現(xiàn)代科技綜述知識文庫：礦物晶體結(jié)構(gòu)分析

1、現(xiàn)代科技綜述系列礦物晶體結(jié)構(gòu)分析科技是人類區(qū)別于動物的重要文明之一，是人類對自然規(guī)律研究和利用的學(xué)科。本文提供對科技基本概念“礦物晶體結(jié)構(gòu)分析”的解讀，以供大家了解。礦物晶體結(jié)構(gòu)分析是用X射線衍射、中子衍射及電子衍射等方法揭示礦物這種自然界存在的固體晶態(tài)物質(zhì)在微觀層次上的原子排列及其晶體化學(xué)特點，它可以完整地提供礦物晶體的晶胞尺寸、點群及空間群類型、原子坐標(biāo)、原子間的鍵長和鍵角、化學(xué)鍵性質(zhì)等晶體化學(xué)資料。這對于礦物及無機(jī)晶體中與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)的闡明、晶體的合成與生長、礦物成因等方面都具重要意義。礦物晶體結(jié)構(gòu)分析的理論基礎(chǔ)，是孕育于礦物學(xué)中的經(jīng)典晶體學(xué)(結(jié)晶學(xué))長期發(fā)展中奠定的。17

2、84年阿羽依(RJHauy)在他的著作中提出晶體結(jié)構(gòu)是由相同的分子所組成，他認(rèn)為菱面體是構(gòu)成晶體的幾種基本構(gòu)造單元中的一種特殊形狀。他的理論含蓄地提出每一組成分子都有一特定的化學(xué)內(nèi)容，組成分子本身就是基本物質(zhì)，任何進(jìn)一步的分割都會破壞它本身的特性。1815年魏斯(SWeiss)提出了結(jié)晶軸概念和結(jié)晶軸三維空間中的對稱軸關(guān)系，并確定了等軸、四方和正交晶系。1830年赫塞爾(THessel)得出了32個晶類以及只有1、2、3、4、6次旋轉(zhuǎn)軸才與平移對稱相容的見解。1848年布拉維(ABravais)提出了14種空間點陣，并指出這14種空間點陣可劃分成7種點陣對稱，對應(yīng)于以前所認(rèn)識的7個晶系。這就為

3、宏觀外部對稱研究的結(jié)晶學(xué)進(jìn)入微觀層次的空間點陣研究提供了理論武器。1879年leonard Sohncke發(fā)現(xiàn)了螺旋軸扣滑移面這兩種對稱要素。在掌握這些概念的基礎(chǔ)上，俄國晶體學(xué)家弗德洛夫(ESFederov)提出了230個空間群。這一重要理論不僅是現(xiàn)代礦物晶體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，而且也是一個理論發(fā)展走在實驗前頭的有趣的例子。因后來通過現(xiàn)代實驗技術(shù)得出的晶胞內(nèi)原子排列情況毫無例外證實了該對稱理論的正確性。礦物晶體結(jié)構(gòu)的近代研究是由1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線而引發(fā)的。1911年勞埃(vonLaue)將一束X射線通過硫酸銅晶體，得到了第1張X射線衍射照片，從而導(dǎo)致了兩個有意義的結(jié)果：(1)X射線具有電磁性

4、質(zhì)并具有短的波長；(2)該波長與規(guī)則排列的原子間距相近，從而導(dǎo)致X射線衍射效應(yīng)。1913年布拉格父子(WHBragg&WLBragg)用X射線測定了第1個晶體結(jié)構(gòu)并在30年代完成了大部分硅酸鹽礦物的晶體結(jié)構(gòu)測定工作。到60年代，中國完成葡萄石晶體結(jié)構(gòu)分析止，占地殼主要成分的硅酸鹽礦物的晶體結(jié)構(gòu)的測定工作差不多全部完成了。在這個測定基礎(chǔ)上，完整的硅酸鹽的晶體化學(xué)體系也建立起來了。進(jìn)入7080年代，X射線晶體學(xué)由于X射線源、探測器及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得測定速度、精度及數(shù)量方面有了極大的提高。例如X射線源的功率，在50年代只是在1kW以下，進(jìn)入70年代由于旋轉(zhuǎn)陽極靶的使用而提高到60100kW，而現(xiàn)

5、代同步輻射源的應(yīng)用，功率又可以比旋轉(zhuǎn)陽極靶提高12個數(shù)量級。在結(jié)構(gòu)解析的理論方面，研究的焦點集中在如何在相當(dāng)數(shù)量的強(qiáng)度衍射數(shù)據(jù)中推引出結(jié)構(gòu)因子的位相值。這個問題由于卡爾(karle)等人的不懈努力，在直接法方面研究取得突破性進(jìn)展。由于上述的實驗技術(shù)及理論體系的發(fā)展和完善，礦物晶體結(jié)構(gòu)分析目前已成為近于常規(guī)的測試手段并越來越普及。除X射線衍射外，中子衍射也已成為礦物晶體結(jié)構(gòu)測試的有效手段。它的優(yōu)點是可以獲得原子核的準(zhǔn)確位置，并且對于輕原子位置的測定特別有效。由于X射線測定精度的提高及中子衍射法的應(yīng)用，目前礦物晶體結(jié)構(gòu)的任務(wù)已不局限于點原子位置的確定，而是可以獲得晶體結(jié)構(gòu)中價電子云的密度，從而對原

6、子的化學(xué)鍵性進(jìn)行定量的解釋。自70年代起礦物物理學(xué)及礦物譜學(xué)的興起，為探索礦物晶體結(jié)構(gòu)的量子化學(xué)特征提供了有力武器。對于礦物晶體結(jié)構(gòu)的研究，目前的發(fā)展趨勢是從統(tǒng)計、平均結(jié)構(gòu)的測定，走向?qū)崟r、局部及表面結(jié)構(gòu)的方向，透射電子顯微鏡的應(yīng)用不僅可以提供礦物微區(qū)(1100nm)的晶體學(xué)對稱信息，而且可以實時地觀察到晶疇及晶胞級區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)圖象。自1987年以來，掃描隧道顯鏡及原子力顯微鏡的發(fā)明并被引入礦物學(xué)領(lǐng)域，從而導(dǎo)致礦物的表面結(jié)構(gòu)的直接觀察，由于它能提供01nm水平分辨率及001nm左右的垂直分辨率，成為當(dāng)今世界上觀察礦物晶體表面分辨率最高的儀器，隨著這一研究方法的成熟和完善，人類一睹微觀原子世界

7、真面目的理想將變成現(xiàn)實?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】： 1 Voe Fedorv E S. Throrie der kristallstruktur, Einleitung Reglmassige punktsysteme mit udersichteicher graphisher Darstellung. Z kristallogr,1985. 24,209252 2 W. L. (1913)Peoc Camb.Phil Soc, 1913,17:43 3 M. M. woolfson Direct Metlod in cryslallogrophy. Oxford University press. 1961 4 Binning G,Rohrer H. Surface Sci. ,1983,126,236 5 Friedric