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1、晶体的结构和性质涉及内容（1 1）基基本本概概念念：周周期期性性有有序序排排列列、晶晶胞胞及及晶晶胞胞类类型型、晶晶胞胞中中粒粒子子数数的的计计算算、配配位位数数、空空隙隙、堆积方式、晶格能、并置碓砌；堆积方式、晶格能、并置碓砌；（2 2）堆堆积积方方式式：面面心心立立方方最最密密堆堆积积、六六方方最最密密堆积、体心立方密堆积和简单立方堆积；堆积、体心立方密堆积和简单立方堆积；（3 3）晶晶体体种种类类和和性性质质：金金属属晶晶体体、离离子子晶晶体体、分分子子晶晶体体、原原子子晶晶体体，自自范范性性、各各向向异异性性、金金属晶体的导电导热和延展性、属晶体的导电导热和延展性、X X射线衍射。射线
2、衍射。 第一节 晶体的结构一、晶体的分类一、晶体的分类按来源分为：按来源分为：天然晶体（宝石、冰、天然晶体（宝石、冰、砂子等）砂子等）人工晶体（各种人工晶体材料等）人工晶体（各种人工晶体材料等）按成键特点分为：按成键特点分为：原子晶体：金刚石原子晶体：金刚石离子晶体：离子晶体：NaCl分子晶体：冰分子晶体：冰金属晶体：金属晶体：Cu二、晶体的定义二、晶体的定义“晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。” 注意： （1）一种物质是否是晶体是由其内部结 构决定的，而非由外观判断； （2）周期性是晶体结构最基本的特征。晶体不仅与我们的日常生活密不可分，而且在许多高科技领域也
3、有着重要的应用。晶体的外观和性质都是由其内部结构决定的： 决定 结构 性能 反映图片图片图片图片2图片图片3图片图片4图片图片5BBO晶晶体体三、晶体性质 均匀性均匀性各向异性各向异性自发地形成多面体外形自发地形成多面体外形 F+V=E+2 F+V=E+2 其中，其中，F-F-晶面，晶面，V-V-顶点，顶点，E-E-晶棱晶棱有明显确定的熔点有明显确定的熔点有特定的对称性有特定的对称性使使X X射线产生衍射射线产生衍射四、晶胞 空间点阵必可选择空间点阵必可选择3 3个个不相平行不相平行的连结相邻两个的连结相邻两个点阵点的点阵点的单位矢量单位矢量a a，b b，c c，它们将点阵划分成并置它们将点
4、阵划分成并置的平行六面体单位，称为点阵单位。相应地，按照的平行六面体单位，称为点阵单位。相应地，按照晶体结构的周期性划分所得的平行六面体单位称为晶体结构的周期性划分所得的平行六面体单位称为晶胞。矢量晶胞。矢量a a，b b，c c的长度的长度a a，b b，c c及其相互间的夹及其相互间的夹角角，称为点阵参数或晶胞参数。称为点阵参数或晶胞参数。 晶胞是充分反映晶体对称性的基本结构单位。晶胞是充分反映晶体对称性的基本结构单位。胞晶在三维空间胞晶在三维空间有规则地重复排列有规则地重复排列组成了晶体。组成了晶体。晶胞结构图晶胞晶胞晶晶胞胞与与晶晶格格晶胞知识要点晶胞一定是一个平行六面体，其三边长度晶
5、胞一定是一个平行六面体，其三边长度a,b,ca,b,c不一定相等，也不一定垂直。不一定相等，也不一定垂直。整个晶体就是由晶胞周期性的在三维空间并置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。堆砌而成的。划分晶胞要遵循划分晶胞要遵循2 2个原则：一是尽可能反映个原则：一是尽可能反映 晶体内结构的对称性；二是尽可能小。晶体内结构的对称性；二是尽可能小。并置堆砌并置堆砌整整个个晶晶体体就就是是由由晶晶胞胞周周期期性性的的在在三三维维空空间间并置堆砌而成的。并置堆砌而成的。晶胞中质点个数的计算晶胞中质点个数的计算五、晶系根据晶体的对称性，按有无某种特征对称元素根据晶体的对称性，按有无某种特征
6、对称元素为标准，将晶体分成为标准，将晶体分成7个晶系：个晶系：1.立方晶系立方晶系(c)：在立方晶胞在立方晶胞4个方向体对角线上个方向体对角线上均有三重旋转轴均有三重旋转轴(a=b=c,=90)2.六方晶系六方晶系(h)：有有1个六重对称轴个六重对称轴(a=b,=90,=120)3.四方晶系四方晶系(t)：有有1个四重对称轴个四重对称轴(a=b,=90)4.三方晶系三方晶系(h)：有有1个三重对称轴个三重对称轴(a=b=c,=90120)5.正交晶系正交晶系(o)：有有3个互相垂直的二重个互相垂直的二重对称称轴或或2个互相垂个互相垂直的直的对称面称面(abc,=90)6.单斜晶系斜晶系(m)：
7、有有1个二重个二重对称称轴或或对称面称面(abc,=90,90)7.三斜晶系三斜晶系(a)：没有特征没有特征对称元素称元素(abc,90)立方立方Cubica=b=c, = = =90四方四方Tetragonala=b c, = = =90正交正交Rhombica b c, = = =90三方三方Rhombohedrala=b=c, = =90六方六方Hexagonala=b c, = =90, =120单斜单斜Monoclinica b c = =90,90三斜三斜Triclinica b c = = =90六、晶体结构的表达及应用一般晶体结构需给出：一般晶体结构需给出：晶系；晶系；晶胞参数
8、；晶胞参数；晶胞中所包含的原子或分子数晶胞中所包含的原子或分子数Z Z；特征原子的坐标。特征原子的坐标。七、密度计算晶体结构的基本重复单位是晶胞，只要将一个晶晶体结构的基本重复单位是晶胞，只要将一个晶胞的结构剖析透彻，整个晶体结构也就掌握了。胞的结构剖析透彻，整个晶体结构也就掌握了。利用晶胞参数可计算晶胞体积利用晶胞参数可计算晶胞体积(V)，根据相对分根据相对分子质量子质量(M)、晶胞中分子数晶胞中分子数(Z)和和Avogadro常数常数N，可计算晶体的密度可计算晶体的密度 ：第二节 晶体结构的密堆积原理1619年，开普勒模型（开普勒从雪花的六边形结构年，开普勒模型（开普勒从雪花的六边形结构出
9、发提出：固体是由球密堆积成的）出发提出：固体是由球密堆积成的） 开普勒对固体结构的推测开普勒对固体结构的推测冰的结构冰的结构密堆积的定义密堆积：由无方向性的金属键、离子键和范德华密堆积：由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合的晶体中，原子、离子或分子等微观力等结合的晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相互配位数高，能充分利用空粒子总是趋向于相互配位数高，能充分利用空间的堆积密度最大的那些结构。间的堆积密度最大的那些结构。 密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。尽可能降低，而结构稳定。常见的密堆积类型常见密堆积型式
10、常见密堆积型式面心立方最密堆积面心立方最密堆积（A1A1） 六方最密堆积（六方最密堆积（A3A3） 体心立方密堆积体心立方密堆积（A2A2）最密最密非最密非最密1.1.面心立方最密堆积面心立方最密堆积(A1)(A1)和六方最密堆积和六方最密堆积(A3)(A3)从上面的等径圆球密堆积图中可以看出：从上面的等径圆球密堆积图中可以看出：1.1.只有只有1 1种堆积形式种堆积形式; ;2.2.每个球和周围每个球和周围6 6个球相邻接个球相邻接, ,配位数位配位数位6,6,形成形成6 6个三角形空隙个三角形空隙; ;3.3.每个空隙由每个空隙由3 3个球围成个球围成; ;4.4.由由N N个球堆积成的层
11、中有个球堆积成的层中有2N2N个空隙个空隙, , 即球数：空隙数即球数：空隙数=1=1：2 2。两层球的堆积情况两层球的堆积情况图图 1.1.在第一层上堆积第二层时，要形成最密堆积，在第一层上堆积第二层时，要形成最密堆积，必须把球放在第二层的空隙上。这样，仅有半数必须把球放在第二层的空隙上。这样，仅有半数的三角形空隙放进了球，而另一半空隙上方是第的三角形空隙放进了球，而另一半空隙上方是第二层的空隙。二层的空隙。 2.2.第一层上放了球的一半三角形空隙，被第一层上放了球的一半三角形空隙，被4 4个球个球包围，形成四面体空隙；另一半其上方是第二层包围，形成四面体空隙；另一半其上方是第二层球的空隙，
12、被球的空隙，被6 6个球包围，形成八面体空隙。个球包围，形成八面体空隙。两层堆积情况分析两层堆积情况分析三层球堆积情况分析三层球堆积情况分析 第第二二层层堆堆积积时时形形成成了了两两种种空空隙隙：四四面面体体空空隙隙和和八八面面体体空空隙隙。那那么么，在在堆堆积积第第三三层层时时就就会会产生两种方式：产生两种方式：1.1.第三层等径圆球的突出部分落在正四面体第三层等径圆球的突出部分落在正四面体空隙上，其排列方式与第一层相同，但与第空隙上，其排列方式与第一层相同，但与第二层错开，形成二层错开，形成ABABABAB堆积。这种堆积方式堆积。这种堆积方式可以从中划出一个可以从中划出一个六方六方单位来，
13、所以称为单位来，所以称为六六方最密堆积（方最密堆积（A3A3）。2.2.另一种堆积方式是第三层球的突出部分另一种堆积方式是第三层球的突出部分落在第二层的八面体空隙上。这样，第三落在第二层的八面体空隙上。这样，第三层与第一、第二层都不同而形成层与第一、第二层都不同而形成ABCABCABCABC的结构。这种堆积方式可以从中划出一个的结构。这种堆积方式可以从中划出一个立方面心单位立方面心单位来，所以称为来，所以称为面心立方最密面心立方最密堆积（堆积（A1A1）。六方六方最密堆积（最密堆积（A3A3）图图六方最密堆积（六方最密堆积（A3）分解图分解图面面心心立立方方最最密密堆堆积积（ A一一）图图面心
14、立方最密堆积（面心立方最密堆积（A1）分解图分解图A1 A1 型最密堆积图片型最密堆积图片将密堆积层的相对位置按照将密堆积层的相对位置按照ABCABCABCABC方式作最方式作最密堆积，重复的周期为密堆积，重复的周期为3 3层。这种堆积可划出面层。这种堆积可划出面心立方晶胞。心立方晶胞。A3A3型最密堆积图片型最密堆积图片将密堆积层的相对位置按照将密堆积层的相对位置按照ABABABABABAB方式作最方式作最密堆积，这时重复的周期为两层。密堆积，这时重复的周期为两层。A1A1、A3A3型堆积小结型堆积小结 同一层中球间有三角形空隙，平均每个球摊列同一层中球间有三角形空隙，平均每个球摊列2个空隙
15、。个空隙。第二层一个密堆积层中的突出部分正好处于第一层的空隙第二层一个密堆积层中的突出部分正好处于第一层的空隙即凹陷处，第二层的密堆积方式也只有一种，但这两层形即凹陷处，第二层的密堆积方式也只有一种，但这两层形成的空隙分成两种成的空隙分成两种正四面体空隙（被四个球包围）正四面体空隙（被四个球包围）正八面体空隙（被六个球包围）正八面体空隙（被六个球包围）突出部分落在正四面体空隙突出部分落在正四面体空隙AB堆积堆积A3（六方）六方）突出部分落在正八面体空隙突出部分落在正八面体空隙ABC堆积堆积A1（面心立方）面心立方）第三层第三层 堆积堆积方式有两种方式有两种A1、A3型堆积的比较型堆积的比较以上
16、两种最密堆积方式，每个球的配位数为以上两种最密堆积方式，每个球的配位数为12。有相同的堆积密度和空间利用率有相同的堆积密度和空间利用率(或堆积系数或堆积系数)，即球体积与整个堆积体积之比。均为即球体积与整个堆积体积之比。均为74.05%。空隙数目和大小也相同，空隙数目和大小也相同，N个球（半径个球（半径R）；）；2N个四面体空隙，可容纳半径为个四面体空隙，可容纳半径为0.225R的小球；的小球；N个八面体空隙，可容纳半径为个八面体空隙，可容纳半径为0.414R的小球。的小球。A1、A3的密堆积方向不同：的密堆积方向不同：A1：立方体的体对角线方向，共立方体的体对角线方向，共4条，故有条，故有4
17、个密堆积方向个密堆积方向（111）（）（11）（）（11）（）（11），易向不同方向滑动，而具有良好的延展性。易向不同方向滑动，而具有良好的延展性。如如Cu.A3：只有一个方向，即六方晶胞的只有一个方向，即六方晶胞的C轴方向，轴方向，延展性差，较脆，如延展性差，较脆，如Mg.空间利用率的计算空间利用率的计算空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。整个晶体空间中所占有的体积百分比。球体积球体积空间利用率空间利用率= 100%晶胞体积晶胞体积A3A3型最密堆积的空间利用率计算型最密堆积的空间利用率计算解解：在在A3型堆积
18、中取出六方晶胞，平行六面体的底是型堆积中取出六方晶胞，平行六面体的底是平行四边形，各边长平行四边形，各边长a=2r，则平行四边形的面积：则平行四边形的面积：平行六面体的高：平行六面体的高：A1型堆积方式的空间利用率计算型堆积方式的空间利用率计算2.体心立方密堆积（体心立方密堆积（A2）A2不是最密堆积。不是最密堆积。每个球有八个最近的配体每个球有八个最近的配体（处于边长为（处于边长为a的立方体的的立方体的8个顶点）和个顶点）和6个稍远个稍远的配体，分别处于和这个立方体晶胞相邻的六的配体，分别处于和这个立方体晶胞相邻的六个立方体中心。故其配体数可看成是个立方体中心。故其配体数可看成是14，空间，
19、空间利用率为利用率为68.02%.每个球与其每个球与其8个相近的配体距个相近的配体距与与6个稍远的配体距离个稍远的配体距离A2型密堆积图片型密堆积图片3.金刚石型堆积（金刚石型堆积（A4）配位数为配位数为4，空间利用率为，空间利用率为34.01%，不是密堆积。这，不是密堆积。这种堆积方式的存在因为原种堆积方式的存在因为原子间存在着有方向性的共子间存在着有方向性的共价键力。如价键力。如Si、Ge、Sn等。等。边长为边长为a的单位晶胞含半径的单位晶胞含半径的球的球8个。个。4、简单立方堆积、简单立方堆积简单立方堆积方式：简单立方堆积方式： A.A形成简单立方晶胞，空间利用率较低形成简单立方晶胞，空
20、间利用率较低5252 ，金，金属钋（属钋（PoPo）采取这种堆积方式。采取这种堆积方式。堆积方式及性质小结堆积方式及性质小结堆积方式晶胞类型空间利用率配位数实例面面心心立立方方最最密密堆堆积积(A1)(A1)面心立方面心立方74%12Cu、Ag、Au六方最密六方最密堆积堆积(A3)(A3)六方六方74%12Mg、Zn、Ti体体心心立立方方密密 堆堆 积积(A2)(A2)体心立方体心立方68%8(或14)Na、K、Fe金金刚刚石石型型堆积堆积(A4)(A4)面心立方面心立方34%4Sn简简单单立立方方堆积堆积简单立方简单立方526Po第三节第三节 晶体类型晶体类型根据形成晶体的化合物的种类不同可
21、以根据形成晶体的化合物的种类不同可以将晶体分为：离子晶体、分子晶体、原将晶体分为：离子晶体、分子晶体、原子晶体和金属晶体。子晶体和金属晶体。1.离子晶体离子晶体离子键无方向性和饱和性，在离子晶体中正、负离子尽可能地与异号离子接触，采用最密堆积。离子晶体可以看作大离子进行等径球密堆积，小离子填充在相应空隙中形成的。离子晶体多种多样，但主要可归结为3种基本结构型式。配位多面体的极限半径比配位多面体的极限半径比配位多面体配位多面体配位数配位数半径比半径比（r+/r-）min平面三角形 3 0.155四面体 4 0.225八面体 6 0.414立方体 8 0.732立方八面体 12 1.000构性判断
22、构性判断半径比半径比（r+/r-） 推测构型推测构型0.225-0.414四面体配四面体配位位0.414-0.732八面体配八面体配位位0.732立方体配立方体配位位影响晶体结构的其它因素影响晶体结构的其它因素M-XM-X间的共价键，方向性；间的共价键，方向性；有的过渡金属形成有的过渡金属形成M-MM-M键，使配位多面体键，使配位多面体变形；变形；M M周围的配体周围的配体X X的配位场效应使离子配位的配位场效应使离子配位多面体变形。多面体变形。实验测定是最终标准。实验测定是最终标准。（1）NaCl（1）立方晶系，面心立方晶胞；）立方晶系，面心立方晶胞；（2）Na+和和Cl-配位数都是配位数都
23、是6；（3）Z=4（4）Na+，C1-，离子键。离子键。（5）Cl-离子和离子和Na+离子沿（离子沿（111）周期为）周期为|AcBaCb|地堆积，地堆积，ABC表示表示Cl-离子，离子，abc表示表示Na+离子；离子；Na+填充在填充在Cl-的正的正八面体空隙中。八面体空隙中。NaCl的晶胞结构和密堆积层排列的晶胞结构和密堆积层排列(2)CsCl型型:（1）立方晶系，简单立方晶胞。）立方晶系，简单立方晶胞。（2）Z=1。（3）Cs+，Cl-，离子键。离子键。（4）配位数）配位数8：8。（5）原子的坐标是：原子的坐标是：Cl-:000；Cs+:1/21/21/2(CsCl,CsBr,CsI,N
24、H4Cl)（3）ZnS ZnS是是S2-最最密密堆堆积积，Zn2+填填充充在在一一半半四四面面体空隙中。分立方体空隙中。分立方ZnS和和六方六方ZnS。立方立方ZnSZnS（1）立方晶系，面心立方晶胞；）立方晶系，面心立方晶胞；Z=4（2）S2-立方最密堆积立方最密堆积|AaBbCc|（3）配位数配位数4：4。（4）Zn原子位于面心点阵的阵原子位于面心点阵的阵点位置上；点位置上；S原子也位于另一个这原子也位于另一个这样的点阵的阵点位置上，后一个点阵对于前一样的点阵的阵点位置上，后一个点阵对于前一个点阵的位移是体对角线底个点阵的位移是体对角线底1/4。六方六方ZnS（1）六方晶系，简单六方晶胞。
25、）六方晶系，简单六方晶胞。（2）Z=2（3）S2-六方最密堆积六方最密堆积|AaBb|。（4）配位数配位数4：4。（6）2s：000，2/31/31/2；2Zn：005/8，2/31/31/8。2.分子晶体分子晶体定义：单原子分子或以共价键结合的有限定义：单原子分子或以共价键结合的有限分子，由范德华力凝聚而成的晶体。分子，由范德华力凝聚而成的晶体。范围：全部稀有气体单质、许多非金属单范围：全部稀有气体单质、许多非金属单质、一些非金属氧化物和绝大多数有机化质、一些非金属氧化物和绝大多数有机化合物都属于分子晶体。合物都属于分子晶体。特点：以分子间作用力结合，相对较弱。特点：以分子间作用力结合，相对
26、较弱。除范德华力外，氢键是有些分子晶体中重除范德华力外，氢键是有些分子晶体中重要的作用力。要的作用力。干冰及其晶胞干冰及其晶胞冰冰的晶胞结构示意图的晶胞结构示意图3.原子晶体原子晶体定义：以共价键形成的晶体。定义：以共价键形成的晶体。共价键由方向性和饱和性，因此，原子晶共价键由方向性和饱和性，因此，原子晶体一般硬度大，熔点高，不具延展性。体一般硬度大，熔点高，不具延展性。代表：金刚石、代表：金刚石、Si、Ge、Sn等的单质，等的单质，SiC、SiO2等。等。4.金属晶体金属晶体金属键是一种很强的化学键，其本质是金金属键是一种很强的化学键，其本质是金属中自由电子在整个金属晶体中自由运动，属中自由
27、电子在整个金属晶体中自由运动，从而形成了一种强烈的吸引作用。从而形成了一种强烈的吸引作用。绝大多数金属单质都采用绝大多数金属单质都采用A1、A2和和A3型型堆积方式；而极少数如：堆积方式；而极少数如：Sn、Ge、Mn等等采用采用A4型或其它特殊结构型式。型或其它特殊结构型式。金属晶体ABABAB,配位数：12.例：MgandZn、TiABCABC,配为数配为数：12，例例:Al,Cu,Ag,Au立方密堆积，面心立方密堆积，面心金金(gold,Au)体心立方体心立方e.g.,Fe,Na,K,U简单立方（钋，简单立方（钋，Po）第四节、晶体的第四节、晶体的X X射线衍射射线衍射一、发展简史一、发展
28、简史1912年问世年问世背景：背景：（1）1895年伦琴（德国，W.K.Rontgen）发现X射线，但是 狭缝衍射失败；（2）当时晶体结构理论已比较完善，阿佛加德罗常数已经测定；例例如如Cu的的密密度度8.92g.cm-3，可可以以算算得得其其晶晶胞胞参参数数a361pm，最最近近的的原原子子间间距距约约为为255pm。与与用用于于晶晶体体结结构构测测定的定的X射线射线 =50250pm相当。相当。德德国国科科学学家家劳劳埃埃（M.Laue）提提出出了了用用晶晶体体作作为为天天然然立立体体光光栅栅用用于于X射射线线衍衍射射的的想想法法，1912年年劳劳埃埃和和 他他 的的 学学 生生 W.Fr
29、iedrich和和 P.Knipping用用CuSO4.5H2O晶体观察到了晶体观察到了X射线衍射图。射线衍射图。这这是是世世界界上上第第一一张张X射射线线衍衍射射图图，同同时时诞诞生生了了两两门新兴学科：晶体门新兴学科：晶体X光结构分析和光结构分析和X光光谱学。光光谱学。获获 1914年年 诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖1913 1914年年 ， 英英 国国 科科 学学 家家 W.H.Bragg和和W.L.Bragg确确定定了了X射射线线晶晶体体结结构构分分析析方方法法并并首首次次测测定定了了NaCl的的晶晶体体结结构构。获获1915年年诺诺贝贝尔尔物理学奖。物理学奖。4050年代年代代表性的
30、无机有机晶体结构测代表性的无机有机晶体结构测定定50年代年代测定蛋白质的结构测定蛋白质的结构6070年代年代衍射法和计算机技术结合，实衍射法和计算机技术结合，实现现自动化，程序化得到飞速自动化，程序化得到飞速发展发展90年代以来年代以来建立多功能晶体结构数据库建立多功能晶体结构数据库二十世纪二十世纪粉末衍射数据解析晶体结构粉末衍射数据解析晶体结构二、二、X射线衍射射线衍射X射线：射线： =110000pm的电磁波；用于晶体结构测定的的电磁波；用于晶体结构测定的X射线：射线： =50250pm，与晶面间距大致相当。与晶面间距大致相当。光源产生：光源产生：真空波为真空波为10-4Pa的的X射线管内
31、，由高速电子射线管内，由高速电子冲击阳极金属靶产生的。一般为冲击阳极金属靶产生的。一般为Cu靶。靶。衍射方向：衍射线偏离入射线的角度。衍射方向：衍射线偏离入射线的角度。晶体的衍射方向和晶胞的大小和形状有关，有两晶体的衍射方向和晶胞的大小和形状有关，有两个基本的方程：个基本的方程：Laue方程和方程和Bragg方程。方程。Laue方程方程以直线点阵为出发点，是联系点阵单位的以直线点阵为出发点，是联系点阵单位的3个基本矢个基本矢量量a,b,c以及以及X射线的入射和衍射的单位矢量射线的入射和衍射的单位矢量s0和和s的的方程。方程。Bragg方程以平面点阵为出发点，对一族晶面间方程以平面点阵为出发点，
32、对一族晶面间距为距为d(hkl)的平面点阵的衍射方向为：的平面点阵的衍射方向为：2d(hkl)sinn=n式中式中n为整数，为整数，为波长，为波长，为衍射角。上式可为衍射角。上式可改写为：改写为：2dhklsin=式中式中hkl称为衍射指标，不加括号表示这称为衍射指标，不加括号表示这3个整数个整数不必互质。不必互质。dhkl为衍射面间距，它等于为衍射面间距，它等于d(hkl)/n。Laue方程和方程和Bragg方程是等效的。方程是等效的。第五节、物质的其它聚集形态第五节、物质的其它聚集形态非晶体、准晶体、液晶、纳米材料、等离子体等一、非晶体一、非晶体非晶态物质内部结构没有周期性特点，而是杂乱无
33、章地排列，如：玻璃、松香、明胶等等。非晶体不 具有晶体物质的共性，某些非晶态物质具有优良的性质。二、准晶体二、准晶体准晶体准晶体是1984年科学家发现的一种新的物质聚集形态。一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。例如五次对称轴等。准晶体的发现准晶体的发现一方面极大地深化了我们对晶体学、衍射一方面极大地深化了我们对晶体学、衍射物理和凝聚态物理地的认识。物理和凝聚态物理地的认识。另一方面，准晶体的各种独特性质使准晶另一方面，准晶体的各种独特性质使准晶体具有潜在的应用价值。体具有潜在的应用价值。三、液晶三、
34、液晶“液晶”被发现至今约一百多年，但近二十多年来才获得了迅速的发展，这是因为液晶材料的光电效应被发现，因而被广泛地应用在需低电压和轻薄短小的显示组件上，因此它一跃成为一热门的科学研究及应用的主题。目前己被广泛使用于电子表，电子计算器和计算机显示屏幕上，液晶逐渐成为显示工业上不可或缺的重要材料。 科学家普遍认为，液晶最早是在一八八八年被奥科学家普遍认为，液晶最早是在一八八八年被奥地利的植物学家莱尼茨尔地利的植物学家莱尼茨尔(F.Reinitzer)所所发现，其在观察发现，其在观察安息香酸胆固醇安息香酸胆固醇(cholesterylbenzoate)的融解行为时发现的融解行为时发现加热至一百四十五
35、度时会呈白浊状状液体，加至一百七十加热至一百四十五度时会呈白浊状状液体，加至一百七十九度才形成均向性液体。九度才形成均向性液体。隔年，德国的物理学家莱曼隔年，德国的物理学家莱曼(O.Lehmann)，更以偏光显更以偏光显微镜发现此白浊液体具有异方性结晶所特有的双折射率微镜发现此白浊液体具有异方性结晶所特有的双折射率(birefringence)，故命名为液晶。液晶就其形成的原因可故命名为液晶。液晶就其形成的原因可分第一：液向性分第一：液向性(lyotropic)液晶，即液晶分子在适当溶剂液晶，即液晶分子在适当溶剂中，当达到某一临界浓度时而形成液晶状态。二为热向性中，当达到某一临界浓度时而形成液
36、晶状态。二为热向性（thermotropic）液晶，它是由于温度的变化而呈现出各液晶，它是由于温度的变化而呈现出各种不同的液晶状态。种不同的液晶状态。液晶的显示应用液晶的显示应用回顾液晶的发展史可以发现，尽管液晶早在回顾液晶的发展史可以发现，尽管液晶早在19世世纪纪60年代已经被发现，然而在相当长一段时间里，虽年代已经被发现，然而在相当长一段时间里，虽然液晶的许多有价值的现象早就被揭露，但液晶始终然液晶的许多有价值的现象早就被揭露，但液晶始终只时是实验室中的珍品而已。只有当液晶被用于显示只时是实验室中的珍品而已。只有当液晶被用于显示器开始，它的研究才有了前所未有的动力。在这最近器开始，它的研究
37、才有了前所未有的动力。在这最近的几十年时间里液晶显示器有了长足的进步。目前液的几十年时间里液晶显示器有了长足的进步。目前液晶显示器已是整个显示领域中的佼佼者，只要稍加留晶显示器已是整个显示领域中的佼佼者，只要稍加留意，不难发现市场上用液晶显示器的仪器仪表、计算意，不难发现市场上用液晶显示器的仪器仪表、计算器、计算机、彩色电视机、投影电视机等不仅品种越器、计算机、彩色电视机、投影电视机等不仅品种越来越多，而且显示品质亦越来越高，价格越来越便宜来越多，而且显示品质亦越来越高，价格越来越便宜。用液晶作显示装置有两个显著的优点。用液晶作显示装置有两个显著的优点。第一，液晶本身不发光，而是利用外部光源来
38、第一，液晶本身不发光，而是利用外部光源来发光的。但这并不意味着非用外光源不可。发光的。但这并不意味着非用外光源不可。利用太阳发出的自然光和室内的一般照明光都利用太阳发出的自然光和室内的一般照明光都可进行显示。这和电子学显示装置的概念相比，可以说有根本的不同。可进行显示。这和电子学显示装置的概念相比，可以说有根本的不同。作为显示元件，液晶新的意义恐怕就在这里。作为显示元件，液晶新的意义恐怕就在这里。第二，作为显示元件用的液晶，其厚度可做成几十微米以下，这对第二，作为显示元件用的液晶，其厚度可做成几十微米以下，这对显示装置来说是很合适的。显示装置来说是很合适的。这表明，液晶具有作薄型电视接收显示材
39、料的良好性能。而且由于这表明，液晶具有作薄型电视接收显示材料的良好性能。而且由于它是液态，原则上其大小是没有限制的，要多大就可以多大。故期待它它是液态，原则上其大小是没有限制的，要多大就可以多大。故期待它作为大屏幕显示装置的理由也就在此。作为大屏幕显示装置的理由也就在此。具体来说，在实际应用中，某些向列型液晶，在电场作用下，光的具体来说，在实际应用中，某些向列型液晶，在电场作用下，光的反射率或透射率会发生变化，与此相反，胆甾型液反射率或透射率会发生变化，与此相反，胆甾型液晶加上电场时可使光有选择的反射或透射，故可显晶加上电场时可使光有选择的反射或透射，故可显示彩色图象。而且，因为这种液晶颜色随
40、温度变化，示彩色图象。而且，因为这种液晶颜色随温度变化，所以也用来显示热分布图。所以也用来显示热分布图。液晶用于探测器液晶用于探测器液晶可用于三种探测器，最理想的形式是有序态和能量的液晶可用于三种探测器，最理想的形式是有序态和能量的直接互作用。在此情况下，直接互作用。在此情况下，1014瓦瓦/厘米厘米2的功率密度就足够了。的功率密度就足够了。目前，仅能利用液晶与电场和磁场互作用的灵敏度。实验观察目前，仅能利用液晶与电场和磁场互作用的灵敏度。实验观察到，实验室内的微小振动能在向列型液晶内产生光学性能的显到，实验室内的微小振动能在向列型液晶内产生光学性能的显著变化。著变化。然而没有寻找到相干耦合的
41、方法。问题在于向列型液晶不然而没有寻找到相干耦合的方法。问题在于向列型液晶不随压缩而改变取向。因其不能承受切应力，所以在此意义上说，随压缩而改变取向。因其不能承受切应力，所以在此意义上说，它是一种真正的液体，影响液晶的机械振动类型与改变光轴方它是一种真正的液体，影响液晶的机械振动类型与改变光轴方向的定向波有关。向的定向波有关。拿胆甾相来说明。在胆甾相中，对为数有限的材料加上电拿胆甾相来说明。在胆甾相中，对为数有限的材料加上电场会引起接近于理论最大值的移动。特别如胆甾烯基对氰场会引起接近于理论最大值的移动。特别如胆甾烯基对氰基苯甲酸酯基苯甲酸酯10微米的试样上加以微米的试样上加以100伏时，将移
42、动伏时，将移动1000埃。埃。因为这种材料的电阻率大约是因为这种材料的电阻率大约是1018欧姆欧姆.厘米，全部能量是厘米，全部能量是来自位移电流。因而对材料加电场的电子束就能产生来自位移电流。因而对材料加电场的电子束就能产生20线对线对/毫米的分解力。毫米的分解力。应用液晶的探测器的第二种形式是基于其对温度（辐应用液晶的探测器的第二种形式是基于其对温度（辐射热检测）的反应。由于许多胆甾相材料的灵敏度高，射热检测）的反应。由于许多胆甾相材料的灵敏度高，可以获得优良的宽带检测器。可以获得优良的宽带检测器。探测器的第三种形式是基于液晶作为其他检测器的输探测器的第三种形式是基于液晶作为其他检测器的输出
43、。目前最简单的形式是用液晶来显示光电导硒的电出。目前最简单的形式是用液晶来显示光电导硒的电位变化。位变化。这项技术的另一使用例子是：用作由于光输入而引起这项技术的另一使用例子是：用作由于光输入而引起的电阻发热的热显示。最简单的是将液晶直接涂在硫的电阻发热的热显示。最简单的是将液晶直接涂在硫化镉上，并加上一定的电压。硫化镉受光照，电阻降化镉上，并加上一定的电压。硫化镉受光照，电阻降低、增加发热而改变胆甾型液晶的反射。使用胆甾型低、增加发热而改变胆甾型液晶的反射。使用胆甾型液晶的交流加热还可做声能密度的显示。液晶的交流加热还可做声能密度的显示。四、等离子体四、等离子体(1) (1) 什么是等离子体
44、？什么是等离子体？ 等离子体实际上是一个物理概念。物质有固体、液体和气体三态，而等离子体是电离的气体，由大量自由电子和离子以及中性粒子组成，是物质的一种特殊的聚集态。因此，等离子体又被称为物质的第四态或等离子态。就电气技术而言，它指的是一种拥有离子、电子和核心粒子的不带电的离子化物质，包括有带电粒子：电子、正离子、负离子和不带电的粒子：气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。 等离子体发光的基本原理为：等离子体发光的基本原理为：气气体体的的电电子子得得到到足足够够大大的的能能量量后后即即被被电电离离，这这种种电电子子具具有有较较大大的的动动能能，以以较较高高的的速速度度在在气气体体中中运运动动。
45、电电子子在在运运动动过过程程中中与与其其他他粒粒子子会会产产生生碰碰撞撞，使使更更多多的的中中性性粒粒子子电电离离; ;同同时时，带带相相反反电电荷荷的的两两种种离离子子结结合合形形成成中中性性原原子子即即复复合合现现象象。在在复复合合过过程程中中，电电子子将能量以光的形式放出来，即产生发光。将能量以光的形式放出来，即产生发光。等离子显示发光原理图等离子显示发光原理图1-玻璃，玻璃，2-透明电极，透明电极，3-可见光源，可见光源，4-绝缘体绝缘体等离子体发光材料除了可以作为彩色壁挂电等离子体发光材料除了可以作为彩色壁挂电视，信息处理终端装置的显示板等显示设备视，信息处理终端装置的显示板等显示设
46、备外，由于等离子发光具有高亮度、长寿命等外，由于等离子发光具有高亮度、长寿命等优点，其发光材料还可用于照明，如氖灯、优点，其发光材料还可用于照明，如氖灯、氙灯等，所以是一类有巨大市场前景的发光氙灯等，所以是一类有巨大市场前景的发光材料。材料。 五、纳米材料五、纳米材料 纳米材料是以维数尺寸定义的材料，要求颗粒或尺寸至少在一维尺度上小于100nm。它介于宏观与微观之间的介观物质。 20世纪80年代发现。 纳米材料由于尺寸效应、表面效应和量子效应等而产生许多新奇特性，由此引起的材料光、电、磁等性质的变化，并广泛应用于工业、医药、军事、环境保护和日常生活中去。练习题一练习题一题题目目：研研究究离离子
47、子晶晶体体，常常考考察察以以一一个个离离子子为为中中心心时时，其其周周围围不不同同距距离离的的离离子子对对它它的的吸吸引引或或排排斥斥的的静静电电作作用用力力。设设氯氯化化钠钠晶晶体体中中钠钠离离子子跟跟离离它它最最近近的的氯氯离离子子之之间间的的距距离离为为d，以钠离子为中心，则：以钠离子为中心，则：1第第二二层层离离子子有有12个个，离离中中心心离离子子的的距离为距离为，它们是它们是钠钠离子。离子。2已已知知在在晶晶体体中中Na+离离子子的的半半径径为为116pm，CI-离离子子的的半半径径为为167pm，它它们们在在晶晶体体中中是是紧紧密密接接触的。求离子占据整个晶体空间的百分数。触的。
48、求离子占据整个晶体空间的百分数。33纳纳米米材材料料的的表表面面原原子子占占总总原原于于数数的的比比例例极极大大，这这是是它它的的许许多多特特殊殊性性质质的的原原因因，假假设设某某氯氯化化钠钠纳纳米米颗颗粒粒的的大大小小和和形形状状恰恰等等于于氯氯化化钠钠晶晶胞胞的的大大小小和和形形状状，求求这这种种纳纳米米颗颗粒粒的的表表面面原原子子占占总总原原子子数数的的百分比。百分比。44假假设设某某氯氯化化钠钠颗颗粒粒形形状状为为立立方方体体，边边长长为为氯氯化化钠钠晶晶胞胞边边长长的的1010倍倍，试试估估算算表表面面原原子子占占总总原原子子数的百分比。数的百分比。解答解答1 12， ，钠离子钠离子
49、2 V晶胞=2(116pm+167pm)3=181 106pm3 V离子=4 (4/3)(116pm)3+ 4 (4/3)(167pm)3 =104106 pm3 V离子/ V晶胞=57.5%3 26/27=96%4 10倍晶胞的纳米颗粒的离子总数倍晶胞的纳米颗粒的离子总数:213=92619倍晶胞的纳米颗粒的离子总数倍晶胞的纳米颗粒的离子总数:193=685910倍晶胞的纳米颗粒的表面离子数倍晶胞的纳米颗粒的表面离子数:6959-9261=2402表面原子数所占比例：表面原子数所占比例：2402/9261=26%练习题二练习题二（鲁教版（鲁教版p96,10）NiO晶体的结构型式与晶体的结构型
50、式与NaCl晶体的结构型式晶体的结构型式完全相同，完全相同，Ni2与最邻近的与最邻近的O2的核间距为的核间距为a 10-10m。试计算试计算NiO晶体的密度。（已知晶体的密度。（已知NiO的摩尔质量为的摩尔质量为74.7g.mol-1）本本题题涉涉及及了了化化学学课课程程标标准准中中晶晶体体结结构构的如下内容：的如下内容：晶晶胞胞、晶晶胞胞类类型型、晶晶胞胞中中粒粒子子数数的的计计算算、配位数、堆积方式、密度计算。配位数、堆积方式、密度计算。通通过过这这个个题题目目可可以以建建立立晶晶体体结结构构的的晶晶胞胞结结构构与与晶晶体体堆堆积积方方式式之之间间的的关关系系，深深刻刻理理解解晶胞结构的特
51、点核有关计算问题。晶胞结构的特点核有关计算问题。练习题三练习题三 实验表明，乙烯在很低的温度下能凝结成分子晶体，经X-射线分析鉴定，其晶体结构属于正交晶系，晶胞参数为：a = 4.87，b = 6.46 ，c = 4.15 ，晶体结构如图1所示。（1）晶体的理论密度是 gcm-3；（2）设C原子形成的双键中心对称地通过原点，离原点最近的C原子的分数坐标为（0.11, 0.06, 0.00），试计C=C共价键长是 。 答案：（1）0.71 gcm-3 （2）1.32 练习题四练习题四19991999年美国年美国科学科学杂志报道：在杂志报道：在40GPa40GPa高压下，高压下，用激光器加热到用激
52、光器加热到1800K1800K，人们成功制得了原子晶体人们成功制得了原子晶体干冰，下列推断正确的是干冰，下列推断正确的是 A 原子晶体干冰有很高的熔点、沸点，有很大的硬度B 原子晶体干冰易气化，可用作制冷材料C 原子晶体干冰硬度大，可用作耐磨材料D 每摩尔原子晶体干冰中含2mol CO键练习题五练习题五已已知知下下列列晶晶体体的的熔熔点点：NaCl801AlF31291AlCl3190BCl3107Al2O32045CO256.6SiO21723据据此此判判断断下下列列说说法法错错误的是误的是A元素和铝组成的晶体中有的是离子晶体元素和铝组成的晶体中有的是离子晶体B以一给出的物质中只有以一给出的物质中只有BCl3和和CO2是分子晶体是分子晶体C同族元素的氧化物可以形成不同类型的晶体同族元素的氧化物可以形成不同类型的晶体D不同族元素的氧化物可以形成相同类型的晶体不同族元素的氧化物可以形成相同类型的晶体
