晶体结构与空间点阵

晶体结构与空间点阵第一页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

教学目标

学习要点

通过本章学习，掌握表达晶体周期性结构与它的点阵的各种概念；掌握晶面指数与晶向指数的标定，晶面间距与晶面夹角的表达；倒易点阵。

⑴晶体结构周期性与点阵。⑵7个晶系和14种Bravias空间格子。⑶晶胞，晶带，晶向，晶面，晶面间距，晶面夹角。(4)倒易点阵

学时安排

学时-----2学时第二页，共五十三页，编辑于2023年，星期日2.1.1空间点阵（SpaceLattice）晶体结构的几何特征是其结构基元（原子、离子、分子或其它原子集团）一定周期性的排列。通常将结构基元看成一个相应的几何点，而不考虑实际物质内容。这样就可以将晶体结构抽象成一组无限多个作周期性排列的几何点。这种从晶体结构抽象出来的，描述结构基元空间分布周期性的几何点，称为晶体的空间点阵。几何点为阵点。2.1、晶体结构与空间点阵第三页，共五十三页，编辑于2023年，星期日

点阵点是代表结构基元在空间重复排列方式的抽象的点。如果在晶体点阵中各点阵点位置上，按同一种方式安置结构基元，就得整个晶体的结构。

所以可简单地将晶体结构示意表示为：晶体结构=点阵+结构基元结构基元在晶体的点阵结构中每个阵点所代表的具体内容，包括原子或分子的种类和数量及其在空间按一定方式排列的结构，称为晶体的结构基元。结构基元是指重复周期中的具体内容。点阵点第四页，共五十三页，编辑于2023年，星期日2.1.2基本矢量与晶胞

一个结点在空间三个方向上，以a,b,c重复出现即可建立空间点阵。重复周期的矢量a,b,c称为点阵的基本矢量。由基本矢量构成的平行六面体称为点阵的单位晶胞。第五页，共五十三页，编辑于2023年，星期日同一个点阵可以由不同的平行六面体晶胞叠成。即可以任意选择不同的坐标系与基本矢量来表示。为了表达最简单，应该选择最理想、最适当的基本矢量作为坐标系统。即是以结点作为坐标原点，（1）选取基本矢量长度相等的数目最多、（2）其夹角为直角的数目最多，且（3）晶胞体积最小。这样的基本矢量构成的晶胞称为布拉菲（BRAVAIS）晶胞。布拉菲晶胞每一个点阵只有一个最理想的晶胞即布拉菲晶胞。第六页，共五十三页，编辑于2023年，星期日2.1.3布拉菲点阵法国晶体学家A.Bravais研究表明，按照上述三原则选取的晶胞只有14种，称为14种布拉菲点阵。14种布拉菲点阵分属7个晶系中。第七页，共五十三页，编辑于2023年，星期日14种空间点阵形式第八页，共五十三页，编辑于2023年，星期日按晶胞中阵点位置的不同可将14种布拉菲点阵分为四类：简单(P)体心(I)面心(F)底心(C)阵点坐标的表示方法：

以晶胞的任意顶点为坐标原点，以与原点相交的三个棱边为坐标轴，分别用点阵周期（a,b,c）为度量单位。第九页，共五十三页，编辑于2023年，星期日晶胞中的原子计数在晶胞不同位置的原子由不同数目的晶胞分享：顶角原子：1/8棱上原子：1/4面上原子：1/2晶胞内部：1第十页，共五十三页，编辑于2023年，星期日◆简单点阵（P）只在晶胞的顶点上有阵点，每个晶胞只有一个阵点，阵点坐标为000第十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期日◆体心点阵，I除8个顶点外，体心上还有一个阵点，因此，每个阵胞含有两个阵点，000，1/21/21/2第十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期日◆面心点阵。F除8个顶点外，每个面心上有一个阵点，每个阵胞上有4个阵点，其坐标分别为000，1/21/20，1/201/2，01/21/2第十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期日◆底心点阵，C除八个顶点上有阵点外，两个相对的面心上有阵点，面心上的阵点为两个相邻的平行六面体所共有。因此，每个阵胞占有两个阵点。阵点坐标为000，1/21/20第十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期日2.1.4点阵常数平行六面体的三个棱长a、b、c和及其夹角α、β、γ，可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量亦称为点阵常数。按点阵参数可将晶体点阵分为七个晶系。第十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期日晶系边长夹角晶体实例立方a=b=cα=β=γ=90°Cu,NaCl四方a=b≠cα=β=γ=90°Sn,SnO2正交a≠b≠cα=β=γ=90°I2,HgCl2三方a=b=cα=β=γ≠90°Bi,Al2O3

a=b≠cα=β=90°γ=120°

六方a=b≠cα=β=90°γ=120°Mg,AgI单斜a≠b≠cα=γ=90°β=120°S,KClO3三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠90°CuSO4·5H2O七个晶系及有关特征第十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期日晶系特征对称元素晶胞特点空间点阵型式立方晶系4个按立方体对角线取向的3重旋转轴a=b=cα=β=γ=90°简单立方

立方体心

立方面心

六方晶系6重对称轴a=b≠cα=β=90°,γ=120°简单六方

四方晶系4重对称轴a=b≠cα=β=γ=90°简单四方

体心四方

三方晶系3重对称轴a=b=cα=β=γ≠90°简单六方

R心六方

正交晶系2个互相垂直的对称面或3个互相垂直的2重对称轴a≠b≠cα=β=γ=90°

简单正交

C心正交

体心正交

面心正交

单斜晶系2重对称轴或对称面a≠b≠cα=β=90°≠γ

简单单斜

C心单斜

三斜晶系无a≠b≠ca≠b≠c≠90°

简单单斜

七个晶系及有关特征第十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期日2.2、晶向、晶面及晶向、晶面指标2.2.1晶向与晶向指标

任意两结点的结点列称为晶向。与此晶向相对应，一定有一组相互平行而且具有同一重复周期的结点列。

《晶体学中阵点平面与阵点直线的空间取向分别用晶面指数与晶向指数来表示。》或者：（1）在一族相互平行的阵点直线中引出过坐标原点的阵点直线。（2）在该直线上任取一点，量出坐标，并用点阵周期a,b,c表示。（3）将三个坐标值用同一个数乘或除，划归互质整数，并加方括号。晶向的表示方法：取其中通过原点的一根结点列，求该列最近原点的结点的指数，u,v,w,并用方括号标记[uvw]。第十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期日晶向指数的确定建立坐标系，结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位；在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让在第一点在原点则下一步更简单)；

计算x2-x1：y2-y1：z2-z1；化成最小、整数比u：v：w；放在方括号[uvw]中，不加逗号，负号记在上方。第十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期日红线由两个结点的坐标之差确定第二十页，共五十三页，编辑于2023年，星期日在点阵中由结点构成的平面称为晶面。

空间点阵划分为平面点阵的方式是多种多样的.不同的划法划出的晶面(点阵面)的阵点密度是不相同的.意味着不同面上的作用力不相同.所以给不同面以相应的指标(hkl)。2.2.2晶面及晶面指标第二十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期日国际上通用的是密勒（Miller）指数，即用三个数字来表示晶面指数。标定方法：(1)在一组相互平行的晶面中任选一个晶面，量出它在三个坐标轴上的截距，并用点阵周期a，b，c来度量。假设截距为r，s，t。(2)取截距的倒数1/r，1/s，1/t。(3)将这些倒数乘以分母的最小公倍数，把他们化为三个简单整数h，k，l，，并用圆括号括起来。使h∶k∶l=1/r∶1/s∶1/t。则(hkl)就是待标晶面的晶面指数。第二十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期日我们说（553）晶面，实际是指一组平行的晶面。习题xzyabc（1）截距r、s、t分别为3，3，5（2）1/r:1/s:1/t=1/3:1/3:1/5（3）最小公倍数15，（4）于是，1/r，1/s，1/t分别乘15得到5，5，3，因此，晶面指标为（553）。第二十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期日1，所有相互平行的晶面，其晶面指数相同，或者三个符号均相反。可见，晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而且代表着一组相互平行的晶面。2，晶面指数中h、k、l是互质的整数。3，最靠近原点的晶面与X、Y、Z坐标轴的截距为

a/h、b/k、c/l。晶面指数特征：即与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。第二十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期日立方晶系几组晶面及其晶面指标。（100）晶面表示晶面与a轴相截与b轴、c轴平行；（110）晶面表示与a和b轴相截，与c轴平行；（111）晶面则与a、b、c轴相截，截距之比为1:1:1(100)(110)(111)在点阵中的取向第二十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期日思考题晶体的晶面指数的个数有上限吗？例如（111，100，1）这样的晶面有吗？理论上讲，晶面指数的个数是无限的，只要能找到极端复杂的晶胞。但对实际的一个晶体，晶面的数目是一定的。第二十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期日如果取a1、a2、和c为晶轴，按上述三轴定向的方法确定面指数，六个柱面的面指数为：（100）、（010）、（1(-)10）、（1(-)00）、（01(-)0）、（11(-)0）。但是，这种方法所确定的晶面指数不能显示出六次对称及等同面的特征。因此，对六方晶系往往采用四轴定向方法，称为密勒-布拉菲指数。选取四个坐标轴，其中a1、a2、a3在同一水平面上，之间的夹角为120°，c轴与这个平面垂直。这样求出的晶面指数由四个数字组成，用（hkil）表示。其中前三个数字存在如下关系：

h+k=-i用四轴定向方法求出的六个柱面的晶面指数为：（101(-)0）、（011(-)0）、（1(-)100）、（1(-)010）、（01(-)10）、（11(-)00）。六方体系的晶面指数这样的晶面指数可以明显地显示出六方对称及等同晶面的特征。六方晶系的晶面和晶向指数表示方法与其它晶系不同。第二十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期日六方晶系中如果用三轴定向表示晶向指数用[UVW]，四轴定向的晶向指数用[uvtw]来表示。三轴和四轴晶向指数之间的关系：六方体系的晶向指数第二十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期日它与晶胞参数和晶面指标有关。

一组平行晶面（hkl）中两个相邻平面间的垂直距离称为晶面间距，用dhkl表示。

2.3、晶面间距d(hkl)

晶面与晶面间距是晶体X射线衍射结构分析中所围绕的内容。第二十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期日立方晶系

六方晶系

面间距dhkl与晶胞点阵参数之间的关系（hkl）代表一组相互平行的晶面,任意两个相邻的晶面的面间距都相等。对正交晶系5-1

5-2

5-3

第三十页，共五十三页，编辑于2023年，星期日晶面指标越高,面间距越小,晶面上粒子的密度（或阵点的密度）也越小.只有（h*k*l*）小,dh*k*l*大,即阵点密度大的晶面（粒子间距离近,作用能大,稳定）才能被保留下来.

第三十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期日习题金属镍立方晶胞中（111）晶面的晶面间距d111为2.035Å，求其（220）晶面间距d220。利用：求得:

Å于是:

Å第三十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期日2.4晶面族晶面族：在同一晶体点阵中，有若干组晶面是可以通过一定的对称变化重复出现的等同晶面，它们的面间距与晶面上结点分布完全相同。这些空间位向性质完全相同的晶面的集合，称为晶面族表示方法：用{hkl}表示。例如：立方晶系中{100}晶面族包括六个晶面（100）、（010）、（001）、（-100）、（0-10）、（00-1）注意，在其他晶系中，通过数字位置互换而得到的晶面不一定属于同一晶面族，例如，正方晶系中a=bc，因此，{100}晶面族分为两组，一个包含（100）（010）（-100）（0-10）晶面；另一个包含（001）（00-1）两个晶面。思考：为什么要强调晶面族的概念？与衍射分析有什么关系？<晶体衍射结果最直接的信息是面间距。同一个面间距值可能对应不同的晶面，这些具有相等面间距的晶面之间有可能通过选择、平移等对称性操作重复，这些晶面属于同一晶面族。>第三十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期日第三十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期日2.5、倒易点阵（教学难点）2.5.1为什么要引入倒易点阵概念天下本无事，庸人自扰之？非常有用

1、考试要考；考研更要考2、能简化（1）晶面与晶面指数表达；（2）衍射原理的表达；（3）与实验测量结果直接关联，尤其是电子衍射部分。<晶体X射线衍射中核心是对晶体中各个晶面的研究，如果能把晶面作为一个点来研究，何乐不为？>第三十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期日第三十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期日倒易点阵是在晶体点阵的基础上按一定对应关系建立起来的空间几何图形，是晶体点阵的另一种表达形式。为了区别有时把晶体点阵空间称为正空间。倒易空间中的结点称为倒易点。2.5.2倒易点阵的概念、表达形式第三十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期日1、倒易点阵的定义（倒易点阵与正点阵的转换关系）倒易点阵参数：a*、b*、c*；α*、β*、γ*其中，a、b、c；α、β、γ为正点阵参数定义：矢量表示第三十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期日因此，倒易点阵的基本矢量垂直于正点阵中异名矢量构成的平面。a*垂直于b与c两个矢量构成的平面。同样b*（或c*）垂直于a与c（a与b）两个矢量构成的平面。如果*=*=*=90o，或者，a*垂直（100）晶面；b*垂直（010）晶面；c*垂直（001）晶面。（1）（2）倒易点阵参数的方向与大小第三十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期日倒易点阵是晶体结构周期性在傅立叶空间中的数学抽象。如果把晶体点阵本身理解为周期函数，则倒易点阵就是晶体点阵的傅立叶变换，反之晶体点阵就是倒易点阵的傅立叶逆变换。

所以，倒易点阵只是晶体点阵在不同空间(波矢空间)的反映。2、倒易点阵的本质第四十页，共五十三页，编辑于2023年，星期日2.5.3倒易矢量

1、定义：从倒易点阵原点向任一倒易阵点所连接的矢量叫倒易矢量，表示为：

r*=ha*+kb*+lc*倒易阵点用它所代表的晶面指数标定。第四十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期日倒易点阵正点阵立方正空间点阵的倒易变换(210)(100)(110)(010)cba(220)200100000210110010220120020C*b*a*H220第四十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期日2、倒易矢量的两个基本性质（1）倒易矢量的方向垂直于正点阵中的（hkl）晶面。（2）倒易矢量的长度等于（hkl）晶面的晶面间距dhkl的倒数。如果正点阵与倒易点阵具有同一坐标原点，则正点阵中的一个晶面在倒易点阵中就变成了一个阵点（倒易点）。正点阵中晶面取向和面间距只须倒易矢量一个参量就能表示。第四十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期日OABCabc同理可证：证明1：倒易矢量的方向垂直于正点阵中的（hkl）晶面。晶面（hkl）与三个坐标轴的截距为：于是：设倒易矢量为：因此从倒易矢量的定义第四十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期日OM垂直于晶面，交点为M，于是有：OABCabcM证明2：倒易矢量的长度等于（hkl）晶面的晶面间距dhkl的倒数。因为性质一成立，则有倒易矢量垂直于ABC面，即倒易矢量在OM方向上，这样可以通过有倒易矢量给出单位矢量。为OM方向上的单位矢量第四十五页，共五十三页，编辑于202