晶体的基本概念

结晶学材料科学与工程学院高朋召[e-mail]赌石第一人：和氏关于和氏璧的最早记载，见于《韩非子》、《新序》等书，并且情节大致相像。（以下部分文字译自《史记·廉颇蔺相如列传》）话说东周春秋时，楚人卞和在荆山见凤凰栖落青石之上（古人曾有“凤凰不落无宝地”之说），于是他将此璞石献给楚厉王，经玉工辨识认为是石块。卞和以欺君罪被刖左足。楚武王即位，卞和又去献宝，仍以前罪断去右足。至楚文王时，卞和抱玉痛哭于荆山下，哭至眼泪干涸，流出血泪。文王甚奇，便命人剖开璞石，果得宝玉，经良工雕琢成璧，人称“和氏璧”。见《韩非子·和氏篇》。宝石鉴定吸收光谱由于宝石对白光具有选择性吸收作用，当白光通过宝石后，某些波长的光波会被吸收，可以用分光镜加以观察。而宝石的选择性吸收作用，与其致色元素的种类相关。因而，分光镜是识别宝石的颜色真假最有力的手段，例如染色翡翠。此外，许多宝石具有特征的吸收光谱，观察到这种光谱，可以确定其宝石种。熟练运用分光镜可以简单快速地鉴定出例如，红宝石、铁、红榴石、祖母绿、锆石、绿色翡翠、橄榄石、磷灰铝榴石石、蓝色、绿色蓝宝石、金绿宝石等，一般实验室用的分光镜有棱镜式和光栅式两种，分光镜需要强光配合使用，冷光源是最佳的光源。测折射率的方法主要有两种：一种是直接测量法，用折射仪测量；另一种是相对测量法，用液体浸没法。折射仪是根据光的全反射的原理制造的。目前常用的折射仪只适用于折光率为1.36-1.81（通常和折射仪一起使用的折射油的最高折射率为1.81）范围内的宝石。宝玉石的折射率（N）的计算方法为光在空气中的传播速度（V1）与在宝石中的传播速度（V2）之比为一个常数，即N=V1/V2。均质体宝石，光在其中传播，传播速度不变，折射率相等，称之为单折光率。非均质体宝石，在折射仪中有两个读数，最大、最小折射率值之间的差值，称之为双折光率。折射仪是宝石学家最常使用的仪器之一，它的体积小，使用方便。他既可以测试刻面宝石的折光率，还可以用点测法测出弧面宝石的折光率。每种宝石的折射率是非常固定的（因产地和化学成分的细微不同相同的宝石也有细微不同的折射率，但这仅是在一个很小的可预见浮动范围内），所以只要知道宝石的准确折射率基本上都可以知道是哪类宝石了。紫外荧光原理:紫外荧光灯是一种利用紫外线作为激发源，观察宝石的荧光效应和磷光效应的装置。发射紫外线的辐射源一般为水银蒸汽灯。它们可以发射一定波长范围的紫外线，然后通过特殊的滤波片过滤，产生365nm的长波紫外线和253.7nm的短波紫外线。结构:由紫外光源，暗箱和观察窗口三部分组成。使用方法:将待测宝石置于紫外灯下，打开电源开关。根据需要选择长波波段或短波波段，从观察窗口观察宝石的发光性。课程简介：结晶学：以晶体为研究对象，主要研究晶体的外部形态、内部结构、物理性质和化学性质等诸方面。特点：空间性、抽象性、逻辑性、共性岩相学:以矿物、岩石为研究对象，以偏光显微镜为工具，主要研究各具体矿物晶体的形态、成因、在偏光系统下的光学性质、常见晶体的鉴定等。特点：经验性、感性、具体性、归纳分类性、个性结晶学（晶体学）发展历史及分支学科简介：始于17世纪中叶人类的矿业活动，与天文学一起成为人类自然科学发展最早的两门科学。17～18世纪：以研究晶体形态为主，也初步推测研究晶体内部结构的几何规律；19世纪末～20世纪初：X－射线的发现及其对晶体结构的测量，进入晶体内部结构研究阶段；20世纪70年代以来：透射电镜研究晶体内部超微结构细节；20世纪80年代，发现准晶体，开辟了晶体对称理论新领域。分支学科：几何结晶学－研究晶体宏观形态的几何规律，主要是对称规律。晶体结构学－研究晶体内部结构几何规律及缺陷。晶体化学－研究晶体成分与结构的关系。晶体生长学－研究晶体生长机理及其影响因素。晶体物理学－研究晶体物理性质及其产生机理。本课程以晶体形态对称规律及晶体内部结构对称规律为主，简介晶体化学与晶体生长。晶体材料(1)半导体晶体(2)磁性单晶薄膜(3)光学晶体(4)X射线分光晶体(5)激光晶体(6)电光晶体(7)声/光晶体(8)非线性光学晶体(9)磁光晶体(10)压电晶体(11)热释电晶体(12)铁电晶体(13)闪烁晶体(14)硬质晶体(15)绝缘晶体(17)液晶(16)色心晶体(18)敏感晶体(19)多功能晶体第一章晶体本章涉及一些重要的基本概念，这些概念在整个结晶学中都经常出现,一定要牢固掌握。晶体（远古年代的定义：自发形成规则形态的物体；(图片)现代的定义：内部结构具有周期重复性，即具有格子构造的物体。）格子构造（晶体结构的周期重复规律，这种规律是可以用格子状的图形－空间格子表示的。）空间格子（表示晶体结构周期重复规律的简单几何图形要画出空间格子，就一定要找出相当点。）相当点（两个条件：1、性质相同，2、周围环境相同。）导出空间格子的方法：首先在晶体结构中找出相当点，再将相当点按照一定的规律连接起来就形成了空间格子。相当点（两个条件：1、性质相同，2、周围环境相同。）请大家分析下图的平面晶体结构的空间格子：空间格子与具体的晶体结构是什么关系？可以认为具体的晶体结构是多套空间格子组成的，见图。具体的晶体结构是多种原子、离子组成的，使得其重复规律不容易看出来，而空间格子就是使其重复规律突出表现出来。空间格子仅仅是一个体现晶体结构中的周期重复规律的几何图形，比具体晶体结构要简单的多。空间格子的要素：★结点:空间格子中的点,代表具体晶体结构中的相当点.★行列:结点在直线上的排列.（引出:结点间距）★面网:结点在平面上的分布.（引出:面网间距、面网密度，它们之间的关系,见下图，面网AA’间距d1面网BB’间距d2面网CC’间距d3面网DD’间距d4面网上单位面积内结点的数目称面网密度。一般相互平行的面网，其面网密度相同，而不相互平行的面网，面网密度不等。面网间距依次减小,面网密度也是依次减小的.所以:面网密度与面网间距成正比.★平行六面体（晶胞）:空间格子中的最小单位；结点在三维空间形成的最小单位(引出:晶胞参数：a,b,c;α,β,γ,也称为轴长与轴角）abc非晶体（玻璃）物质的内部质点在三维空间不做规律排列，即不具格子构造，称为非晶质或非晶质体。例如：玻璃、塑料、沥青等。从内部结构来看，非晶质体中质点的分布无任何规律可循。从外形上看，非晶质体都不能自发地长成规则的几何多面体，而是一种无规则形状的无定形体。晶体与非晶体的转化：晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的。由非晶态转化为晶态，这一过程称为晶化(crystallizing)或脱玻化(devitrification)。晶化过程可以自发进行，因为非晶态内能高、不稳定，而晶态内能低、稳定。相反，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(noncrystallizing)。非晶化一般需要外能。晶体与非晶体的主要区别：单晶体具有规则的几何形状，而非晶体没有一定的外形单晶体具有各向异性的特性例如，云母的结晶薄片在外力的作用下，很容易沿平行于薄片的平面裂开，但要使薄片断裂则困难得多，这说明晶体在各个方向上的力学性质不同，而非晶体玻璃在破碎时，其碎片的形状是完全任意的。晶体有固定的熔点只有温度达到熔点时才能熔解，而且在熔解过程中温度保持恒定。准晶体亦称为“准晶”或“拟晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列；但是准晶体不具备晶体的平移对称性。根据晶体局限定理，普通晶体只能具有二次、三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或者更高的如六次以上的对称性。格(lattice)局限多边形。兼容：六次（三次）、4次（二次）；不兼容:八次、五次。数学家在20世纪60年代就发现了这种非周期平铺（aperiodictilings）图形。但是直到快20年后这种理论上的结构才和准晶的研究联系起来。自然界中非周期图形的发现在结晶学领域造成了典范转移。虽然准晶体在此前就已被观察到并被研究，但由于它们违背了人们之前对于晶体结构的认识，所以直至20世纪80年代在开始受到重视。获得2011年诺贝尔化学奖的丹·舍特曼是第一个正式报道发现了准晶的人。1984年他和以色列理工学院的同事们在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新的金属相，其电子衍射斑具有明显的五次对称性。这篇文章发表于物理评论快报（PhysicalReviewLetters）上。晶体的基本性质：由晶体的格子构造会导致晶体的基本性质。★自限性:晶体能够自发地生长成规则的几何多面体形态。★均一性:同一晶体的不同部分物理化学性质完全相同。晶体是绝对均一性，非晶体是统计的、平均近似均一性。★异向性：同一晶体不同方向具有不同的物理性质。例如：蓝晶石的不同方向上硬度不同。思考：均一性与异向性有矛盾吗？异向性与自限性有什么联系?★对称性：同一晶体中，晶体形态相同的几个部分（或物理性质相同的几个部分）有规律地重复出现。例如下面的晶体形态是对称的：★最小内能性：晶体与同种物质的非晶体相比，内能最小。★稳定性：晶体比非晶体稳定。布拉维法则(lawofBravais)1855年，法国结晶学家布拉维(A．Bravis)从晶体具有空间格子构造的几何概念出发，论述了实际晶面与空间格子构造中面网之间的关系，即实际晶体的晶面常常平行于网面结点密度最大的面网，这就是布拉维法则。晶体通常被面网密度大的晶面所包围。晶体上的实际晶面往往平行于面网密度大的面网。为什么？面网密度大—面网间距大—对生长质点吸引力小—生长速度慢生长速度慢—在晶形上保留—生长速度快—湮灭布拉维的这一结论系根据晶体上不同晶面的相对生长速度与网面上结点的密度成反比的推论引导而出的。所谓晶面生长速度是指单位时间内晶面在其垂直方向上增长的厚度。晶面AB的网面上结点的密度最大，网面间距也最大，网面对外来质点的引力小，生长速度慢，晶面横向扩展，最终保留在晶体上；CD晶面次之；BC晶面的网面上结点密度最小，网面间距也就小，网面对外来质点引力大，生长速度最快，横向逐渐缩小以致晶面最终消失；因此，实际晶体上的晶面常是网面上结点密度较大的面。布拉维法则阐明了晶面发育的基本规律。但由于当时晶体中质点的具体排列尚属未知，布拉维所依据的仅是由抽象的结点所组成的空间格子，而非真实的晶体结构。因此，在某些情况下可能会与实际情况产生一些偏离。1937年美国结晶学家唐内—哈克(Donnay－Harker)进一步考虑了晶体构造中周期性平移(体现为空间格子)以外的其他对称要素(如螺旋轴、滑移面)对某些方向面网上结点密度的影响，从而扩大了布拉维法则的适用范围。布拉维法则的另一不足之处是，只考虑了晶体的本身，而忽略了生长晶体的介质条件。由液相变为固相由气相变为固相由固相再结晶为固相晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种，即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由气相、液相转变成固相时形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。本章重点总结：1)晶体、格子构造、空间格子、相当点；它们之间的关系。2)结点、行列、面网、平行六面体;结点间距、面网间距与面网密度的关系.3)晶体的基本性质：自限性、均一性、异向性、对称性、最小内能、稳定性，并解释为什么。4)布拉维法则