材料化学（一） 02a 晶体结构

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1、第二章晶体结构唐小真主编，材料化学导论，高等教育出版社苏勉曾编著，固体化学导论，北京大学出版社张孝文等编著，固体材料结构基础，中国建筑工业出版社本章推荐参考书2.1固体材料的分类固体材料可以按照其中原子排列的有序程度分为晶态和非晶态两大类。一个明显的弯曲标志着随着温度的下降体系中发生了相变：在沸腾温度处首先发生气相到液相的转变。随着温度的继续降低，液体的体积连续减小。注意到曲线的斜率应该对应于体系的热膨胀系数：固体的热膨胀系数小于液体。液体在缓慢降温过程中形成晶体。在这一过程中，原子有足够的时间发生重排，因此形成的固体中原子的排列呈有序状态。液体在急冷过程中形成非晶体。在这一过程中，原子没有

2、足够的时间发生重排，因此形成的固体中原子的排列呈无序状态。晶体和非晶体的根本区别晶态材料具有长程有序的点阵结构，其组成原子或基元处于一定格式空间排列的状态；非晶态材料则象液体那样，只有在几个原子间距量级的短程范围内具有原子有序的状态。(短程有序)2.2几何晶体学简单的历史回顾人类最早使用的材料是天然的石块。在采集石块的同时也就发现了各种具有规则外形的石头。人们把这些具有规则外形的石头称为晶体。在我国周口店的中国猿人遗址就发现了用水晶等晶体制成的工具。这是人类认识晶体的开始。因此，晶体是一个非常古老的名词。无色的六面体食盐是最普通的同时也是最重要的一种晶体。盐对于生命来说是必不可少的，而在

3、所有文化形态中，盐又历来具有某种象征的性质。“salary”=“买盐的钱”。晶面角守恒定律晶体最初给人们的印象就是具有规则外形，而对晶体开展的研究也是从这些规则外形开始的。1669年，一个叫做斯丹诺(NicolasSteno)的意大利人对水晶进行了仔细的研究后发现：尽管不同的石英晶体，其晶面的大小、形状、个数都可能会有所不同，但是相应的晶面之间的夹角都是固定不变的。天然的水晶(石英晶体)可以有各种不同的外形尽管不同的石英晶体，其晶面的大小、形状、个数都可能会有所不同，但是相应的晶面之间的夹角都是固定不变的其中的a晶面和b晶面之间的夹角总是14147，b晶面和c晶面之间的夹角总是1200

4、0，而c晶面和a晶面之间的夹角总是11308。此后，人们对各种不同的晶体进行了大量的观察，发现类似的规律对于其他的晶体也是存在。这就诞生了结晶学上的第一条经验定律晶面角守恒定律在同一温度下，同一种物质所形成的晶体，其相同晶面的夹角是一个常数。晶面角守恒定律是晶体学中最重要的定律之一，它揭露了晶体外形的一种重要的规律性，从而指导人们怎样去定量地、系统地研究各式各样的晶体。在19世纪初，在晶面角守恒定律的启发下，晶体测角工作曾盛极一时，大量天然矿物和人工晶体的精确观测数据就是在这个阶段获得的。这些数据为进一步发现晶体外形的规律性(特别是关于晶体对称性的规律)创造了条件。直至今天，测定晶

5、面角仍然是从晶体外形来鉴别各种不同矿物的一种常用的可靠方法，为此人们还设计制作了一些晶体测角仪，专门用于这一目的。晶面角守恒定律的发现，使得当时的人们坚信“晶体就是具有规则形状的物体”。但是，这一定义显然只是考虑了晶体的宏观特征，还远远没有涉及到晶体的内在本质。于是，一些科学家们便开始思考这样一个问题：是什么原因导致了晶体的规则外形？晶胞学说1784年法国科学家阿羽(ReneJustHaüy)提出了著名的晶胞学说：每种晶体都有一个形状一定的最小的组成细胞晶胞；大块的晶体就是由许许多多个晶胞砌在一起而形成的。这是晶体学上第一次就晶体由外表到本质进行的猜想。在此之前，斯丹诺的老师曾经有机会提

6、出相似的学说，但是在即将接近这一学说的时候他莫名其妙地止步了。(冰洲石)1803年，英国科学家道尔顿(JohnDalton)提出了元素原子说：纯粹的物质是由具有一定质量的原子构成的，化合物则是由不同原子按一定比例结合而成的。受道尔顿的元素－原子学说的启发，1855年另一个法国人布拉维(A.Bravais)建立了晶体结构的空间点阵学说。空间点阵学说一个理想晶体是由全同的称作基元的结构单元在空间作无限的重复排列而构成的；基元可以是原子、离子、原子团或者分子；晶体中所有的基元都是等同的，也就是说他们的组成、位形和取向都是相同的。因此，晶体的内部结构可以抽象为在空间作周期性的无限分布的一些相同的几

7、何点，这些几何点代表了基元的某个相同位置，而这些几何点的集合就称作空间点阵，简称点阵。一个含有两个原子(分别用一大一小两个空心圆点表示)的基元这个基元在二维空间作有规律的重复排列便得到了一个二维晶体结构黑点为抽象出来的几何点，这些几何点就构成了一个二维空间点阵。在这个抽象过程中，几何点位置的选取可以是任意的，只要是在基元所包括的范围之内就可以。显然在这一抽象过程中，构成基元的原子的种类和大小并不影响到最终点阵