材料化学导论第2章-完美晶体的结构

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1、第２章完美晶体的结构绝大多数材料以固体形态使用。因此研究固体的结构十分重要。固体可以划分为如下种类：无定形体和玻璃体[固体中原子排列近程有序、远程无序](AmorphousandGlassy)固体(Solidstates)完美晶体[原子在三维空间排列无限延伸（Perfectcrystals）有序，并有严格周期性]晶体（Crystals）缺陷晶体[固体中原子排列有易位、错（Defectcrystals）位以及本体组成以外的杂质]由于晶体结构是固体结构描述的基础，我们在本章中描述完美晶体的结构，下一章则讲授缺陷晶体的结构。§2.1晶体的宏观特征和微观结构特

2、点§2.1.1晶体的宏观特征晶体的宏观特征主要有四点：1．规则的几何形状所有晶体均具有自发地形成封闭的几何多面体外形能力的性质。规则的几何多面体外形表明晶体内部结构是规则的。当然晶体的外形由于受外界条件的影响，往往同一晶体物质的各种不同样品的外形可能不完全一样。因此，晶体的外形不是晶体品种的特征因素。例如，我们大家熟知的食盐晶体在正常结晶条件下呈立方晶体外形，当在含有尿素的母液中结晶时，则呈现出削取顶角的立方体甚或八面体外形。2．晶面角守恒在适当条件下晶体能自发地围成一个凸多面体形的单晶体。围成这样一个多面体的面称作晶面。实验测试表明，同一晶体物质的各

3、种不同样品中，相对应的各晶面之间的夹角保持恒定，称作晶面角守恒。例如，石英晶体根据结晶条件不同，可有各种几何外形，但对应晶面之间的夹角却是不变。晶体的晶面相对大小和外形都是不重要的，重要的是晶面的相对方向。所以，可以采用晶面法线的取向表征晶面的方位，而共顶点的晶面法线的夹角表示晶面之间的夹角。3．有固定的熔点晶体熔化过程是晶体长程序解体的过程。破坏长程序所需的能量就是熔化热。所以晶体具有特定的熔点。反之，也说明晶体内部结构的规则性是长程有序的。4．物理性质的各向异性晶体的宏观物理性质是各向异性的。所谓各向异性，是指同一晶体在不同方向上具有不同的性质。它

4、表明晶体内部的规则性在不同方向是不一样的。晶体的这些宏观性质特征表明，晶体中的原子、分子（通常称作粒子）是按一定方式重复排列的。这种性质称作晶体结构的周期性。这是晶体微观结构最基本的特征。82.1.1晶体微观结构特征——点阵的概念⑴理想晶体的结构特点可以归纳为：晶体内部结构中，组成原子、分子或集团在空间做规则性排列，并且这种排列有严格的周期性。所谓周期性是指一定数量、种类的的原子（离子）、分子或集团在空间排列时每隔一定距离重复出现。⑵结构单元：我们把这种具有一定组成的原子、分子或其集团，即周期性重复的单元，称作晶体的结构单元。例如：干冰晶体结构单元为C

5、O2；食盐晶体结构单元为一个+-2+-Na离子和一个Cl离子；萤石晶体结构单元为一个Ca离子和二个F离子。⑶点阵（Lattice）：我们把理想晶体中的一个个结构单元看作是一个个数学点，这些点在空间的有序三维排列总体就称作是点阵。点阵结构是一个在空间三维无限延伸的三维网格，也称作格子。点阵上的网格交点称作阵点或格点（latticepoint）。⑷实际晶体成千上万花样繁多，但点阵确是为数不多的几种。我们只要将这几种为数不多的点阵结构类型弄清楚后，然后将具体晶体的结构单元与点阵格点复合，就可以知道该晶体的结构，而无须一个一个地讨论具体晶体的结构情形。这就是为

6、什么在研究晶体结构时需要引入点阵的概念的原因。上述研究思路可以概括为如下公式：晶体结构点阵结构+结构单元花样繁多为数不多与具体晶体有关⑸点阵单位与晶胞（UnitCell）我们已经谈到，研究一个个晶体结构，引入点阵概念后，可将成千上万的具体晶体简化为研究为数不多的几种点阵结构。但点阵是一个在三维空间无限延伸排列的三维网络。我们实际研究时，即没有必要也不可能拿一个无限大的三维点阵来研究。实际研究时，我们都是取点阵结构的一小部分。对于三维点阵结构，采用三组不共面的平行线将全部阵点连结起来。这样，整个点阵就可以看作是由一系列形状、大小完全相同、并且相互紧密排列

7、在一起的平行六面体构成。这些平行六面体有各种取法。为了统一起见，指定如下规则：图2.1单位点阵六面体的取法①所选六面体必须能够反映点阵的宏观对称性。这是首要的条件；②在满足上述条件下，所选取的平行六面体应具有尽可能多的直角；③在满足以上2条规则的条件下，所选取的平行六面体应具有最小的体积。9按照上述规则选取的平行六面体称作点阵单位。我们将结构单元复合到点阵单位上，就得到晶体中的一个最小重复单位，足以代表整个晶体的特征。其称作晶胞，即：晶胞点阵单位+结构单元点阵单位和晶胞都是一个小的平行六面体，可用6个参数来描述，称作晶胞参数：取平行六面体的一个顶角作为

8、原点（O）来建立坐标系，从原点出发的3个基本向量a、b、c分别平行于3个坐标轴x、y、z：a‖