第五章 晶体结构
§5-1晶体的点阵理论
1. 晶体的结构特征
人们对晶体的印象往往和晶莹剔透联系在一起。公元一世纪的古罗马作家普林尼在《博物志》中,将石英定义为“冰的化石”,并用希腊语中“冰”这个词来称呼晶体。我国至迟在公元十世纪,就发现了天然的透明晶体经日光照射以后也会出现五色光,因而把这种天然透明晶体叫做\五光石\。其实,并非所有的晶体都是晶莹剔透的,例如,石墨就是一种不透明的晶体。
日常生活中接触到的食盐、糖、洗涤用碱、金属、岩石、砂子、水泥等都主要由晶体组成,这些物质中的的晶粒大小不一,如,食盐中的晶粒大小以毫米计,金属中的晶粒大小以微米计。晶体有着广泛的应用。从日常电器到科学仪器,很多部件都是由各种天然或人工晶体而成,如,石英钟、晶体管,电视机屏幕上的荧光粉,激光器中的宝石,计算机中的磁芯等等。
晶体具有按一定几何规律排列的内部结构,即,晶体由原子(离子、原子团或离子团)近似无限地、在三维空间周期性地呈重复排列而成。这种结构上的长程有序,是晶体与气体、液体以及非晶态固体的本质区别。晶体的内部结构称为晶体结构。
晶体的周期性结构,使得晶体具有一些共同的性质:
(1) 均匀性 晶体中原子周期排布的周期很小,宏观观察分辨不出微观的不连续性,因而,晶体内部各部分的宏观性质(如化学组成、密度)是相同的。
(2) 各向异性 在晶体的周期性结构中,不同方向上原子的排列情况不同,使得不同方向上的物理性质呈现差异。如,电导率、热膨胀系数、折光率、机械强度等。
(3) 自发形成多面体外形 无论是天然矿物晶体还是人工合成晶体,在一定的生长条件下,可以形成多面体外形,这是晶体结构的宏观表现之一。晶体也可以不具有多面体外形,大多数天然和合成固体是多晶体,它们是由许多取向混乱、尺寸不一、形状不规则的小晶体或晶粒的集合。
(4) 具有确定的熔点 各个周期内部的原子的排列方式和结合力相同,到达熔点时,各个周期都处于吸热溶化过程,从而使得温度不变。 (5) 对称性 晶体的理想外形和内部结构具有对称性。
(6) X射线衍射 晶体结构的周期和X射线的波长差不多,可以作为三维光栅,使X射线产生衍射现象。X射线衍射是了解晶体结构的重要实验方法。
2. 周期性
(a)(b) 上面两个图形均表现出周期性:沿直线方向,每隔相同的距离,就会出现相同的图案。如果在图形中划出一个最小的重复单位(阴影部分所示),通过平移,将该单位沿直线向两端周期性重复排列,就构成了上面的图形。
最小重复单位的选择不是唯一的,例如,在图(a)中,下面任何一个图案都可以作为最小的重复单位。
确定了最小的重复单位后,为了描述图形的周期性,可以不考虑重复单位中的具体内容,抽象地用一个点表示重复单位。点的位置可以任意指定,可以在单位中或边缘的任何位置,但一旦指定后,每个单位中的点的位置必须相同。如,
不论点的位置如何选取,最后得到的一组点在空间的取向以及相邻点的间距不会发生变化。
对图(b)也用同样的方法处理,可以得到完全相同的一组周期性排列的点。这样的一组抽象的点集中反映了2个图形中重复周期的大小
2020年高考化学总复习经典讲义——晶体结构
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