第4章晶体结构.doc

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1、第4章晶体结构4.1晶体学基础固体材料晶体：如立方体岩盐，菱面体天然菱镁矿非晶体：玻璃、松香、沥青等（无定形）有的物质如石英SiO2，可成为晶体亦可成为非晶体单晶：晶体慢慢冷却形成，玻璃：SiO2原料熔化，急冷形成。什么物质是晶体？怎样区分是晶体还是非晶体？下面研究的问题。4.1.1晶体的基本性质人们最开始认识晶体是从观察外部形态开始的。把具有天然的而不是经人工加工的规律的几何外形固体称为晶体。如：石英，锆石英，食盐，但许多物质，虽然不具有明显的规则多面体外形，却具有晶体性质，也就是说，这种规则的多面体并不能反映晶

2、体的实质，它只是晶体内部某种本质因素的规律性在外表上的一种反映，直到上世纪初，1912年劳厄（德国的物理学家）第一次成功茯得晶体对X射线的衍射线的图案，才使研究深入到晶体的内部结构，才从本质上认识了晶体，证实了晶体内部质点空间是按一定方式有规律地周期性排列的。晶体的现代定义：内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。（具有格子构造）晶体，非晶体—内部结构显著不同—性质显著不同。性质与结构紧密相关，通过学习性质可区分晶体、非晶体。1.各向异性晶体对光、电、磁、热以及抵抗机械和化学作用在各个方向上是不一样的（等轴系晶体

3、除外）。如：石墨的导电率不同方向差别很大，垂直方向为层平行方向1/104。兰晶石硬度，AA方向莫氏硬度4.5，BB方向7，食盐晶体抗张强度，对角线方向最大，垂直晶面方向最小。晶体的各向异性是区别于物质其它状态最本质性质。2.固定熔点晶体在熔化时必须吸收一定的熔融热才能转变为液态(同样在凝固时放出同样大小的结晶热)，见晶体加热曲线：随时间增加，温度升高，T0时，晶体开始熔解，温度停止上升，此时所加的热量，用于破坏晶体的格子构造，直到晶体完全熔解，温度才开始继续升高图1.1固体的加热曲线3．稳定性晶体能长期保持其固有状

4、态而不转变成其它状态。这是晶体具有最低内能决定的，内能小，晶体内的质点规律排列，这是质点间的引力斥力达到平衡，结果内能最小，质点在平衡位置振动，没有外加能量，晶体格子构造不破坏，就不能自发转变为其它状态，处于最稳定状态，而非晶体就不稳定，如玻璃有自发析晶（失透）倾向。4．自限性晶体具有自发地生长为一个封闭的几何多面体倾向，即晶体与周围介质的界面经常是平面，晶体的多面体形态是其格子构造在外形上的直接反映。5．对称性晶体的某些性质在一定方向及位置上出现对称性，因为晶体的构造是质点在空间周期性规律排列，是反映在宏观上的必

5、然结果（专节讨论）。6．均匀性（均一性）一个晶体的各个部分性质都是一样的。因为晶体内质点是周期性重复排列的，其任何一部分在结构上都是相同的，因而由结构决定的一切性质都是相同的。这里注意：均匀性与各向异性不同，前者是指晶体的位置，后者是指观察晶体的方向。7．晶面角守恒定律晶体的晶面大小和形状会随外界的条件不同而变化，但同一种晶体的相应晶面（或晶棱）间的夹角却不受外界条件的影响，它们保持恒定不变的值。上面晶体所具有的基本性质，非晶体都不具有，它是晶体与非晶体的本质区别，最重要原因是内部结构的不同。晶体的宏观性质是其内部

6、微观结构规律性反映。为了更好了解晶体性质，就必须深入地对晶体的微观结构加以研究。1.1.2晶体的空间点阵结构（格子构造）1．晶体结构我们在提到某种材料的结构时，首先指的是组成这个材料的质点（原子或离子）在空间排列的方式，不同的排列方式构成了不同的结构，举例加以说明：晶体结构：内部质点（离子、原子、分子）在三维空间作周期性重复排列而构成。所有晶体都与NaNO2晶体一样，周期性重复排列。为研究各种千变万化的晶体结构中的一些共同规律，有必要对晶体进行处理。4.2决定离子晶体结构的基本因素1.2.1原子、离子半径1.原子半

7、径在分析合金相结构时，人们往往将原子看成是刚性小球，并假定最近邻的原子相切的,这样原子间距离等于两个半径之和.对于金属和共价晶体，一般用原子半径表示原子大小。原子半径—同种元素的晶体中最近邻原子核之间距离之半。说明：即使同一元素，原子半径并非确定，如对共价晶体，可形成单键、双键和三键，由于后者结合力最强，原子靠得更近，所以共价半径最小，对于金属晶体来说，原子半径和配位数有关.这样为便于分析，比较，对每种元素必须确定一个统一的原子半径，即：对共价晶体：采用单键共价半径r（1），对金属晶体：采用配位数为12的同素异构体

8、中的原子半径－哥德斯密德原子半径r（CN12），一般r（CN12）比r（1）大10％～15％。2.离子半径一般最外层是惰性气体或18个电子结构型式的离子具有球形对称的电子分布，是无方向性的，可以把离子看作是一个圆球体，同号离子相斥，异号离子相吸，对异号离子近到一定程度，由于电子云发生重叠，又表现为相斥，当晶体中正负离子之间斥力和吸力达到平衡时，离子间有一定的