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1、第一章几何结晶学第一章几何结晶学第一节第一节 晶体及其基本性质晶体及其基本性质一、晶体的概念一、晶体的概念1 1、关于晶体的定义：、关于晶体的定义：古人：规则的几何多面体的石英水晶石英水晶晶体（几何多面体必须是凸型凸型，欧欧 几里德几何多面体几里德几何多面体）凡是具有几何多面体型状几何多面体型状的天然固体天然固体都要叫晶体（人造的呢？）晶体内部质点在三维空间中排列周期性重复三维空间中排列周期性重复，具有空间格子构造空间格子构造的固体,晶体短程有序，长程有序短程有序，长程有序的固体晶体纳米晶体的表面缺陷、位错位错、悬挂键悬挂键（具有一定的表面能）不具备的特点， 同样也是晶体。准晶体：远程有序，近
2、程无序远程有序，近程无序，没有平移周期和格子构造平移周期和格子构造（有机大分子，聚合 物，显微镜下有晶体消光反应,为什么？讨论讨论见下一页XRD，一般叫规整度）液晶（液态晶体的简称）：（胆留型液晶）加电压会显示图象、数字等，液体 变混浊，去掉电压，可以保留这些信息一段时间后水消失，加电压后又恢复记忆材料。像液体一样，分子结构易受外因变化而重排像液体一样，分子结构易受外因变化而重排，是液态晶体的简称。 液晶的分子排列有一定的规则，但其性质对磁、光、电、声、热、力等外界条件变化非常敏感，分子发生重排，光学性质发生变化。 液态：具晶体的双折射、多色性、选择性但以又液体，分子受外 因变化重排。1精选p
3、pt图x.降解前后PE薄膜的XRD图Fig.xTheXRDpatternsofPEandTiO2/PEfor240hUVirradiation1：PE;2:PE-UV;3:PE-UV-RutileTiO2;4:PE-UV-AnataseTiO22精选ppt3精选ppt 晶晶 体体 的的 名名 称称象水一样透明的晶体水晶象石榴籽一样的晶体石榴石能吸空气中的灰尘和碎屑的晶体吸灰石电气石红色的晶体赤铁矿金刚石，钻石Topatz（托拍石）黄玉默来石（molite)沸石（加热会冒泡，沸腾的想象）同学们感兴趣，自己去收集资料4精选ppt2、晶体的共性 晶体的外表特征在给晶体下定义之前，我们从认识晶体的外表
4、特征开始，进而了解晶体的内部构造，并总结出晶体内部构造的共同规律，然后根据晶体内部构造的共同规律给晶体下定义。人类对于晶体的认识，是从石英开始的。从外表看，石英有这样一些特征： A它是一种固体，有棱有角，有规则的几何外形。 B它是在自然环境下形成的。 C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。 从外表特征描述，晶体是天然具有规则几何外形的固体。晶体的外表平面称为晶面，两晶面相交直线称为晶棱，晶棱汇聚的点称为角顶。下图片是水晶体素描，水晶簇，金刚石和方解石照片下图片是水晶体素描，水晶簇，金刚石和方解石照片 方解石晶体实物（老师演示）方解石晶体实物（老师演示）5精选ppt
5、 晶体的本质规则的几何外形几何外形是晶体的外表特征，晶体为什么会具有规则的几何外形呢？这是由晶体内部质点的有序排列所决定的。也就是说，是由于晶体内部质点的排晶体内部质点的排列方式不同，决定了晶体外表特征的差异列方式不同，决定了晶体外表特征的差异。 关于晶体的本质，也就是晶体内部构造的问题，直至本世纪初的1912年，才由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，又由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，揭示了一切晶体皆具有格子构造一切晶体皆具有格子构造的秘密。 一切晶体，不论其外形如何，它的内部质点（原子、离子、离子团或分子）都是有规律排列的。即
6、晶体内部相同质点在三维空间均呈周期性重复。这就是晶体的共性。3、晶体的定义 晶体的定义晶体的定义：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。或者说，晶体是具有格子构造的固体。晶体是具有格子构造的固体。6精选ppt二、空间格子1空间格子的定义 A、定义 既然一切晶体都有格子构造，那么各种晶体的格子之间有无共同规律可循呢？让我们来从晶体的格子构造中，作些抽象的归纳和推理。也就是说，抛开晶体的物质意义，仅就其内部质点的排列方式分析，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，来说明空间格子的导出。 上图大小两种球分别代表氯离子和钠离子，它们在三度空间的不同方向上，各自都按一定的间隔
7、重复出现，并排列成立方体形状，在沿立方体三条棱边的方向上，钠与钠之间及氯与氯之间各自都间隔5.628埃，沿两棱边交角的平分线方向各自都间隔3.978埃。任何外形的氯化钠晶体都有这种立方格子排列。在氯化钠晶体中，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（这一类点称为相当点或等同点相当点或等同点）这就构成了上图的形状。空间格子：相当点在三维空间作格子状排列所构成的图形。7精选pptB、等同点等同点：等同点：在晶体结构中的种类相同种类相同，分布位置或周围环境分布位置或周围环境也相同的一类点，它可与质点重合，也可不在质点上。等同点必须具备的两个条件： 质点的种类相同，环境相同种类相同，环
8、境相同。（所谓晶格位置上的点） （如果不在晶格位置上，是什么情况？同学们思考）如果不在晶格位置上，是什么情况？同学们思考）C、质点周围环境相同，即这些质点的相同方向的相同距离上有相同的质点。在氯化钠晶体中，所有氯离子是一类等同点，所有的钠离子又是另一类等同点。 等同点的分布，可以体现晶体中所有的质点的重复规律-在空间上呈格子状。我们把这种结构图形叫空间格子。 空间格子：空间格子：相当点在三维空间作格子状排列所构成的图形。空间格子不表示物体的物质意义，仅表示物质内部质点排列的几何构图。我们设想空间格子在三维空间作无限排列，不受晶体大小限制。8精选ppt2空间格子要素A 结点是空间格子中的点结点是
9、空间格子中的点，它代表晶体结构中的相当点。在实际晶体中，结点 的位置可为同种质点同种质点所占据。但就其本质而言，它不代表任何质点，它只具 几何意义。 用NaCl和钙钛矿型结构(ABO3)，举列说明结点的意义 NaCl晶体（面心立方）Na+: 8*1/8（角）+6*1/2（面）=4个；Cl+: 12*1/4（凌）+1（中心）=4个 单位晶胞4Na4Cl4NaClNaCl 钙钛矿型结构(ABO3)结构（图略） 半径大的A在中心1个；半径小的B在角顶8*1/8个=1个；O2-在棱中点12*1/4=3个 单位晶胞AB3O ABO39精选pptB 行列：结点在直线上的排列称为行列行列：结点在直线上的排列
10、称为行列。 空间格子中任何两结点联结起来就是一条行列行列的方向。 行列中相邻两结点之间的距离称为该行列的结点间距结点间距，在同一行列中结点 间距相等，在平行行列中结点间距不变，不平行行列的结点间距一般不等。C 面网：面网：结点在平面上的分布即构成面网面网。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。 面网上单位面积内的结点数，称为面网密度面网密度。在一个空间格子中，任意 两相邻平行面网之间的垂直距离称为面网间距面网间距。在一个空间格子中平行面平行面 网网的面网密度面网密度与面网间距相等面网间距相等。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
11、者，面网密度也较大面网间距较大者，面网密度也较大。10精选pptD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组成，结点分布于它的角顶上，平行六面体的三个棱长，恰好正是三条相应行列的结点间距结点间距。 空间格子可看作是无数个平行六面体在三维空间毫无间隙地重复堆叠而成。相应地，在实际晶体中，也能划出这样的单位，称为晶胞晶胞。晶体可视为无数个晶胞在三维空间毫无间隙地重复堆叠在三维空间毫无间隙地重复堆叠。表表13 13 七个晶系的平行六面体的特征七个晶系的平行六面体的特征 11精选ppt三、晶体的基本性质 由于晶
12、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。1 1 自限性自限性（自范性）:指晶体在适当条件（能自由生长）下，可以自发形成规则几 何多面体，凸型的欧几里德多面体。可以是歪晶，但面角守恒。2 2 均一性均一性: :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。 晶体是的均匀性一块晶体，各部分的性质相同，这就是均匀性，晶体的均匀性只可能在宏观观察中表现出来，它是由于晶胞重复排列晶胞重复排列的结果。宏观看起来宏观看起来，这块晶体就是连续的，均匀的；与此相反，在微观看在微观看，晶体内结构就是不连续的，粒
13、性的，非均匀的，研究方法不同，所得的结果完全不同。（为什么？同学讨论）（为什么？同学讨论） 气体、液体、无定形体也具有均匀性均匀性，但它们的均匀性是由于微粒排列得极为混乱，各种性质都是平均值各种性质都是平均值，因而在本质原因上和晶体不同。 12精选ppt3 3 异向性异向性（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。 如蓝晶石蓝晶石在不同的方向上硬度有很大差异。AA方向，H4.5，小刀可刻动。BB方向，H6.5，小刀不能刻动。如云母片云母片上蜡的熔化图形呈椭圆形，说明不同方向上的导热速度不同。如石墨石墨（层型结构）在与层垂直的方向上的电导率
14、（X）为与层平行方向上的电导率的1/104。各向异性是由于晶体内部各方向上微粒排列的情况不同所致。 气体、液体、无定形体都不具有各向异性，而是各向同性的。但等轴（立方）晶系的晶体的光学性质没有各向异性，而力学性质有各向异性？ （为什么？）（钻石是如何切割加工的呢？）（为什么？）（钻石是如何切割加工的呢？）13精选ppt4 4 对称性对称性 晶体中相等的晶面、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。5 5 最小内能最小内能 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
15、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；同样，晶体要转化成非晶体，要吸收能量（热能和辐射能）6 6 最大稳定性最大稳定性 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。 非晶态合金的热稳定性，类金属（P，B）可以增加其热稳定性 NiP, NiB/CNTs 非晶态合金催
16、化剂，取代Rh,Ru Pd,Pt7 7 对称性：对称性： 晶体的对称性所有晶体都或多或少地具有对称性对称性，也就是说，各种晶体的对称程度各有高低，但都有对称性。例如食盐晶体具有立方体外形，云母片上的蜡熔化图形呈椭圆形椭圆形，而不是呈其他任意的不规则形状，这些都说明有对称性存在。 晶体的对称性，当然也是微粒排列的规律性所引起的，非晶体就不具有对称性非晶体就不具有对称性。 14精选ppt8 8 晶体的其它性质（同学们讨论、补充）晶体的其它性质（同学们讨论、补充） 晶体能使X-ray射线发生衍射衍射；晶体有固定的熔点；结构长、短程有序；晶体有偏光性；旋光性；压电性非线性光学晶体非线性光学晶体： 所谓非线性是指相对于某种物质其输入量、输出量不按比例进行变化。如转动无线电收音机的音量旋钮，开始时对照刻度而使扬声器声音变大（线性领域）。但是，如果过度旋转按钮，声音则不像刻度那样变大，声音就失真了（非线性领域）。光也有这种非线性变化，当对某种材料过度照射强烈的单色光时，在透射光就会出现光强、波长、折射率等方面产生这种非线性现象。 牛顿光学实验：牛顿光学实验：棱镜分白色光为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七
