晶体学第一章-3

第一章 晶体

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。

那么，什么是晶体？

在远古年代，人们在矿业活动中发现了具有规则几何多面体形态的水晶，于是，

晶体的远古定义（从现象）：能自发生长成规则几何多面体外形的固体称为晶体。

这种定义显然是不够严谨的，有些晶体并不发育成几何多面体外形，例如岩石中的晶体小颗粒。晶体能够发育成几何多面体外形仅仅是晶体内部本质的一种外在表现形式，那么，晶体的内部本质又是什么呢?

1895年德国物理学家伦琴(W.C.Rentgen)发现X射线后。1912年德国物理学家劳埃（M.Von Laue）第一次用X射线在实验上证明了晶体的根本特性——晶体内部质点在三维空间周期性地排列。

所以，晶体的现代定义（从本质）：晶体（crystal）是内部质点(原子、离子或分子)在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间周期性地重复排列也称格子构造，所以晶体是具有格子构造的固体。

与此相反，不具格子构造的物质为非晶体或非晶态（noncrystal）。

图1－2 晶体与非晶体结构（平面）示意图

(a)晶体，（b）玻璃（非晶体）

图1－2是晶体与玻璃（非晶态）的平面结构特点示意图，由图可见，晶体的内部结构中原子、离子是有规律排列的，具格子构造；非晶体的内部结构是不规律的，不具格子构造。

但是，非晶体的内部结构在很小的范围内也具有某些有序性（如一个小黑点周围分布着三个小圆圈），这种有序性与晶体结构中的一样。我们将这种局部的有序称为近程规律，而在整个结构范围的有序称为远程规律。显然，晶体既有近程规律也有远程规律，非晶体则只有近程规律。

液体的结构与非晶态结构相似，也只具有近程规律；在气体中无远程规律也无近程规律。

晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的，例如，岩浆迅速冷凝而成的火山玻璃，在漫长的地质年代中，其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，而晶态内能小、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（noncrystallizing）。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α射线的作用，晶体遭到破坏而转变为非晶态。

第一章 晶体（掌握基本概念）

晶体：内部质点周期重复排列的物体。

格子构造：晶体内部质点排列周期重复规律。

空间格子：表示晶体结构周期重复规律的简单几何图形。

相当点：1.点的性质（种类）相同；2.点的周围环境相同。

导出空间格子的方法：1.找出相当点。2.连接起来

空间格子与具体晶体结构关系：具体晶体结构>>>多套空间相同形状、大小（※）的格子组成的。

空间格子比具体晶体结构简单（※），化繁为简

空间格子的要素：1.结点：空间格子中的点（代表相当点）；2.行列：结点在直线上的排列（节点间距）。

任意行列上节点间距相等；相互平行的行列上的节点间距相等。

面网：结点在平面上的分布（面网间距（垂直距离）、面网密度（点的分布稀疏、结点数））

面网的形状一定是平行四边形的（※）>>周期性导致的

面网密度与面网间距成正比

平行六面体：结点在三维空间形成的最小重复单位（引出，a,b,c; α，β，γ，称为轴长与轴角，也称晶胞参数）。a：前后方向；b：左右方向；c：上下方向。

平行六面体范围内的晶体>>>晶胞

平行六面体的形状总共有7种，对应有7套晶胞参数，也对应7个晶系。不同形状决定了晶体具有不同的对称性质。

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。

晶体的平面就是一个面网，晶棱就是一个行列（宏观微观对应）

晶体均一性是绝对的，非晶体均一性是统计性的，小范围内（到纳米级）不一定性质相同

异向性：同一晶体不同方向具有不同的物理性质。 晶体自限性体现了晶体的异向性，外在形态上的体现

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）有规律的重复出现。

最小内能性：晶体与同种物质的非晶体相比，内能最小。

晶体具有固定的熔点

稳定性：晶体比非晶体稳定

会用格子构造解释这些性质

非晶体（玻璃）的定义及特点？（引出远程规律和近程规律）：非晶体具有近程规律

第一章 金属与合金的晶体结构

一．名词解释

金属键、晶体、非晶体、晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞、晶粒、单晶体、多晶体、晶向、晶面、晶带、晶带轴、多晶型转变、同素异构转变、配位数、致密度、合金、单相合金、多相合金、固溶体、间隙固溶体、置换固溶体、固溶强化、金属化合物、电子化合物、间隙化合物、间隙相、点缺陷、线缺陷、面缺陷、空位、间隙原子、置换原子、位错、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、表面能、晶界、亚晶界、小角度晶界、大角度晶界、堆垛层错、共格界面、半共格界面、非共格界面、内吸附

二．填空题

1． 物质间原子间的结合方式主要包括_________、__________、_________三种。

2． 同非金属相比，金属的主要特性是____________ _ ，原因在于金属原子具有 的结合方式。

3． 晶体与非晶体的最根本区别是_____________。

4．表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做__________，而晶胞是指____________ 。

5. FeFe的一个晶胞内的原子数分别为 和 。

6． 金属常见的晶格类型是_____________、_____________、_____________。

7． 原子排列最密的晶向，对于金属体心立方晶格为_____________，而对于金属面心立方晶格为_____________。

8． 晶体在不同晶向上的性能是_____________，这就是单晶体的_____________现象。一般结构用金属为_____________晶体，在各个方向上的性能_____________，这称为金属的_____________现象。

9． 常温下使用的金属材料以_____________晶粒为好，而高温下使用的金属材料以_____________晶粒为好。

1 第四节 晶体的定向和晶面符号

从上面的讨论中可知，对晶体的各部分必须有统一的命名才能有共同的语言。如上面提到的是底心C，还是底心A和B？又如图示两个图形都属于L44L25PC对称型，并且都是由四方柱和四方双锥组成的。但是由于四方柱和四方双锥的相对位置不同，因而具有不同的形

态，要确切的描述他们，就必须确定晶面在空间的相对位置。也就是要对晶体进行定向。

此外在我们谈到晶体的共性时，曾讲过晶体的各向异性，即晶体的物理化学性质在各个方向上有差异，为了确切地分析和研究这些性质，我们也要确定晶面在空间的相对位置。如果没有统一的规定，那么来自同一个问题可说成是不一样的事，而不同的问题又可讲成是一回事，这就会引起混乱。结晶学上对晶体的取向有统一的规定，并且还规定了一套结晶符号来命名晶体内的几何要素（点、线、面等）。

一、晶体的定向（三轴定向）：晶体的定向就是在晶体中选定一个三维坐标系统。

具体来说就是选取三根直线作为结晶轴，也就是晶体中的坐标轴X、Y、Z，注意其选取不是任意的，一般选择对称轴或平行于晶棱的直线等。作为晶体的坐标轴一般系交于晶体中心的三条直线，标记为X轴（前为正，后为负），Y轴（右为正、左为负），Z轴（上为正、下为负）。结晶轴（晶体中的坐标轴）之间的夹角称为轴角，分别以 α（Y∧Z），β（Z∧X），γ（X∧Y）表示。即在晶体上确定如下坐标系统：

(1) 晶轴：交于晶体中心的三条直线。为x、y、z。

(2) 轴角:α、β、γ

(3) 轴长和轴率：即确定结晶轴（晶体中格子构造中的行列）上作为长度计量单位的线段。但是，在讨论晶体外形几何特征时只涉及晶面、晶棱的方向问题，并不考虑它们的具体位置和大小。因而不需知道三个轴单位（行列上的结点间距）的绝对长度，只需求得三个轴单位之间的比值即可。为此，把a轴、b轴、c轴的轴单位连比（a ：b ：c）称为轴率。所以人们往往在晶体定向中，将轴率a ：b ：c和轴角α、β、γ合称为晶体几何常数。也就是我们前面所讲的平行六面体参数（常数）、点阵常数、晶胞常数或晶格常数。