《结晶学》第1章晶体和非晶质体

结晶学与结晶化学,绪论,1.结晶学与结晶化学结晶学以晶体为研究对象的一门自然科学结晶化学是研究晶体结构规律，并通过对晶体结构的理解来探索晶体性质的一门学科,2.研究内容,几何结晶学晶体外形的几何规律晶体结构学内部结构中质点的排布规律及结构缺陷晶体生长学晶体生长机理、控制和影响生长的因素晶体化学化学成分与结构及性质(物理化学性质)之间的关系晶体物理学物理性质及产生机制,3.应用,在材料科学中的应用,结晶材料的物理性质,物相分析,材料的改性和新材料的发现及研制,4、课程性质,结晶学与结晶化学是非金属专业重要专业基础课。,学习材料学、硅酸盐工艺学及材料现代分析测试方法等课程提供必需的晶体学基础,应用于材料的生产及研制利用.所以又具有专业课的性质。,5、课程目的和任务,通过本课程的学习，应使学生掌握晶体学的基本理论和基本知识，掌握晶质材料的内部结构的几何理论，了解晶质材料的内部结构对材料的性能及应用的重要作用。,6、课程教学内容,晶体及非晶质体晶体的宏观对称晶体定向及结晶符号单形和聚形晶体的形成与生长晶体的规则连生晶体结构的几何特征晶体化学,第一章晶体及非晶质体,主要内容:晶体概念；空间格子的概念、空间格子的要素及空间格子的特点（规律）；非晶质体概念；准晶态的含义。晶体的基本性质；,一、晶体的概念,晶体的世界是一个晶莹绚丽、色彩斑斓的世界。,从外表看，石英晶体有这样一些特征：是一种固体，有棱有角，有规则的几何外形它是在一定环境下形成的。它有它自己的基本形态，而且这些形态在多种环境下保持相对的稳定性。,石英晶簇,晶体:天然具有规则几何外形的固体晶面：晶体的外表平面晶棱：两晶面相交直线角顶：晶棱汇聚的点,金刚石,锆石,晶体内部质点有序性的证明：1912年德国科学家劳厄用晶体作光栅，使X射线产生衍射，证明晶体内部质点是有序排列的1914年英国科学家布拉格父子用各种各样的晶体作大量的衍射实验三位科学家研究成果揭示了一切晶体皆具有格子构造的秘密,氯化钠内部质点排列,晶体的定义：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。或者说，晶体是具有格子构造的固体。,氯化钠内部质点排列,氯化钠,二、空间格子,1、空间格子的定义空间格子：表示晶体内部结构中质点重复规律的几何图形同类质点排列规律的归纳：抛开物质意义，就内部质点排列方式分析，找出各种晶体格子都遵循的共同规律,相当点(等同点)：在晶体结构中的种类相同，分布位置或周围环境也相同的一类点相当点必须具备的两个条件位置或质点种类相同质点周围环境相同,(a)晶体平面结构,(b)相当点,空间格子推导例1,空间格子推导,晶体平面结构中多套相当点及空间格子,晶体结构中等同点的分布（A）,-等同点,空间格子（B）,空间格子推导例2,氯化钠的晶体结构(a)(b)与空间格子(c),(a)(b)(c),注意：空间格子不表示物体的物质意义，仅表示物质内部质点排列的几何构图。,2、空间格子要素,(1)结点：空间格子中的点,代表晶体结构中的相当点。结点的位置可为同种质点所占据。,注意:实际晶体中的同种质点却并不一定只占据同一套结点,金红石晶体结构平面示意图,性质：不代表任何质点,它只具有几何意义,(2)行列:结点在直线上的排列称为行列。空间格子中任何两结点联结起来就是一条行列的方向,空间格子中的行列,结点间距:行列中相邻两结点之间的距离性质:同一行列中结点间距相等，在平行行列中结点间距不变,(3)面网:结点在平面上的分布空间格子中不在同一行列上的三个结点可构成一面网。任意两相交行列决定一个面网。,空间格子中的面网,面网密度：面网单位面积内的结点数。面网间距：一个空间格子中任意两相邻平行面网之间的垂直距离。在一个空间格子中平行面网的面网密度与面网间距相等。而不平行的面网之间，面网间距和面网密度一般不等。面网间距较大者面网密度也较大。,面网密度与面网间距关系,1,2,3,(4)平行六面体:空间格子的最小单位。平行六面体由六个两两平行的面网组成，结点分布于角顶上，平行六面体的三个棱长，是三条相应行列的结点间距。,空间格子可看作是无数个平行六面体在三维空间毫无间隙地重复堆叠而成。,(a)晶体（b）玻璃（非晶体）,物质内部质点在三维空间无规律排列，即不具格子构造的固体称为非晶质体。,三、非晶质体,对非晶质体的理解近程规律或短程有序非晶质体在任何条件下都不能自发地长成规则的几何多面体。非晶质体是无定形的凝固态物体。非晶质体各部分之间仅在统计意义上的均匀和一致。非晶质体加热时逐渐软化，无定熔点。,晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的,晶化（crystallizing）或脱玻化（devitrification）：内部质点进行着很缓慢的扩散、调整，趋于规则排列，即由非晶态转化为晶态。这一过程可以自发进行，因为非晶态内能高、不稳定，而晶态内能小、稳定。非晶化（noncrystallizing）：晶体也可因内部质点的规则排列遭到破坏而转化为非晶态。这个过程称为非晶化一般需要外能，例如一些含放射性元素矿物晶体，由于受放射性蜕变所发出的射线的作用，晶体遭到破坏而转变为非晶态。,四、准晶态或准晶体,1984年在电子显微镜研究中，发现了一种新的物态，其内部质点排列具有远程规律，但没有平移周期，即不具格子构造。右图就是一种具有远程规律，但没有平移周期的图形，这种物态是介于晶体与非晶体之间的一种状态，人们称之为准晶态或准晶体（quasicrystal,具有远程规律但没有平移周期的图形,五、晶体的基本性质,1、自限性（自范性）：晶体在适当条件（能自由生长）下，可以自发形成规则几何多面体。,正长石的短柱状晶体,冰洲石的菱面体晶体,晶体的多面体形态，是其格子构造在外形上的直接反映。晶面、晶棱与角顶分别与格子构造中的面网、行列及结点相对应。,凸晶,2、（结晶）均一性:同一晶体的各个不同部分具有相同的性质因为晶体的具有格子构造的固体，在晶体的各个不同部分质点的分布与排列都是一样的,注意:非晶质也具有均一性(统计均一性),3、异向性（各向异性）晶体的性质因观测方向不同而有差异。蓝晶石在不同的方向上硬度有很大差异。,AA方向，H45，小刀可刻动。BB方向，H65，小刀不能刻动。,黑云母解理,石墨-解理,A,B,异向性这是因为晶体在不同的方向上质点的排列方式不同而决定的。,氯化钠晶体结构,4、对称性晶体中相同部分（晶面、晶棱、角顶）或性质（物理化学性质）在不同方向或位置上有规律地重复出现。晶体的宏观对称是由晶体内部格子构造的对称性所决