晶体的基本性质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,结晶学及矿物学,1,第一部分 结晶学基础,第一章,晶体及其基本性质（2学时）,第二章,晶体的宏观对称（6+2学时）,第三章,晶体的定向和晶面符号（6+4学时）,第四章,单形和聚形（2学时）,第五章,晶体内部结构的微观结构（2学时）,第六章,晶体化学（4学时,）,2,第一章 晶体和空间格子,从几何意义上掌握,晶体和空间格子的概念,，,空间格子的获取过程,和,空间格子的基本要素,，要求能够从几何意义上正确区分晶体结构和空间格子、晶胞与平行六面体的差异，掌握晶体的基本性质，以便为后续内容的掌握奠定良好基础。,教学大纲要求,重点和难点,重点：,晶体和空间格子的概念、空间格子的获取和 晶体的基本性质。,难点：,空间格子的获取及其几何意义。,3,一.晶体：,晶体,和非晶体。,二.空间格子：,(1),空间格子和相当点,的概念,(2),空间格子的获取,三.空间格子的基本要素,(1)结点;(2)行列;(3)面网;(4)平行六面体,四.晶体的基本性质,（1）自限性；（2）均一性；（3）异向性；（4）对称性；（5）最小内能（6）稳定性。,主要内容,4,石英（Quartz）,铬铅矿（Crocoite）,一.,晶体的概念,什么是晶体？,5,电气石(Tourmaline),石膏(Gypsum),钼铅矿(Wulfenite),6,祖母绿(Emerald Brooch),钻石(Diamond),金刚石(Diamond),7,石榴子石(Garnet),火蛋白石(Fire Opals),8,紫锂辉石(Kunzite),软玉(Nephrite),常林钻石,重,158.786,克拉,9,晶体的远古定义（从现象）：,能自发生成规则几何多面体形状的固体。显然，该定义不够严谨。,晶体,具有格子构造的固体,或内部,质点在三维空间成周期性重复,排列构成的固体。,homogeneous solid containing,long-range order in three dimensional,space,.,晶体的定义是什么？,10,研究表明，数以千计的不同种类晶体尽管各种晶体的结构各不相同，但都具有,格子状构造,，这是一切晶体的共同属性。,与晶体结构相反，内部质点不作周期性的重复排列的固体，即称为,非晶质体,。,11,水晶 玻璃,晶体:短(或近)程有序,长(远)程有序,非晶体:短(或近)程有序,长(远)程无序,12,二.空间格子的概念与获得,（1）空间格子,是表示晶体内部结构中,质点,周期性重复排列规律的,几何图形,。,（2）等同点或相当点：,点的内容(或种类)相同;点的周围环境相同。,（3）空间格子的获得：,首先必须找出晶体结构中的相当点；,按照一定的规则将相当点连接起来，就形成了空间格子。,13,石盐的晶体结构,14,空间格子的获得：,A,NaCl,中沿,y,轴,Na,+,和,Cl,-,排列的情况,B,Na,+,的直线排列,C,抽象为直线点阵,等同点或相当点,(1),点的内容,(,或种类,),相同,;(2),点的周围环境相同,.,一维图案,15,二维图案,(a),NaCl,中,xy,平面,Na,+,和,Cl,-,排列的情况,(b),Na,+,或,Cl,-,的平面排列,(c),抽象为平面点阵,(c),16,三维图案,左NaCl中Na,+,和Cl,-,排列的情况,右抽象为空间点阵,等同点的分布可以体现晶体结构中所有质点的重复规律。,等同点在三维空间作格子状排列，我们称为,空间格子,。,同一晶体结构，其空间格子一定是固定和相同的。,17,18,（1）结点,（2）行列,（3）面网,（4）平行六面体,三.空间格子的基本要素,19,空间格子中的点，代表晶体结构中的,等同点,。,为,几何点,，只有几何意义。,在实际晶体中，结点的位置一定是由,同种质点,所占据。,（1）结点（格点）,实际晶体中的同种质点并不一定只占据在同一套结点上,。（在,P4,图,1-2a,中以硅原子为对象可找出两套相当点，以氧原子为对象可找出,3,套相当点。）,20,结点在直线上的排列即构成行列。,结点间距：,行列上两个相邻结点间的距离，即最小重复周期。,（2）行列,同一行列中的结点间距必然是相等的。,相互平行的行列，其结点间距必定相等；,不相平行的行列，一般说其结点间距亦不相等。,21,（3）面网,结点在平面上的分布即构成面网。,面网密度,：,面网上单位面积内的结点数。,面网间距：,任意两相邻面网间的垂直距离。,相互平行的面网，其面网密度及面网间距必然相同。,互不平行的面网，其面网密度及面网间距一般不同。,面网密度大的面网其面网间距亦大，反之，密度小，间距亦小。,22,是空间格子的最小重复单位。,平行六面体的大小和形状可由结点间距,a,、,b,、,c,及其相互之间的交角,a,、,b,、,g,表示，它们被称为点阵参数。具体详见第七章。,（4）平行六面体,23,自限性,：,晶体能自发地形成封闭的凸几何多面体外形的特性。,任何晶体在生长过程中，只要有适宜的空间条件，它们都能自发地长成规则几何多面体。晶体为平的晶面所包围，晶面相交成直的晶棱，晶棱相交会聚成尖的角顶。晶面、晶棱和角顶分别与格子构造中的面网、行列和结点相对应。晶体多面体形态受格子构造制约，它服从于一定的结晶学规律。,均一性,：晶体内部任意两个部分的化学组成和物理性质是等同的。可以用数学公式来表示,设在晶体的,x,处和,x,+,x,处取得小晶体,则,F,(,x,),F,(,x,+,x,),此处F表示化学组成和性质等物理量度。,非晶质体,也具有其均一性，但由于非晶质体的质点排列不具有格子构造，所以其均一性是统计的、平均近似的均一，称为,统计均一性,；而,晶体,的均一性是取决于其格子构造的，称为,结晶均一性,。,四.晶体的基本性质,24,异向性：,晶体的几何量度和物理性质与其方向性有关。设在晶体任意取两个方向n,1,和n,2,则有,F,(n,1,),F,(n,2,),即在不同方向上,晶体的几何量度和物理性质均有所差异。,对称性,：指晶体中相同部分（如外形上的相同晶面、晶棱，内部结构中的相同面网、行列或原子、离子等）或性质，能够在不同的方向或位置上有规律重复出现的特性。,最小内能性:,在相同的热力学条件下，与同种化学成分的气体、液体及非晶质体相比，以晶体的内能为最小。,内能,=,动能,+,势能,质点在平衡点 质点间相对,周围作无规则 位置所产生,振动的能量 能量,25,稳定性,：,在相同的热力学条件下，具有相同化学成分的晶体和非晶质体相比，晶体是稳定的，而非晶质体是不稳定的,。对于化学成分相同的物质，以不同的物理状态存在时，其中以结晶状态最为稳定。这一性质与晶体的内能最小是吻合的。在没有外加能量的情况下，晶体是不会自发地向其它物理状态转变的。,26,研究简史：,1000多年前，认识了石英和石盐具有规则的外 形；,17世纪中叶前，以外形研究为主；,1912年，X射线晶体衍射实验成功，结晶学进入快速发展阶,段；,19世纪中叶开始对晶体内部结构探索，逐渐发展成为一门,独立的学科；,20世纪初,内部结构的理论探索。,结晶学的研究意义：,是矿物学的基础,是材料科学的基础,是生命科学的基础 .,五.研究简史及主要分支,27,现代结晶学的几个分支：,1、,晶体生成学：,研究天然及人工晶体的发生、成长和变,化的过程与机理，以及控制和影响它们的因素。,2、,几何结晶学：,研究晶体外表几何多面体的形状及其规,律性。,3、,晶体结构学：,研究晶体内部结构中质点排列的规律,性，以及晶体结构的不完善性。,4、,晶体化学：,研究晶体的化学组成与晶体结构以及晶体,的物理、化学性质之间关系的规律性。,5、,晶体物理学：,研究晶体的各项物理性质及其产生的机,理。,28,晶体,：具有格子构造的固体。,空间格子,：,是表示晶体内部结构中,质点,周期性重复排列规律的,几何图形。,等同点或相当点：,点的内容,(,或种类,),相同,;,点的周围环境相同。,空间格子的获得：,首先必须找出晶体结构中的相当点,按照一定的规则将相当点连接起来，就形成了空间格子。,从几何意义上正确区分晶体结构和空间格子、晶胞与平行六面体的差异。,晶体的基本性质：,自限性，均一性，各向异性，对称性，最小内能，稳定性。,六.总结,29,1.晶体与非晶体最本质的区别是什么?准晶体是一种什么物态?,2.在某一晶体结构中，同种质点都是相当点吗?为什么?,3.找出图1-2 a中晶体平面结构中氧或硅原子的相当点并画出平面空间格子（即面网）。,4.面网密度大的面网，其面网间距也大，这种说法对不对？试画简图加以定性的说明。,思考题,30,4.以Si为原始几何点，找出它的相当点，画出空间格子的平面格子；以O为原始几何点，找出它的相当点，画出相应的空间格子的平面格子。这两种情况下画出的平面格子相同吗？为什么？,A图 B图,31,A图 B图,32,