晶体的基本性质.ppt

1,结晶学及矿物学,2,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）,3,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。,4,一.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,5,石英（Quartz）,铬铅矿（Crocoite）,一.晶体的概念,什么是晶体？,6,电气石(Tourmaline),石膏(Gypsum),钼铅矿(Wulfenite),7,祖母绿(Emerald Brooch),钻石(Diamond),金刚石(Diamond),8,石榴子石(Garnet),火蛋白石(Fire Opals),9,紫锂辉石(Kunzite),软玉(Nephrite),常林钻石重158.786克拉,10,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？,11,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。,12,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,13,二.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。,14,石盐的晶体结构,15,空间格子的获得：,ANaCl中沿y轴Na+和Cl-排列的情况,BNa+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,16,二维图案,(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),17,三维图案,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。,18,19,（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,20,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。）,21,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。,22,（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。,23,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,24,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,25,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：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,26,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。,27,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,28,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。,29,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,30,1.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,31,4.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？,32,