第一章 晶体的基本性质PPT讲稿.ppt

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1、第一章 晶体的基本性质1第1页，共32页，编辑于2022年，星期二第一部分 结晶学基础第一章第一章 晶体及其基本性质（晶体及其基本性质（2 2学时）学时）第二章第二章晶体的宏观对称（晶体的宏观对称（6+26+2学时）学时）第三章第三章 晶体的定向和晶面符号（晶体的定向和晶面符号（6+46+4学时）学时）第四章第四章 单形和聚形（单形和聚形（2 2学时）学时）第五章第五章 晶体内部结构的微观结构（晶体内部结构的微观结构（2 2学时）学时）第六章第六章 晶体化学（晶体化学（4 4学时学时）2第2页，共32页，编辑于2022年，星期二第一章第一章 晶体和空间格子晶体和空间格子 从几何意义上掌握从几何

2、意义上掌握晶体和空间格子的概念晶体和空间格子的概念，空间格子空间格子的获取过程的获取过程和和空间格子的基本要素空间格子的基本要素，要求能够从几何意义上，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，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。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。教学大纲要求教学大纲要求重点和难点重点和难点重点：重点：晶体和空间格子的概念、空间格子的获取和晶体和空间格子的概念、空间格子的获取和 晶晶体的基本性质。体的基本性质。难点：难点：空间格子的获取及其几何意义。空间格子的

3、获取及其几何意义。3第3页，共32页，编辑于2022年，星期二一一.晶体：晶体：晶体晶体和非晶体。和非晶体。二二.空间格子：空间格子：(1)(1)空间格子和相当点空间格子和相当点的概念的概念(2)(2)空间格子的获取空间格子的获取三三.空间格子的基本要素空间格子的基本要素(1)(1)结点结点;(2);(2)行列行列;(3);(3)面网面网;(4);(4)平行六面体平行六面体四四.晶体的基本性质晶体的基本性质（1 1）自限性；（）自限性；（2 2）均一性；（）均一性；（3 3）异向性；（）异向性；（4 4）对）对称性；（称性；（5 5）最小内能（）最小内能（6 6）稳定性。）稳定性。主要内容主要

4、内容4第4页，共32页，编辑于2022年，星期二 石英（石英（Quartz）铬铅矿（铬铅矿（Crocoite）一.晶体的概念晶体的概念什么是晶体？什么是晶体？5第5页，共32页，编辑于2022年，星期二 电气石电气石(Tourmaline)石膏石膏(Gypsum)钼铅矿钼铅矿(Wulfenite)6第6页，共32页，编辑于2022年，星期二祖母绿祖母绿(Emerald Brooch)钻石钻石(Diamond)金刚石金刚石(Diamond)7第7页，共32页，编辑于2022年，星期二石榴子石石榴子石(Garnet)火蛋白石火蛋白石(Fire Opals)8第8页，共32页，编辑于2022年，星期

5、二紫锂辉石紫锂辉石(Kunzite)软玉软玉(Nephrite)常林钻石常林钻石重重158.786克拉克拉9第9页，共32页，编辑于2022年，星期二 晶体的远古定义（从现象）：晶体的远古定义（从现象）：能自发生成规则几何多面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。体形状的固体。显然，该定义不够严谨。晶体晶体晶体晶体具有格子构造的固体具有格子构造的固体,或内部或内部 质点在三维空间成周期性重复质点在三维空间成周期性重复 排列构成的固体。排列构成的固体。homogeneous solid containing long-range order in three dimensio

6、nal space.晶体的定义是什么？晶体的定义是什么？10第10页，共32页，编辑于2022年，星期二 研究表明，数以千计的不同种类晶体尽研究表明，数以千计的不同种类晶体尽管各种晶体的结构各不相同，但都具有管各种晶体的结构各不相同，但都具有格子格子状构造状构造，这是一切晶体的共同属性。，这是一切晶体的共同属性。与晶体结构相反，内与晶体结构相反，内部质点不作周期性的部质点不作周期性的重复排列的固体，即重复排列的固体，即称为称为非晶质体非晶质体。11第11页，共32页，编辑于2022年，星期二水晶水晶 玻璃玻璃晶体晶体:短短(或近或近)程有序程有序,长长(远远)程有序程有序非晶体非晶体:短短(或

7、近或近)程有序程有序,长长(远远)程无序程无序12第12页，共32页，编辑于2022年，星期二二二.空间格子的概念与获得空间格子的概念与获得（1 1）空空间间格格子子是是表表示示晶晶体体内内部部结结构构中中质质点点周周期期性性重复排列规律的重复排列规律的几何图形几何图形。（2 2）等等同同点点或或相相当当点点：点点的的内内容容(或或种种类类)相相同同;点点的的周围环境相同。周围环境相同。（3 3）空间格子的获得：）空间格子的获得：首先必须找出晶体结构中的相当点；首先必须找出晶体结构中的相当点；按按照照一一定定的的规规则则将将相相当当点点连连接接起起来来，就就形形成成了了空间格子。空间格子。13

8、第13页，共32页，编辑于2022年，星期二石盐的晶体结构14第14页，共32页，编辑于2022年，星期二空间格子的获得：空间格子的获得：qq A ANaClNaCl中沿中沿中沿中沿y y轴轴NaNa+和和和和ClCl-排列的情况排列的情况排列的情况排列的情况 qq B BNaNa+的直的直的直的直线线排列排列排列排列 qq C C抽象抽象抽象抽象为为直直直直线线点点点点阵阵 等同点或相当点等同点或相当点(1)点的内容点的内容(或种类或种类)相同相同;(2)点的周围环点的周围环境相同境相同.一维图案一维图案15第15页，共32页，编辑于2022年，星期二二维图案二维图案qq(a)(a)NaCl

9、NaCl中中中中xyxy平面平面平面平面NaNa+和和和和ClCl-排列的情况排列的情况排列的情况排列的情况qq(b)(b)NaNa+或或或或ClCl-的平面排列的平面排列的平面排列的平面排列 qq(c)(c)抽象为平面点阵抽象为平面点阵抽象为平面点阵抽象为平面点阵 (c)16第16页，共32页，编辑于2022年，星期二三维图案三维图案左左NaCl中中Na+和和和和ClCl-排列的情况排列的情况排列的情况排列的情况 右抽象为空间点阵右抽象为空间点阵右抽象为空间点阵右抽象为空间点阵 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

10、间作格子状排列，我们称为等同点在三维空间作格子状排列，我们称为空间格子空间格子。同一晶体结构，其空间格子一定是固定和相同的。同一晶体结构，其空间格子一定是固定和相同的。17第17页，共32页，编辑于2022年，星期二18第18页，共32页，编辑于2022年，星期二 （1）结点）结点（2）行列）行列（3）面网）面网（4）平行六面体）平行六面体三.空间格子的基本要素19第19页，共32页，编辑于2022年，星期二l空空间间格格子子中中的的点点，代代表表晶晶体体结结构构中的中的等同点等同点。l为为几何点几何点，只有几何意义。，只有几何意义。l在在实实际际晶晶体体中中，结结点点的的位位置置一一定是由定

11、是由同种质点同种质点所占据。所占据。（1 1）结点（格点）结点（格点）l实际晶体中的同种质点并不一定只占据在同一套结点上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。（在P4P4图图1-2a1-2a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找出3 3套相当点。）套相当点。）20第20页，共32页，编辑于2022年，星期二l 结结点点在在直直线线上上的的排排列列即即构构成成行行列。列。l结结点点间间距距：行行列列上上两两个个相相邻邻结结点点间间的的距距离离，即即最最小小重重复复周周期。期。（2 2）行列）行列l同一行列中的结

12、点间距必然是相等的。同一行列中的结点间距必然是相等的。l相互平行的行列，其结点间距必定相等；相互平行的行列，其结点间距必定相等；l不相平行的行列，一般说其结点间距亦不相等。不相平行的行列，一般说其结点间距亦不相等。21第21页，共32页，编辑于2022年，星期二（3 3）面网）面网l结点在平面上的分布即构成面网。结点在平面上的分布即构成面网。l面网密度面网密度：面网上单位面积内的结点数。面网上单位面积内的结点数。l面网间距：面网间距：任意两相邻面网间的垂直距任意两相邻面网间的垂直距离。离。l相互平行的面网，其面网密度及面网间距必然相同。相互平行的面网，其面网密度及面网间距必然相同。l互不平行的

13、面网，其面网密度及面网间距一般不同。互不平行的面网，其面网密度及面网间距一般不同。l面网密度大的面网其面网间距亦大，反之，密度小，间距亦小。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第22页，共32页，编辑于2022年，星期二l是空间格子的最小重复单位。是空间格子的最小重复单位。l平行六面体的大小和形状可由平行六面体的大小和形状可由结点间距结点间距a、b、c及其相互之及其相互之间的交角间的交角a a、b b、g g 表示，它表示，它们被称为点阵参数。具体详见们被称为点阵参数。具体详见第七章。第七章。（4 4）平行六面体）平行六面体23第23页，共32页，编辑于2022年，星期

14、二自限性自限性：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。均均一一性性：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。非非晶晶质质体体也具有其均一性，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

15、近似的均一，称为统统计计均均一一性性；而晶体晶体的均一性是取决于其格子构造的，称为结晶均一性结晶均一性。四.晶体的基本性质24第24页，共32页，编辑于2022年，星期二异向性：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n1和n2,则有 F(n1)F(n2)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

16、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第25页，共32页，编辑于2022年，星期二稳定性稳定性：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第26页，共32页，编辑于2022年，星期二研究简史：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，

17、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：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第27页，共32页，编辑于2022年，星期二现代结晶学的几个分支：1、晶体生成学：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：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：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：晶体化学：研究

18、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：晶体物理学：研究晶体的各项物理性质及其产生的机 理。28第28页，共32页，编辑于2022年，星期二l晶体晶体：具有格子构造的固体。：具有格子构造的固体。l空间格子空间格子：是表示晶体内部结构中：是表示晶体内部结构中质点质点周期性重复周期性重复排列规律的排列规律的几何图形。几何图形。l等同点或相当点：等同点或相当点：点的内容点的内容(或种类或种类)相同相同;点的周点的周围环境相同。围环境相同。l空间格子的获得：空间格子的获得：首先必须找出晶体结构中的相当首先必须找出晶体结构中的相当点点按照一定的规则将相当点连接

19、起来，就形成了空按照一定的规则将相当点连接起来，就形成了空间格子。间格子。l从从几几何何意意义义上上正正确确区区分分晶晶体体结结构构和和空空间间格格子子、晶晶胞胞与平行六面体的差异。与平行六面体的差异。l晶晶体体的的基基本本性性质质：自自限限性性，均均一一性性，各各向向异异性性，对对称性，最小内能，稳定性。称性，最小内能，稳定性。六六.总结总结29第29页，共32页，编辑于2022年，星期二 1.1.晶体与非晶体最本质的区别是什么晶体与非晶体最本质的区别是什么?准晶体是一种什准晶体是一种什么物态么物态?2.2.在某一晶体结构中，同种质点都是相当点吗在某一晶体结构中，同种质点都是相当点吗?为什么

20、为什么?3.3.找出图找出图1-2 a1-2 a中晶体平面结构中氧或硅原子的相当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）。点并画出平面空间格子（即面网）。4.4.面网密度大的面网，其面网间距也大，这种说法对不对面网密度大的面网，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。？试画简图加以定性的说明。思考题思考题30第30页，共32页，编辑于2022年，星期二4.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图图 B图图31第31页，共32页，编辑于2022年，星期二A图图 B图图32第32页，共32页，编辑于2022年，星期二