质点种类不同，排列的方式和间隔大小不同罢了。,晶体是内部质点在三维空间作周期性重复排列的固体。,第一章 晶体和非晶质体,整个晶体就是由晶胞周期性的在三维空间并置堆砌而成的。,第一章 晶体和非晶质体,第一章 晶体和非晶体,1.2.1 空间格子的概念 空间格子：表示晶体内部结构中质

5、点重复规律的几何图形 同类质点排列规律的归纳：抛开物质意义，就内部质点排列方式分析，找出各种晶体格子都遵循的共同规律 以食盐晶体格子为例,2 空间格子,返回目录,空间格子：相当点在三维空间作格子状排列所构成的图形。 氯化钠晶体中，任选一个点，然后在结构中找出与此点完全相同的全部几何点，就构成了上图的形状,第一章 晶体和非晶体,氯离子,钠离子,5.628埃,5.628埃,等同点,晶体结构中在同一取向上几何环境和物质环境皆相同的点称为等同点。在同一晶体中可以找出无穷多类等同点，但每一类等同点集合而成的图形都呈现如图1-2所示的相同图形。,Na+,Cl-,结点,空间点阵 表示晶体结构中等同点排列规律

6、的几何图形称为空间点阵。 空间格子表明了晶体物质在三维空间质点作周期性重复排列这一根本的性质，因此，晶体可定义为：晶体是具有格子构造的固体。,第一章 晶体和非晶体,1.2.2 空间格子的特点,结点：空间点阵中的等同点 行列：分布在同一直线上的结点构成一个行列。 面网：分布在同一平面上的结点构成一个面网。 平行六面体：空间点阵中由八个结点连成的中空的平行六面体,第一章 晶体和非晶体,2空间格子要素 A结点： 定义:空间格子中的点 代表晶体结构中的相当点。结点的位置可为同种质点所占据。 性质：不代表任何质点， 它只具几何意义。,第一章 晶体和非晶体,B行列 定义:结点在直线上的排列称为行列。空间格

7、子中任何两结点联结起来就是一条行列的方向 结点间距：行列中相邻两结点之间的距离 性质:同一行列中结点间距相等，在平行行列中结点间距不变,第一章 晶体和非晶体,C面网结点在平面上的分布 空间格子中不在同一行列上的三个结点可构成一面网。任意两相交行列决定一个面网。,面网密度：面网单位面积内的结点数。 面网间距：一个空间格子中任意两相邻平行面网之间的垂直距离。 在一个空间格子中平行面网的面网密度与面网间距相等。 而不平行的面网之间，面网间距和面网密度一般不等。面网间距较大者面网密度也较大。,第一章 晶体和非晶体,D平行六面体：空间格子的最小单位，又叫单位密度空间格子。 平行六面体由六个两两平行的面网

8、组成，结点分布于角顶上，平行六面体的三个棱长，是三条相应行列的结点间距。,第一章 晶体和非晶体,1.2.3 14种空间格子,法国学者A.布拉菲根据晶体结构的最高点群对称和平移群（所有平移轴的组合）对称及以上原则，将所有晶体结构的空间点阵划分成十四种类型的空间格子，称14种空间格子或布拉菲格子。,第一章 晶体和非晶体,返回目录,十四种布拉维格子,简单立方、面心立方、体心立方 简单四方、体心四方 三方菱面体格子、六方格子 正交原始、体心格子、底心格子、面心格子,空间格子的三维虚拟空间图,晶胞,任何晶体都对应一种布拉维格子，因此任何晶体都可划分出与此种布拉菲格子平行六面体相对应的部分，这一部分晶体就

9、称为晶胞。 晶胞是能够反映晶体结构特征的最小单位，并由一组具体的晶胞参数晶体常数来表征 （a、b、c，(bc)、(ac)、(ab)），,例如NaCl晶体的晶胞，对应的是立方面心格子，a=b=c=0.5628nm，=90。 许许多多该晶胞在三维空间无间隙的排列就构成了NaCl晶体。,补充,返回目录,最小内能 在相同的热力学条件下，与同种化学成分的非晶体如液体、气体比较，其内能最小 物质的内能包括动能与势能，晶体内部的质点的有规律排列，是质点间引力与斥力达到平衡的结果，这时的质点只能在某一位置作振荡而不能成为自由粒子，其动能与势能都是很低的，因此内能最小。同种温度的非晶质体要变为晶体，必须要放出结

10、晶热才能实现其转变过程。,1.3 晶体的基本性质,返回目录,最小内能 在相同的热力学条件下，与同种化学成分的非晶体如液体、气体比较，其内能最小 物质的内能包括动能与势能，晶体内部的质点的有规律排列，是质点间引力与斥力达到平衡的结果，这时的质点只能在某一位置作振荡而不能成为自由粒子，其动能与势能都是很低的，因此内能最小。同种温度的非晶质体要变为晶体，必须要放出结晶热才能实现其转变过程。,最大稳定性 在相同的热力学条件下，具有相同的化学成分的晶体与非晶体比较，晶体是最稳定的。这是因为晶体的内能最小，内部质点在一定位置上振动保持格子的平衡，晶体总是处于最稳定状态。,晶体的基本性质,对称性 晶体中相等

11、的晶面、晶棱、角顶以及晶体的物理化学性质在不同方向或位置上有规律地重复出现。 晶体的宏观对称是由晶体内部 格子构造的对称性所决定的。,金刚石的八面体对称结构,晶体的基本性质,异向性（各向异性）晶体的性质因方向不同而有差异。这是因为晶体在不同的方向上质点的排列方式不同而决定的。 如兰晶石在不同的方向上硬度有很大差异。,AA方向，H45，小刀可刻动。BB方向，H65，小刀不能刻动。,玻璃体等非晶质体具有等向性,晶体的基本性质,均一性：同一晶体的各个不同部分具有相同的性质。 因为晶体的具有格子构造的固体，在晶体的各个不同部分质点的分布与排列都是一样的。晶体中原子排布的周期很小，宏观观察分辨不出微观的

12、不连续性。,金刚石各部分都有相同的硬度,气体、液体和玻璃体也有均匀性，是因为原子杂乱无章地分布，是原子无序分布的统计性规律。,晶体的基本性质,晶体是具有格子构造的固体，因此所有晶体也有它们所共有的格子构造所决定的性质。 自限性（自范性）：晶体在适当条件（能自由生长）下，可以自发形成规则几何多面体。,正长石的短柱状晶体,冰洲石的菱面体晶体,晶体在理想环境中生长成凸多面体。且晶面数（F）+顶点数（V）= 晶棱数+2 玻璃体冷却时，随温度降低，粘度变大，流动性变小，固化成表面圆滑的无定形体。,晶体的基本性质,晶体的基本性质,确定的熔点. 晶体内部各个部分按同一方式排列，熔化所需要的温度相同。 玻璃受

13、热变软，粘度变小，进而成为流动性较大的液体，这过程没有温度的停顿，很难指出哪一温度是它的熔点。,晶体的基本性质,晶体的衍射效应. 周期性排列的晶体相当于三维光栅，能使波长相当的X射线、电子流和中子流产生衍射效应，成为了解晶体内部结构的重要实验方法。 非晶质没有周期性结构，只能产生散射效应，得不到衍射图像。,1.4 非晶质体（固体）,非晶质：琥珀、玻璃、塑料、树脂、沥青 炭黑：结构重复的周期很少，只有几个几十个周期，称为微晶。介于晶体和非晶质体之间的状态。,返回目录,棉花、蚕丝、毛发、人造纤维：具有不完整的一维周期性特征，并沿纤维轴择优取向，称为纤维多晶物质。,1.4 非晶质体,第一章 晶体和非

14、晶体,第一章 晶体和非晶体,晶体与非晶质体在结构上的区别 有序的概念 如前述石英晶体中的硅、氧原子有严格的周期性排列，具有某种重复规律，并且在大范围内都呈周期性的规则排列，即长程有序。,石英玻璃的结构特点： 石英玻璃结构内硅、氧原子的排列和石英晶体不一样（研究图）。 一个硅原子周围也有四个氧原子，但只在原子近邻有周期性，即短程有序。 结构不同，性质也不同。,非晶体的特点,不具有结晶结构，原子排列无规则 无固定的外表形态 无固定的熔点 不能用X射线法测定其内部结构 各方向上的物理性质相同 具有晶质化趋势,准晶体,1985年在电子显微镜研究中，发现了一种新的物态，其内部结构的具体形式虽然仍在探索之

15、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（即不能平移），人们把它称为准晶体。,返回目录,具有远程规律 但没有重复周期 这是什么意思呢？ 具有旋转对称，或自相似性变化（放大或缩小）,准晶虽无周期性， 但有严格的位置序， 即有序结构， 或说具有准点阵结构。 它不是非晶态， 而是一种特殊的晶体， 或称非周期性晶体。 准晶的性质与晶体相似。,C60的三维虚拟空间图,复 习,、晶体、空间格子、晶胞 、十四种空间格子的形状(实验室有模型，可随时自由观看研究) 、晶体的基本性质(结合之后所学内容才能有较深刻的认识) 、晶体、准晶和玻璃体之间在结构上的区别（主要从定义上来区别，结合图示理解会更准确）,作业,晶体、准晶和玻璃体之间在结构上的区别,重点 晶体定义、空间格子和晶胞定义 晶体基本性质（对称性、异向性） 晶体、准晶和玻璃体之间在结构上的区别,思 考,晶体的均一性与异向性有矛盾吗？ 液晶是晶体吗？,参考文献,结晶学 矿物学 结晶学与矿物学 结晶化学 材料结构与性能 无机材料科学基础,