晶体的投影和倒易点阵PPT课件

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晶体学基础-倒易点阵

倒易点阵晶体学中最关心通常是晶体取向，即晶面的法线方向。

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（倒易空间），是晶体点阵的另一种表达形式。

将晶体点阵空间称为正空间。

倒易空间中的结点称为倒易点。

部分。

a a * = b把正点阵基矢与倒易点阵基矢的关系代入，得正点阵与倒易点阵的关系•O 点到(hkl)晶面的垂直距离就是晶面间距d hkl 。

倒数关系（大小）●d hkl =h a H H H1=•确定倒易矢量H ，就确定了正点阵晶面。

S hkl P 及Q ⊥•倒易矢量[hkl]的大小（模）就是其正点阵中相邻平行(hkl)晶面间距的倒数。

(倒—Reciprocal)进行矢量相乘并且展开。

a H hkl •在倒易点阵中，从原点指向阵点[坐标hkl ]的倒易矢量H hkl = ha* +kb* +lc*•H hkl 必和正点阵的(hkl )面垂直，•即倒易点阵的阵点方向[hkl ]*和正点阵的(hkl )面垂直：[hkl ]*⊥(hkl )。

CBAx y z(010)(100)(001)a例：由单斜点阵导出其倒易点阵•单斜点阵：b轴垂直于a和c轴。

左图图面为（010）面。

•从作图可以看出，正点阵和其对应的倒易点阵同属一种晶系。

把上面三个式子写成矩阵形式：•同理，可按下式求出与方向指数为[uvw]的方向相垂直的面的面指数(hkl):•例如，对立方系而言，a*●a* = b* ●b* = c*●c *=1/a2;a*●b* = b* ●c* = c*●a *=0;•u:v:w=h:k:l。

所以(hkl)面的法线指数和面指数同名，即为[hkl]。

倒易点阵介绍PPT

P NhomakorabeaS/
g S S0
1/
2
A S0 /
O
14
❖ 3 、S长度为1/d，方向垂
直于hkl面网，所以
❖ S=g* 即： ❖ 衍射矢量就是倒易矢量。
P
S/
g S S0
❖ 4 、可以A点为球心，以
1/
2
1/为半径作一球面，称为
A S0 /
O
反射球（Ewald 球）。衍
射矢量的端点必定在反射球面上
❖ 围绕O点转动倒易晶格，使每个倒易点形成的球称为倒易球
❖ 以O为圆心，2/λ为半径的球称为极限球。
25
(S-S0)/λ= 2sinθ)/λ=ghkl=1/d
2dsinθ =λ
11
Ewald 作图法
❖ Ewald 图解是衍射条件的几何表达式。 ❖ sinθ =λ/2d
g ❖ 令d= λ / hkl （此时比例系数用X射线的波长） ❖ 则sinθ = ghkl /2
❖ 即某衍射面（ hkl）所对应的布拉格角的正弦等于其倒易矢量长度的一半。
同名基矢点乘为1。 a*·a=b*·b=c*·c=1.
2. 在倒易点阵中，由原点O*指向任意坐标为hkl的阵点的矢量 g的h晶kl(倒面易指矢数量)为：ghkl=h a*+k b*+lc* 式中hkl为正点阵中
3. 倒易矢量的长度等于正点阵中相应晶面间距的倒数，即 ghkl=1/dhkl
4. 对正交点阵，有 a*∥a，b*∥b，c*∥c， a*=1/a，b*=1/b，c*=1/c，
倒易点阵简介
❖ 布拉格公式作为结构分析的数学工具,在大多数场合已经足够,但是,还有一些衍射效应是布拉格公式无法解释的,例如非布拉格散射就是如此.

第四章--倒易点阵及晶体衍射方向

第四章倒易点阵及晶体衍射方向1. 布拉格定律一定波长的 X 射线或入射电子与晶体试样相互作用 , 可以用布拉格定律来表征产生衍射的条件。

图 4.1 布拉格定律的几何说明如图 4.1, 设平行电子束σ0入射到晶体中面间距为 d hkl 的晶体面网组 (hkl), 在人射波前 SS' 处 , 两电子波位相相同, 如果左边一支波经历波程 PA+AD = n λ，n 为包括零的整数 , 则两支波离开晶体后达到新波前 TT' 时 , 将具有相同的位相 , 相干结果可以达到衍射极大; 反之, 若 PA+AD ≠ n λ, 则达到TT' 时, 它们位相不同 , 不能相干得到衍射极大。

由图 4.1 可知，PA+AD =2d hkl sin θ=n λ (4.1)此即布拉格方程,n 称为衍射级数。

式(4.1)也可以写成:λθ=⎪⎭⎫⎝⎛sin 2n d hkl (4.1a)因为 d hkl /n=d nh, nk, hl ，故可把n 级 (hkl) 反射看成是与 (hkl) 平行但面网间距缩小 n 倍的、 (nh, nk, nl) 的一级反射。

这样 , 布拉格方程可以写成一般形式 :λθ=sin 2hkl d (4.1a) 还可以写成下述形式：λθ/2/1sin hkld =(4.1b) 只要满足布拉格方程 , 就获得了产生衍射极大的条件。

式 (4.1a) 中 d hkl 为晶体中晶面组 (hkl) 的晶面间距；λ为入射电子束的波长；θ为人射电子束方向相对于晶面 (hkl) 的掠射角。

2. 倒易点阵2.1 倒易点阵定义（1）倒易点阵：若已知晶体点阵的单位矢量 a 、b 、c, 可以定义倒易点阵的单位矢量a *、b *、c *，该点阵的方向矢量垂直于同名指数的晶体平面, 它的大小等于同名指数晶面间距的倒数,该点阵称为倒易点阵。

（2）正点阵与倒易点阵和基矢量的相互关系：图4.2 正点阵与倒易点阵和基矢量的相互关系取一晶体单胞 , 如图 4.2, 晶体点阵的单位矢量为 a 、b 和 c , 相应点阵的 6 个参数是a 、 b 、 c 、α、β和 γ。

固体物理第4课倒易空间ppt课件

十二个倒格点，在直角坐标系中它们的坐标为：
2
a
(n2

n3, n1

n3, n1

n2 )
2 (1,1,0), 2 (1,1,0), 2 (1,1,0), 2 (1,1,0),
a
a
a
a
2 (1,0,1), 2 (1,0,1), 2 (1,0,1), 2 (1,0,1),
a
a
a
a
2 (0,1,1), 2 (0,1,1), 2 (0,1,1), 2 (0,1,1).
A为单位），
试画出该二维晶格的第一和第二布里渊区，并计算
它们的面积.
3. 设一维单原子链的原胞长度为0.4nm，试绘出该单原
子链简约布里渊区示意图。
4. 计算面心立方的第一布里渊区中、X、K、L 点的坐标。
Γ (r)＝ C e C e n1 n2 n3
iGn
r
n
n
iGn
r
n
n1 n2 n3
n
Γ (r)＝ C e C e n1 n2 n3
iGn
r
n
n
iGn
(b1，b2，b3)如何确定？
1.9.2 倒格子空间(倒易点阵)*
（1）.倒矢与正格矢的关系：
点阵：原胞基矢a1、a2、a3
b1 b2
b3
2
2 2

a2 a3 V a3 a1 ， V V a1 a2
V

a1 (a2
（2）. 倒格子点阵与正格子点阵的关系
(1) 两个点阵基矢之间的关系：
ai
bj

结构化学晶体点阵结构PPT课件

现代科技中的晶体材料
材料科学是人类文明大厦的基石，在现代技术中, 晶体材料更占有举足轻重的地位. 人类对固态物质的理解在很大程度上以单晶材料为基础，所以晶体在物质结构研究中也具有特殊重要性.
现
半导体的后起之秀——砷化镓
代
科
技
中
的
晶
体
作为半导体材料，GaAs的综合性能优于Si, 开关速度仅为10-12 s(而Si为10-9 s), 用GaAs芯片制造计算机将使
假若你这样做了，试把这所谓的“点阵”放回金刚石晶体，按箭头所示将所有原子平移，晶体能复原吗？
这种所谓的“点阵”有一个致命错误：它本身就违反点阵的数学定义，并不是点阵！更别说是金刚石晶体的点阵.
正确做法如下：
金刚石的点阵：立方面心
正当空间格子的标准:
空间格子净含点阵点数：
空
1. 平行六面体
所有顶点原子： 0，0，0 (前)后面心原子： 0，1/2，1/2 左(右)面心原子： 1/2，0，1/2 (上)下面心原子： 1/2，1/2，0
四、晶面与晶面指标
1 晶面晶体的空间点阵可划分为一族平行而等间距
的平面点阵，晶面就是平面点阵所处的平面。
晶面 = 平面点阵 + 结构基元各个晶面的方向及结构基元排列情况不同，表现出的性质也不相同。为了区分不同的晶面就产生了晶面符号也叫晶面指标。
12
6
3
54
12
6
3
54
，
AB
关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式。
第一种是将球对准第一层的球。下图是此种六方紧密堆积的前视图
12
A
6

晶体结构与倒格子基础知识PPT课件

氦是最不活泼的元素；是唯一不能在标准大气压下固化的物质。25个大气压下的熔点是-272.2°C（绝对零度是-273.15°C ）。
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.
12
几种常见的晶体
范德瓦耳斯相互作用：
假定有两个全同的惰性气体原子，如果认为它们的电荷分布是“刚性”的，则原子之间的相互作用将是零，因为球对称分布的电子电荷的静电势与原子核电荷的静电势相互抵消。这时原子间不存在库仑力，因而不能聚集在一起。实际上，原子中电子的电荷分布并不是理想的球对称的，两个原子靠近相互感生偶极矩，这种感生矩使得原子之间相互吸引，这种作用即为范德瓦耳斯相互作用。
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几种常见的晶体
金属晶体
金属晶体最大的特点是电导率高，是因为金属晶体中存在大量的可自由运动的电子（称为传导电子），通常是金属的价电子。金属倾向于结晶为比较紧密的密堆积结构，如六角密堆积（hcp）﹑面心立方（fcc） ﹑体心立方（bcc）。
碱金属元素形成的晶体都是体心立方晶体。
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倒格子基础知识
简单立方晶格的倒格子（初基）：
设初基平移矢量
a1=ax； a2=ay； a3=az，其中x、y、z是单位矢量。
原胞体积V= a1 ·（a2 × a3 ）=a3 ,可得
b1= (2π/a)x；b2= (2π/a)y； b3= (2π/a)z；因此简单立方晶格的倒格子仍然是简单立方晶格，晶
对于面心立方晶格的倒格子（体心立方晶格）有八个最短的G矢量（倒格矢）： (2π/a)(±x±y±z)
b1、 b2 、 b3是其中的三个。实际上八个最短的G矢量即为体心立方晶格原点与最

晶体学基础PPT课件

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2.1.2 晶向指数和晶面指数
晶向：空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。
晶面：空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子列的方向。 c
阵点坐标 op ua vb wc
b
a
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1. 晶向指数
c
求法：
1）确定坐标系
[101]
3! 4 4组，如{111} 3!
d）h k l 有一个为0，应除以2，则有
3! 4 12组，如{1 2 0} 2
有二个为0，应除以22，则有
3! 2!22

4

3组，如{1
0
0}
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3.六方晶系指数
三坐标系 a1，a2，c
120°
四轴坐标系 a1，a2，a3，c
120°
120°
（h k i l ) [u v t w]
晶胞原胞
差别：晶胞能完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布；原胞一般不能保持晶体结构的对称性
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5.晶系与布拉菲点阵七个晶系，14个布拉菲点阵
• 简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点 • 复杂晶胞：除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点
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5.晶系与布拉菲点阵七个晶系，14个布拉菲点阵
第二章固体结构 The structure of Solids
气态
物质
液态固态
晶体：原子在空间呈有规则的周期性重复排列非晶体：原子在空间无规则排列
金的原子力显微照片
1
高分辨率电镜直接观察晶体中原子的排列
2
※ 2.1 晶体学基础
晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序

晶体衍射原理ppt课件

即 Ewald 球不动，围绕O点转动倒易晶格，接触到球面的倒易点代表的晶面均产生衍射（转晶法的基础）。
hkl S/
1/
C
S0/
O
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增大晶体产生衍射机率的方法
(2) 固定晶体 ( 固定倒易
晶格)，入射方向围绕O 转动(即转动Ewald球)，接触到Ewald球面的倒易点代表的晶面均产生衍射(同转动晶体完全等效)。
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•关于点阵、倒易点阵及Ewald球的思考：
(1) 晶体结构是客观存在，点阵是一个数学抽象。晶体点阵是将晶体内部结构在三维空间周期平移这一客观事实的抽象，有严格的物理意义。
(2) 倒易点阵是晶体点阵的倒易，不是客观实在，没有特定的物理意义，纯粹为数学模型和工具。
(3) Ewald球本身无实在物理意义，仅为数学工具。但由于倒易点阵和反射球的相互关系非常完善地描述了X射线和电子在晶体中的衍射，故成为有力手段。
对于一定晶体而言，在不同波长的X射线下，能产生衍射的晶面数是不同的。
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(3)布拉格方程是X射线在晶体产生衍射的必要条件而非充分条件。有些情况下晶体虽然满足布拉格方程，但不一定出现衍射线，即所谓系统消光。
思考：
1 是hkl值大的还是小的面网容易出现衍射？
2要使某个晶体的衍射数量增加，你选长波的X 射线还是短波的？
O
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增大晶体产生衍射机率的方法
4 Ewald球不动，增加随机分布的晶体数量，相当于围绕O点转动倒易晶格，使每个倒易点均形成一个球（倒易球）。（粉晶法的基础）
hkl S/
1/
C
S0/
O
23
24
• 几个概念： • 以C为圆心，1/λ 为半径所做的球称为反射球，

第1章倒易点阵及电子衍射基础ppt课件

单晶C-ZrO2
多晶Au
非晶
准晶（quasicrystals）
FIGURE 2.13. Several kinds of DPs obtained from a range of materials in a conventional 100-kV TEM: (A) amorphous carbon, (B) an Al single crystal, (C) polycrystalline Au, (D) Si illuminated with a convergent beam of electrons. In all cases the direct beam of electrons is responsible for the bright intensity at the center of the pattern and the scattered beams account for the spots or rings that appear around the direct beam.
1.1.2 晶体学点群对称要素晶体的宏观对称性是按宏观点对称操作所构成的点群来进
行分类的。群，是代数理论中的抽象概念，满足一定条件的一些元素
的集合。
晶体的独立宏观对称要素共有8种，即
1，2，3，4，6，i，m，4
对称中心的国际符号形象法表示
等效位置，+、—号表示正反面，，左右手的变化
对称的极图表示
2) 电子衍射产生斑点大致分布在一个二维倒易截面内，晶体产生的衍射花样能比较直观地反映晶体内各晶面的位向。因为电子波长短，用Ewald图解时，反射球半径很大，在衍射角很小时的范围内，反射球的球面可近似为平面。

2.4倒易点阵、晶带

OP 1 d hkl
这样的点阵就称为倒易点阵。
❖ 倒易点阵是描述晶体结构的一种数学抽象方法，倒易点阵本身是一种几何构图，它和空间点阵具有倒易关系。一个实在的晶体点阵经过一定转化导出一套抽象点阵，这个抽象点阵的每一个阵点和实在点阵中的一个点阵平面有相对应的倒易关系。
❖ 倒易点阵的衍射理论是一般的衍射理论，它是了解射线在晶体中的衍射几何和解释晶体射线衍射图谱的强有力工具，因此学习倒易点阵可为以后的有关课程作基础准备，而在本章中倒易点阵使晶面取向、晶带、晶面间距等问题更容易描述。
晶面间距愈大，该晶面上的原子排列愈密集；晶面间距最大的面总是阵点(或原子) 最密排的晶面。晶面间距愈小，该晶面上的原子排列愈稀疏。正是由于不同晶面和晶向上的原子排列情况不同，使晶体表现为各向异性。
晶面间距公式的推导：从
Z
C
原点作(h k l)晶面的法线，
γ
N
则法线被最近的(h k l)面所
h : k : l cos : cos : cos
如图：ON为晶面（hkl）的法线，ON与该晶面交于D点；OA、OB、OC
分别为（hkl）在X、Y、Z轴上的截距；ON与X、Y、Z轴之间的夹角分
别为α、β、γ；cosα、cosβ、cosγ就是法线ON的方向余弦。立方点阵中
晶胞的三个基矢相等，设其为a，则根据晶面指数的确定方法可知：
同一晶带轴中的所有晶面的共同特点是：所有晶面的法线都与晶带轴垂直。
根据倒易点阵的性质，晶面（h k l）的法线方向
平行于倒易矢量 ha kb lc
ua vb wc• ha kb lc 0
上式展开就是晶体学中十分重要的晶带方程
hu + kv + lw = 0

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2021年2月7日4时8分
2. 晶体的极射投影：是一种二次投影，即将晶体的晶面或晶向的球面投影再以一定的方式投影到赤平面所获得的投影。包括心射极平投影和极射赤平投影。
➢ 心射极平投影：
定义：将投影平面与上述带有晶面极点的球面相切与球面上的任一点，以球心为视点，将球面上的晶面极点投影于投影平面上，即以球心与球面上的晶面极点做直线延伸到投影平面，此直线与投影平面相交点即为此晶面极点的投影点。缺点：投影直线与投影平面平行的那些晶面极点无法做投影，一个投影平面只能记录球面上部分晶面极点。应用：诠释劳埃衍射照片十分有用。
1.正点阵 2.倒易点阵 3.倒易矢量的基本性质 4.正倒空间的关系 5.广义晶带理论
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一、正点阵
概念：晶体的空间点阵。反映了晶体中的质点在三维空间中的周期性排列；与晶体结构相关，描述的是晶体中原子的分布规律，是实际物质空间，所在空间为正空间；
分类：7大晶系、14种晶胞类型; 晶面、晶向表征方法：米勒指数（hkl）、[uvw]或（hkil）、
7
-
➢ 极射赤平投影：
以赤道平面为投影平面，以南极(或北极)为视点，将球面上的各个点、线进行投影。
晶体投影的基本要素
8
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D’
C’
B’
A’
极射赤平投影
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球面投影与极射赤面投影之间的关系：球面上过南北轴的大圆，其极射赤面投影为过基圆中心的直径；球面上未过南北轴的倾斜大圆，其投影为大圆弧，大圆弧的弦为基圆直径；水平大圆即赤道平面与投影球的交线，其极射赤面投影为投影基圆本身；水平小圆的极射赤面投影为与基圆同心的圆；倾斜小圆的投影为椭圆；直立小圆的极射赤面投影为一段圆弧，其大小和位置取决于小圆的大小和位置。
第2章晶体学基础
参考教材： The Science and Engineering of
MaHale Waihona Puke erials-目录
晶体及其基本性质晶向、晶面及晶带晶体的间隙晶体的缺陷晶体的投影倒易点阵
2
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1.3 晶体投影
1. 球面投影和极射赤面投影 2. 极式网与乌式网 3. 晶带的极射赤面投影 4. 标准极射赤面投影图
[uvtw]; 点阵参数：a、b、c、α、β、γ，基矢量a、b、c，任意矢量R可表
示为R=ma+nb+pc，其中m、n、p为整数， α、β、γ分别为b与c，
c与a，a与b之间的夹角。
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二、倒易点阵
1.概念：是一个虚拟点阵，是由厄瓦尔德在正空间点阵基础上建立起来的，该点阵的许多性质与晶体正点阵保持着倒易关系，故称为~，所在空间为倒空间。倒易点阵与晶体衍射有关，描述衍射方向问题；正空间中的晶面在倒空间表现为一个倒易阵点，同一晶带的各晶
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晶体的球面投影
球面坐标：
如果此球面具有像地球仪那样的经纬线，而且以φ表示经度，ρ表示纬度，那么光学测角仪所记录的晶体各晶面的球体坐标φ和ρ在这里将有一致的表达。
球面上任意两结点之间的弧度严格表示相应的两个晶面法线之间的夹角。面间夹角就是它的补角。方位角φ: 0 ~ 360 极距角ρ: 0 ~ 180, 从北极开始
W
E
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-
经纬线坐标网
乌式网
四、标准极射赤面投影图（标准极图）
定义：以晶体的某一简单晶面为投影图，将各晶面的球面投影再投影到此平面上去所形成的投影图。
在测定晶体取向、如织构中非常有用，标明了晶体中所有重要晶面的相对取向和对称关系和对称关系，可方便地定出投影图中所有极点的指数。
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1.4 倒易点阵
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概念：晶体的投影是指将构成晶体的晶向和晶面等几何元素以一定的规则投影到投影面上，使晶向、晶面等几何元素的空间关系转换成其在投影面上的关系。
分类：球面和赤平面，对应的投影为球面投影和极射赤面投影。关系的确定：通过晶体的投影可获得晶体的晶向、晶面等元素之
间的关系。此关系通常由极式网和乌式网确定。
4
一、晶体的球面投影和极射赤面投影
1. 晶体的球面投影：各晶面法线之投影。设想以晶体的中心为球心，任意长为半径，作一球面；然后从球心出发（注意：不是从每个晶面本身的中心出发），引每一晶面的法线，延长后各自交球面于一点，这些点便是相应晶面的球面投影点（晶面极点）。
大园: 过球心的平面小园: 平面半径小于球的半径
倾斜大圆
平行于赤道的小圆倾斜于赤道的小圆垂直于赤面的小圆
9
二、极式网与乌式网
1.极式网：将经纬线坐标网以其本身的赤道平面为投影面，作极射赤面投影，所得的极射赤面投影网。由一系列直径和一系列同心圆组成，每一直径和同心圆分别表示经线和纬线的极射赤面投影，经线等分投影基圆圆周，纬线等分投影基圆直径。基圆直径为20 mm，等分间隔为2°
10
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极式网的用途：直接读出极点的球面坐标，获得该晶面或晶向的空间位相；当晶面或晶向的极点在同一直径上，其间的纬度差即为晶面或晶
向间的夹角，可以从极式网上直接读出；但是，当两极点不在同一直径上时，无法测量其角度，应用受到
限制。
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2. 乌氏网：(Wulff net)
以同时过NS和EW的平面为投影面，投影光源为投影面中心法线与投影球的交点，即前后极点F或L，经纬线坐标网的极射平面投影即为乌式网。南北轴NS和东西轴EW的投影分别过乌式网中心的水平直径和垂直直径。前后轴 FL的投影为乌式网的中心；经线的投影为一簇以N、S为端点的大圆弧；纬线的投影是一组圆心位于南北轴上的小圆弧。实际使用的乌式网直径为20 mm，圆弧间隔均为2° 乌式网的应用：1.夹角测量；2.晶体转到；3.投影面转换
面在倒空间中为共面的倒易阵点。倒易空间与厄瓦尔德球相结合时，可直观解释晶体中的各种衍射
现象，因为衍射花样的本质是满足衍射条件的倒易阵点的投影。
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2. 倒易点阵坐标系的建立： ➢ 从正点阵的原点O出发，作任一晶面（hkl）的法线ON，在该法线上取一点Phkl ，使OPhkl长度正比例与该晶面间距dhkl的倒数，则点阵称为该晶面的倒易点，用hkl表示，所有晶面的倒易点便构成了倒易点阵。