晶体结构和空间点阵精选课件.ppt

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1、关于晶体结构和空间点阵第一页，本课件共有43页物质：气态物质：气态 液态液态 固态固态固态物质：晶体固态物质：晶体 非晶体非晶体2.1 2.1 晶体学基础晶体学基础空间点阵和晶胞、晶向指数和晶面指数、晶带、空间点阵和晶胞、晶向指数和晶面指数、晶带、晶面间距、倒易点阵、晶体的对称性、晶面间距、倒易点阵、晶体的对称性、第二页，本课件共有43页 1 1、晶体、晶体晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特征开始晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特征开始在在古古代代，无无论论中中外外，都都把把具具有有规规则则的的几几何何多多面面体体形形态的水晶称为晶体态的水晶称为晶体凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体

2、形态的凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态的固体都称之为晶体固体都称之为晶体以上两种定义都是不正确的以上两种定义都是不正确的一、晶体的基本概念一、晶体的基本概念第三页，本课件共有43页v19121912年年，X X射射线线晶晶体体衍衍射射实实验验成成功功，对对晶晶体体的的研研究究从从晶晶体体的的外外部部进进入入到到晶晶体体的的内内部部，使使结结晶晶学学进进入入一一个个崭崭新新的发展阶段。的发展阶段。v现现已已证证明明，一一切切晶晶体体不不论论其其外外形形如如何何，它它的的内内部部质质点点（原原子子、离离子子或或分分子子）都都是是在在三三维维空空间间有有规规律律排排列列，主主要要表表现现为为

3、同同种种质质点点的的周周期期重重复复，构构成成了了所所谓谓的的“空间格子空间格子”。v所有晶体都具有格子构造所有晶体都具有格子构造晶体的共同特点。晶体的共同特点。第四页，本课件共有43页Cl-Na+v晶体的正确的定义：晶体的正确的定义：晶体是内部质点在三维空晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体；或者说晶体就是间呈周期性重复排列的固体；或者说晶体就是具有空间格子的固体。具有空间格子的固体。石石 盐盐 晶晶 体体 结结 构构第五页，本课件共有43页无色水晶无色水晶无色水晶无色水晶第六页，本课件共有43页钻石原石钻石原石第七页，本课件共有43页2 2、非晶体、非晶体 v有些状似固体的物质如

4、玻璃、琥珀、松香等，它们有些状似固体的物质如玻璃、琥珀、松香等，它们的的内部质点不作规则排列，不具有格子构造，称为非内部质点不作规则排列，不具有格子构造，称为非晶体。晶体。v从内部结构看，非晶体中质点的分布颇似于液体，严格从内部结构看，非晶体中质点的分布颇似于液体，严格地说，它们不是固体，是过冷液体。地说，它们不是固体，是过冷液体。v只有晶体才能称为真正的固体。只有晶体才能称为真正的固体。第八页，本课件共有43页晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。晶体和非晶体的两大性能区别晶

5、体和非晶体的两大性能区别:例如：玻璃、石蜡和沥青等都是非晶体，冰块、NaCl、ZnS 等都是晶体。各向同性各向同性各向异性各向异性固定熔点固定熔点熔化范围熔化范围 熔熔 点：点：晶体晶体非晶体非晶体方向性：方向性：第九页，本课件共有43页（1）自限性自限性：晶体具有：晶体具有自发的自发的形成规则几何外形的形成规则几何外形的 性质。性质。（2）均匀性均匀性：晶体不同部分的：晶体不同部分的宏观性质宏观性质相同相同（3）各项异性各项异性：晶体在不同方向上的物理性质不：晶体在不同方向上的物理性质不 同，即沿不同方向观察晶体内部粒子可以看到同，即沿不同方向观察晶体内部粒子可以看到 不同的排列情况。不同的

6、排列情况。晶体的性质：晶体的性质：第十页，本课件共有43页（4）对称性对称性：晶体的相同性质在不同方向或位置上有：晶体的相同性质在不同方向或位置上有 规律的重复出现，晶体的各项异性并不排除在某些规律的重复出现，晶体的各项异性并不排除在某些特定方向上可以具有异向同性。特定方向上可以具有异向同性。（5）稳定性：晶体内部粒子的规则排列是粒子之间引）稳定性：晶体内部粒子的规则排列是粒子之间引力和斥力相互作用的结果，在相同的热力学条件下，力和斥力相互作用的结果，在相同的热力学条件下，晶体的内能最小，从而具有稳定性。晶体的内能最小，从而具有稳定性。晶体的以上性质都是晶体内部粒子规则排列的外在反晶体的以上性

7、质都是晶体内部粒子规则排列的外在反映。映。第十一页，本课件共有43页v晶体非晶体可以相互转化，由外部环境条件和加工晶体非晶体可以相互转化，由外部环境条件和加工制备方法而定。制备方法而定。u玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃u通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得 到非晶态到非晶态u获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法）第十二页，本课件共有43页2.1.1 空间点阵和晶胞空间点阵和晶胞阵点阵点实际晶体的质点在三维空间可以有无限多种排列方式，为了便实际

8、晶体的质点在三维空间可以有无限多种排列方式，为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。列于空间的几何点，称之为阵点。第十三页，本课件共有43页 这些阵点在空间呈这些阵点在空间呈周期性规则排列周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。空间点阵空间点阵

9、为了说明点阵排列的规律与特点，在点阵中取出一个具有代表为了说明点阵排列的规律与特点，在点阵中取出一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。晶晶 胞胞第十四页，本课件共有43页晶胞a c b a c b第十五页，本课件共有43页图 空间点阵第十六页，本课件共有43页晶胞选取的原则晶胞选取的原则同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞第十七页，本课件共有43页晶胞选取的原则晶胞选

10、取的原则v选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；v平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；v当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多；最多；v当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。第十八页，本课件共有43页v晶轴：晶胞的三条棱的长度就是点阵沿这些方向的周期，这三体棱晶轴：晶胞的三条棱的长度就是点阵沿这些方向的周期，这三体棱就叫晶轴。就叫晶轴。v晶胞棱边长度晶胞棱边长度a、b、c，其单位为，其单位为nm,棱间夹

11、角棱间夹角、。这六个参数叫。这六个参数叫做点阵常数。做点阵常数。v晶胞的大小由三条棱的长度决定，晶胞的形状取决于这些棱的夹角。晶胞的大小由三条棱的长度决定，晶胞的形状取决于这些棱的夹角。第十九页，本课件共有43页v任何晶体的晶胞都可以看成是平行六面体，不同晶体任何晶体的晶胞都可以看成是平行六面体，不同晶体的区别在于：的区别在于：v（1）不同晶体的晶胞其大小和形状不同）不同晶体的晶胞其大小和形状不同v（2）围绕每个接点的原子种类、数量及分布不同。）围绕每个接点的原子种类、数量及分布不同。第二十页，本课件共有43页v根据晶胞选取原则，所选出的空间点阵的晶胞可以分为两大类一类根据晶胞选取原则，所选出

12、的空间点阵的晶胞可以分为两大类一类为简单晶胞，即只在平行六面体的为简单晶胞，即只在平行六面体的 8个顶点上有结点，个顶点上有结点，v另一类为复合晶胞，除在平行六面体顶点位置含有结点之外，尚在体另一类为复合晶胞，除在平行六面体顶点位置含有结点之外，尚在体心、面心、底心等位置上存在结点。心、面心、底心等位置上存在结点。第二十一页，本课件共有43页所所以以根根据据晶晶胞胞中中结结点点的的分分布布情情况况，所所有有晶晶胞胞可可以以分分为为四四种种格格子子类类型型：原原始始格格子子、底底心心格格子子、体体心心格格子子和和面心格子面心格子。原始格子原始格子底心格子底心格子体心格子体心格子面心格子面心格子第

13、二十二页，本课件共有43页14种布拉菲点阵种布拉菲点阵根据根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型，即种类型，即7个晶系。个晶系。按照按照“每个阵点的周围环境相同每个阵点的周围环境相同“的要求，布拉菲用数学方法的要求，布拉菲用数学方法推导出能够反映空间点全部特征的单位平面六面体有推导出能够反映空间点全部特征的单位平面六面体有14种，种，这这14种空间点阵也称布拉菲点阵。布拉菲点阵充分反映了晶种空间点阵也称布拉菲点阵。布拉菲点阵充分反映了晶体的对称性。体的对称性。第二十三页，本课件共有43页第二十四页，本课件共有43页三斜：简单三

14、斜单斜：简单单斜 底心单斜第二十五页，本课件共有43页正交：简单正交 底心正交体心正交面心正交第二十六页，本课件共有43页菱方：简单菱方六方：简单六方第二十七页，本课件共有43页四方：简单四方 体心四方第二十八页，本课件共有43页立方：简单立方 体心立方 面心立方第二十九页，本课件共有43页空间点阵和晶胞的关系空间点阵和晶胞的关系同一空间点阵可因选取晶胞的方式不同而得出不同的晶胞同一空间点阵可因选取晶胞的方式不同而得出不同的晶胞体心立方体心立方面心立方面心立方简单菱方简单菱方简单三斜简单三斜新晶胞不能反映立方晶系空间点阵的对称性，故不能这样选取。新晶胞不能反映立方晶系空间点阵的对称性，故不能这

15、样选取。第三十页，本课件共有43页7428Delete the 14 types which are identical28281414+PICF第三十一页，本课件共有43页120o120o120o六方晶系只有简单六方点阵，六方晶系只有简单六方点阵，在简单六方点阵的上下面中心在简单六方点阵的上下面中心添加结点后是否形成一个新的添加结点后是否形成一个新的点阵点阵底心六方点阵，如果底心六方点阵，如果它满足六方晶系的对称性，那它满足六方晶系的对称性，那它就是一个新的点阵。它就是一个新的点阵。但是所形成的点阵不再具有但是所形成的点阵不再具有6次旋转对称，因而不再是六方晶系，次旋转对称，因而不再是六方晶

16、系，而带心点阵可以连成简单单斜点阵，因而不是新点阵。而带心点阵可以连成简单单斜点阵，因而不是新点阵。第三十二页，本课件共有43页为什么没有底心四方和面心四方？为什么没有底心四方和面心四方？如果存在，从上图可以看出，底心四方可以连成体积更小的如果存在，从上图可以看出，底心四方可以连成体积更小的简单四方点阵，面心四方可以连成体积更小的体心四方点阵，简单四方点阵，面心四方可以连成体积更小的体心四方点阵，因此不存在底心四方点阵和面心四方点阵。因此不存在底心四方点阵和面心四方点阵。第三十三页，本课件共有43页由上图可以看出。由上图可以看出。4个简单四方可以连成一个底心四方，个简单四方可以连成一个底心四方

17、，4个体心四方可以连成一个面心四方，但面积都比原来个体心四方可以连成一个面心四方，但面积都比原来大，这与晶胞的选取原则相抵触。大，这与晶胞的选取原则相抵触。第三十四页，本课件共有43页为什么不存在体心单斜和面心单斜点阵？为什么不存在体心单斜和面心单斜点阵？如果存在，由上图可以看出，如果存在，由上图可以看出，2个体心和面心单斜都可以连成个体心和面心单斜都可以连成一个底心单斜点阵，因而不是新的点阵。一个底心单斜点阵，因而不是新的点阵。第三十五页，本课件共有43页晶体结构和空间点阵的区别晶体结构和空间点阵的区别空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽

18、象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，它是由几何点在三维空间理想的周期性结构的周期性和对称性，它是由几何点在三维空间理想的周期性规则排列而成，由于各阵点的周围环境相同，它只能有规则排列而成，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14种类型。种类型。晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此实际存在体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此实际存在的晶体结构是无限的。的晶体结构是无限的。第三十六页，本课件共有43页上图是金属中常见的密排六方晶体结构，但它不能看作一种上图是金属中常见的密排六方晶体

19、结构，但它不能看作一种空间点阵，这是因为位于晶胞内的原子与晶胞角上的原子具空间点阵，这是因为位于晶胞内的原子与晶胞角上的原子具有不同的周围环境，这样的晶体结构应属简单六方点阵。有不同的周围环境，这样的晶体结构应属简单六方点阵。第三十七页，本课件共有43页晶体结构和空间点阵的区别晶体结构和空间点阵的区别图 几种晶体结构的点阵分析(a)-Fe (b)NaCl (c)CaF2 (d)ZnS 尽管它们的晶体结构完全不同，但是它们的点阵类型相同，都是面心立方尽管它们的晶体结构完全不同，但是它们的点阵类型相同，都是面心立方。第三十八页，本课件共有43页晶体结构和空间点阵的区别晶体结构和空间点阵的区别任何一

20、种晶体都有它自己的特定的晶体结构，不可能有两种晶体任何一种晶体都有它自己的特定的晶体结构，不可能有两种晶体具有完全相同的晶体结构。因此，晶体结构的数目极多，为了便具有完全相同的晶体结构。因此，晶体结构的数目极多，为了便于研究晶体，可把它抽象为空间点阵。于研究晶体，可把它抽象为空间点阵。第三十九页，本课件共有43页v晶体结构晶体结构=结构基元结构基元+空间点阵空间点阵v晶体结构是在每个空间点阵点上安放一个结构基元。晶体结构是在每个空间点阵点上安放一个结构基元。v晶体结构是由结构基元在三维空间呈周期性重复排列，把结构基晶体结构是由结构基元在三维空间呈周期性重复排列，把结构基元抽象成一个点，晶体结构就抽象成空间点阵。元抽象成一个点，晶体结构就抽象成空间点阵。第四十页，本课件共有43页一个晶体结构抽象成空间点阵的基本规则是：每一个点各自的物一个晶体结构抽象成空间点阵的基本规则是：每一个点各自的物理和几何环境应该完全相同，这些点称为等同点。理和几何环境应该完全相同，这些点称为等同点。第四十一页，本课件共有43页第四十二页，本课件共有43页感谢大家观看第四十三页，本课件共有43页