晶體與非晶體

1、第一章 晶體與非晶體,主要教學(xué)內(nèi)容 晶體的概念與特點(diǎn)* 空間格子的概念及組成要素* 晶體的基本性質(zhì),1.1 結(jié)晶學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容 主要研究晶體的生長(zhǎng)、形貌、內(nèi)部結(jié) 構(gòu)、化學(xué)成分、物理性質(zhì)及它們之間的 相互關(guān)系。,主要研究?jī)?nèi)容包括 1.晶體的概念與基本性質(zhì)* 2.晶體生長(zhǎng)理論簡(jiǎn)介 3.幾何結(jié)晶學(xué)* 4.晶體結(jié)構(gòu)的幾何特征* 5.晶體化學(xué)基礎(chǔ)*,1.2 結(jié)晶學(xué)與材料學(xué)科的關(guān)系 材料制品多是晶體或以結(jié)晶相為主。 無(wú)機(jī)非金屬材料 單晶材料：多為人工合成的功能晶體材料 多晶材料：陶瓷、耐火材料、水泥熟料等 金屬材料：純金屬、合金等都是晶體。,工業(yè)原料主要組成相是晶體。 天然礦石原料 人造化工原料 工業(yè)廢

2、渣 工業(yè)尾礦,指導(dǎo)新材料的研制和開(kāi)發(fā)應(yīng)用,1.3 晶體的概念與性質(zhì) 1.3.1人類(lèi)最初對(duì)晶體的認(rèn)識(shí) 人類(lèi)對(duì)晶體的認(rèn)識(shí)源于對(duì)自然界天然礦物的觀 察。在巖石洞穴及裂隙里的石英呈帶尖頂?shù)牧?方柱，內(nèi)陸鹽湖中的石鹽常呈立方體等。,石英晶簇 (SiO2),石膏晶體 (CaSO4.2H2O),石鹽晶體（NaCl),黃鐵礦晶體(FeS2),早期的關(guān)于晶體的概念: 晶體是天然形成的具有幾何多面體外形 的固體。 這個(gè)概念顯然是表觀的和不完善的。,實(shí)驗(yàn) 把任意形態(tài)的NaCl顆粒，置于它的過(guò)飽和溶 液中一段時(shí)間后，都可以恢復(fù)立方體的幾何 外形。 立方體外形的和任意形態(tài)的石鹽，具有完全 相同的物質(zhì)組成和物理、化學(xué)性質(zhì)

3、。,1.3.2晶體概念的發(fā)展 規(guī)則幾何多面體外形只是晶體的一種表 象，晶體的本質(zhì)是什么呢？ 下面介紹幾位科學(xué)家對(duì)晶體概念由淺入 深的認(rèn)識(shí)。,浩羽（R.J.Hauy,法國(guó)晶體學(xué)家）認(rèn)為晶 體是由多面體外形的“分子”構(gòu)成。,立方體形態(tài)的“分子”,這個(gè)理論遇到的困難主要有三方面： 有的晶體，打碎以后的碎塊不能堆砌 成完整的晶體。,如螢石的解理塊為八面體，僅靠八面體 不能堆砌出完整的晶體。,螢石的八面體解理塊,許多晶體，如石英，不能破碎成幾何 多面體。 最小的平行六面體并不是“分子”。,惠更斯：認(rèn)為晶體中質(zhì)點(diǎn)的有序排列導(dǎo) 致晶體具有一定的多面體外形。,布拉維（A.Bravais） 推導(dǎo)出32種對(duì)稱型和

4、14種空間格子，提 出晶體結(jié)構(gòu)的空間格子理論。,勞埃(Max Von Laue)，德國(guó)科學(xué)家。 發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射現(xiàn)象； 證實(shí)了晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣?yán)碚摰恼_性； 為研究晶體結(jié)構(gòu)提供了一種手段； 開(kāi)創(chuàng)x射線結(jié)晶學(xué)。,研究結(jié)果表明： 所有的晶體，無(wú)論是否具有幾何多面體 形態(tài)，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)都是在三維空間周期 性重復(fù)排列，形成格子構(gòu)造。 只是不同的晶體，質(zhì)點(diǎn)的種類(lèi)、排列方 式及重復(fù)規(guī)律不同而已。,近代，高分辨率的電子顯微鏡，可以觀 察到晶體結(jié)構(gòu)中原子的排列情況。,自然金（111）面上金原子的分布 （原子力掃描隧道顯微鏡）,1.3.3 晶體的概念 晶體是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間周期性重 復(fù)排列的固體。,1.4晶體

5、結(jié)構(gòu)的空間格子規(guī)律 1.4.1空間格子概念 是表示晶體結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)重復(fù)規(guī)律的立體 幾何圖形。,1.4.2晶體結(jié)構(gòu)中空間格子的選取 以NaC1為例：棱方向：重復(fù)周期0.564nm， 面對(duì)角線方向：重復(fù)周期0.399nm。,NaC1的晶體結(jié)構(gòu)模型,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象： 首先，在結(jié)構(gòu)中任選一幾何點(diǎn)（氯離子 或鈉離子的中心，或其它任意一點(diǎn)）； 以此點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，把結(jié)構(gòu)中這樣的點(diǎn)全找 出來(lái)等同點(diǎn)或相當(dāng)點(diǎn)。,NaC1結(jié)構(gòu)一個(gè)平面內(nèi) Cl- 和Na+以及相當(dāng)點(diǎn)的分布,相當(dāng)點(diǎn)的條件： 如果原始點(diǎn)選在質(zhì)點(diǎn)中心，則所有質(zhì)點(diǎn)的種類(lèi)要相同。 相當(dāng)點(diǎn)周?chē)沫h(huán)境要相同。即相當(dāng)點(diǎn) 周?chē)嗤较蛏弦邢嗤馁|(zhì)點(diǎn)。,相當(dāng)點(diǎn)的分布，能夠反

6、映晶體結(jié)構(gòu)中 所有質(zhì)點(diǎn)的重復(fù)規(guī)律。 相當(dāng)點(diǎn)在平面內(nèi)分布，構(gòu)成平面點(diǎn)陣 （平面格子）；相當(dāng)點(diǎn)在三維空間分 布，構(gòu)成空間點(diǎn)陣（空間格子）。,右圖為NaC1結(jié)構(gòu)的基本單 元（晶胞），在1mm3的晶 體中大約有71017個(gè)這樣 的單元。它與宏觀的尺碼相 比非常小，因此，空間格子 被看成是是無(wú)限圖形。,NaC1晶胞,1.4.3空間格子要素 結(jié)點(diǎn)：空間格子中的點(diǎn)，代表從晶 體結(jié)構(gòu)中選取的相當(dāng)點(diǎn)。 在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，結(jié)點(diǎn)的位置可以 同種質(zhì)點(diǎn)所占據(jù)，但結(jié)點(diǎn)本身只有幾 何意義，為幾何點(diǎn)。, 行列：分布在同一直線上的結(jié)點(diǎn)構(gòu)成 行列。顯然，由任意兩結(jié)點(diǎn)就決定一個(gè) 行列。,空間格子中的行列,結(jié)點(diǎn)間距：一個(gè)行列中相鄰兩

7、結(jié)點(diǎn)間的 距離為該行列的結(jié)點(diǎn)間距。 同一行列的結(jié)點(diǎn)間距相同； 相互平行的行列，結(jié)點(diǎn)間距相同； 不同方向的行列，結(jié)點(diǎn)間距一般不同。,面網(wǎng)：結(jié)點(diǎn)在平面上的分布即構(gòu)成面 網(wǎng)。顯然，任意兩相交的行列即可構(gòu)成 一個(gè)面網(wǎng),空間格子中的面網(wǎng),面網(wǎng)密度：面網(wǎng)上單位面積的結(jié)點(diǎn)數(shù)。 相互平行的面網(wǎng)，面網(wǎng)密度相同； 互不平行的面網(wǎng)，面網(wǎng)密度一般不同。,單位平行六面體 在三維空間中，空間格子劃 分出一個(gè)最小的重復(fù)單位， 其大小和形狀由三條交棱的 長(zhǎng)短和交角大小決定。,單位平行六面體,在三位空間移動(dòng)單位平行六面體，就 可以重復(fù)出整個(gè)空間格子。,空間格子,1.5 晶體的基本性質(zhì) 自限性（自范性） 晶體在合適的條件下，能自

8、發(fā)地長(zhǎng)成規(guī) 則幾何多面體外形。,晶體的自范性圖解,各異向性 晶體的幾何度量和物理性質(zhì)常隨方向 不同而表現(xiàn) 出量的差異。 例：NaC1晶體在a、b+c、a+b+c方向 上抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度比為1：2：4。,NaC1晶體的抗拉強(qiáng)度的異向性 （單位：g/mm2）,晶體結(jié)構(gòu)的不同方向， 質(zhì)點(diǎn)的排列方式不同,均一性 同一晶體任何部位的物理性質(zhì)和化學(xué)組 成均相同。 如何理解晶體異向性和均一性的統(tǒng)一？,對(duì)稱性 所有的晶體都是對(duì)稱的。晶體的對(duì)稱 不但表現(xiàn)在外形上，其內(nèi)部構(gòu)造和物 理性質(zhì)也是對(duì)稱的。,穩(wěn)定性 在相同的熱力學(xué)條件下，晶體與同種成 分的非晶質(zhì)體、液體、氣體相比，以晶 體最為穩(wěn)定。,定熔性 指晶體具有固

9、定熔點(diǎn)的性質(zhì)。,晶體的加熱曲線,t,熔點(diǎn),非晶質(zhì)體的加熱曲線,晶體的加熱曲線,t,熔點(diǎn),非晶質(zhì)體的加熱曲線,1.6非晶質(zhì)體 無(wú)定形固體； 不具格子構(gòu)造； 內(nèi)部結(jié)構(gòu)是統(tǒng)計(jì)均一的各向同性體； 沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。,石英晶體（左）和石英玻璃（右）,晶體欣賞,纖維狀蛇紋石石棉晶體,針狀輝銻礦晶體(antimonite, Sb2S3),片狀云母晶體,金剛石晶體 Diamond in kimberlite Approx. 1 x 1 x 1 cm,電氣石晶體(Tourmaline),天河石晶體Amazonite,天河石晶體Amazonite,鐵鋁榴石almandine,鉻釩鈣鋁榴石Grossulars,。,透石膏中的自然銅晶體,高嶺土(Kaolinite),高嶺石晶體(Kaolinite),高嶺石晶體(Kaolini