周公度第四版結(jié)構(gòu)化學(xué)第七章_晶體的點陣結(jié)構(gòu)和晶體的性質(zhì)

1、7.1 晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點陣晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點陣7.2 晶體結(jié)構(gòu)的對稱性晶體結(jié)構(gòu)的對稱性7.3 點陣的標(biāo)記和點陣平面間距點陣的標(biāo)記和點陣平面間距7.4 空間群及晶體結(jié)構(gòu)的表達(dá)空間群及晶體結(jié)構(gòu)的表達(dá)7.5 晶體的結(jié)構(gòu)和晶體性質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)和晶體性質(zhì)7.6 晶體的衍射晶體的衍射第七章第七章 晶體的點陣結(jié)構(gòu)和性質(zhì)晶體的點陣結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 世界上的固態(tài)物質(zhì)可分為二類，世界上的固態(tài)物質(zhì)可分為二類，一類是一類是晶態(tài)，另一類是非晶態(tài)。晶態(tài)，另一類是非晶態(tài)。自然界存在大量的自然界存在大量的晶體物質(zhì)，如高山巖石、地下礦藏、海邊砂晶體物質(zhì)，如高山巖石、地下礦藏、海邊砂粒、兩極冰川都是晶體組成。人類制造的金粒、兩極冰

2、川都是晶體組成。人類制造的金屬、合金器材，水泥制品及食品中的鹽、糖屬、合金器材，水泥制品及食品中的鹽、糖等都屬于晶體，不論它們大至成千萬噸，小等都屬于晶體，不論它們大至成千萬噸，小至毫米、微米，至毫米、微米，晶體中的原子、分子都按某晶體中的原子、分子都按某種規(guī)律周期性地排列種規(guī)律周期性地排列。另一類固態(tài)物質(zhì)，如。另一類固態(tài)物質(zhì)，如玻璃、明膠、碳粉、塑料制品等，它們玻璃、明膠、碳粉、塑料制品等，它們內(nèi)部內(nèi)部的原子、分子排列雜亂無章，沒有周期性規(guī)的原子、分子排列雜亂無章，沒有周期性規(guī)律律，通常稱為玻璃體、無定形物或非晶態(tài)物，通常稱為玻璃體、無定形物或非晶態(tài)物質(zhì)。質(zhì)。7.1 晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點陣晶

3、體結(jié)構(gòu)的周期性和點陣 晶體的定義晶體的定義 晶體晶體是由原子、離子、分子或離子基團(tuán)在空間按一定規(guī)律是由原子、離子、分子或離子基團(tuán)在空間按一定規(guī)律重復(fù)地排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。重復(fù)地排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。 非晶體非晶體物質(zhì)中，內(nèi)部原子或分子的排布沒有周期性，而是物質(zhì)中，內(nèi)部原子或分子的排布沒有周期性，而是雜亂無章的分布的。雜亂無章的分布的。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖非晶態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖晶態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖晶態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖晶體具有以下性質(zhì)：晶體具有以下性質(zhì)：均勻性均勻性：一塊晶體內(nèi)部各部分的宏觀性質(zhì)相同，如有相一塊晶體內(nèi)部各部分的宏觀性質(zhì)相同，如有相同的密度，相同的化學(xué)組成；同的密度，相同的化學(xué)組成；各向異性各向異性：晶體在

4、不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)，晶體在不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)，如不同的方向具有不同的電導(dǎo)率，不同的折光率和不同的如不同的方向具有不同的電導(dǎo)率，不同的折光率和不同的機(jī)械強(qiáng)度等；機(jī)械強(qiáng)度等；對稱性對稱性：晶體的外觀與內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)都具有特定的對稱晶體的外觀與內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)都具有特定的對稱性；性；自發(fā)地形成多面體外形自發(fā)地形成多面體外形（自范性）；（自范性）；具有明顯確定的熔點具有明顯確定的熔點；對對X射線的衍射射線的衍射。 晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征是周期性周期性:每隔一定距離都能重復(fù)出每隔一定距離都能重復(fù)出現(xiàn)的性質(zhì)?，F(xiàn)的性質(zhì)。 1895年年Roentgen（倫琴）發(fā)現(xiàn)（倫琴）

5、發(fā)現(xiàn)X射線，射線，1912年年Bragg（布拉格）首次用（布拉格）首次用X射線衍射線衍射測定晶體結(jié)構(gòu)，標(biāo)志現(xiàn)代晶體學(xué)的創(chuàng)立。射測定晶體結(jié)構(gòu)，標(biāo)志現(xiàn)代晶體學(xué)的創(chuàng)立。晶體內(nèi)部原子、分子結(jié)構(gòu)的基本單元，在晶體內(nèi)部原子、分子結(jié)構(gòu)的基本單元，在三維空間作周期性重復(fù)排列，我們可用一三維空間作周期性重復(fù)排列，我們可用一種數(shù)學(xué)抽象種數(shù)學(xué)抽象點陣來研究它。若點陣來研究它。若晶體內(nèi)晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本單元可抽象為一個或幾個點部結(jié)構(gòu)的基本單元可抽象為一個或幾個點，則整個晶體可用一個則整個晶體可用一個三維點陣三維點陣來表示。來表示。 7.1.1 點陣、結(jié)構(gòu)基元和晶胞點陣、結(jié)構(gòu)基元和晶胞 從晶體中無數(shù)個重復(fù)的等同基本單位

6、抽象出來的無數(shù)個點，從晶體中無數(shù)個重復(fù)的等同基本單位抽象出來的無數(shù)個點，而且而且按連接其中任意兩點的向量平移后能使這組點復(fù)原按連接其中任意兩點的向量平移后能使這組點復(fù)原。則。則這組點就稱為這組點就稱為點陣（點陣（lattice）。點陣中的點稱為點陣中的點稱為點陣點點陣點。重復(fù)著的單位，即每個點陣點所代表的具體內(nèi)容稱為重復(fù)著的單位，即每個點陣點所代表的具體內(nèi)容稱為結(jié)構(gòu)基結(jié)構(gòu)基元元（structural motif）。）。 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) = 點陣點陣 + 結(jié)構(gòu)基元結(jié)構(gòu)基元點陣和結(jié)構(gòu)基元點陣和結(jié)構(gòu)基元構(gòu)成點陣的條件：構(gòu)成點陣的條件：點陣點數(shù)無窮大；點陣點數(shù)無窮大；每個點陣點周圍具每個點陣點周圍具

7、有相同的環(huán)境；有相同的環(huán)境；平移后能復(fù)原平移后能復(fù)原(同一同一個方向上相鄰點之個方向上相鄰點之間的距離一樣間的距離一樣)。結(jié)構(gòu)基元必須滿足的條件：結(jié)構(gòu)基元必須滿足的條件：化學(xué)組成相同；化學(xué)組成相同；空間結(jié)構(gòu)相同；空間結(jié)構(gòu)相同；排列取向相同；排列取向相同；周圍環(huán)境相同。周圍環(huán)境相同。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) = = 點陣點陣 + + 結(jié)構(gòu)基元結(jié)構(gòu)基元直線點陣直線點陣平面點陣平面點陣空間點陣空間點陣晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) = 點陣點陣 + 結(jié)構(gòu)基元結(jié)構(gòu)基元點陣的分類點陣的分類7.1.2 點陣參數(shù)和晶胞參數(shù)點陣參數(shù)和晶胞參數(shù)直線點陣（一維點陣）直線點陣（一維點陣）在點陣中以直線連結(jié)各個點陣點，形成直線點陣，在點陣

8、中以直線連結(jié)各個點陣點，形成直線點陣，相鄰兩個點相鄰兩個點陣點的矢量陣點的矢量a是這直線點陣的是這直線點陣的單位矢量單位矢量，矢量的長度，矢量的長度a = a 稱稱為為點陣參數(shù)點陣參數(shù)。 aaa平面點陣用兩個互不平行的單位矢量平面點陣用兩個互不平行的單位矢量a、b劃分成一個個的劃分成一個個的平行四平行四邊行邊行相平行的相平行的單位矢量單位矢量，各點陣點都位于平行四邊形的頂點上。，各點陣點都位于平行四邊形的頂點上。矢量的長度矢量的長度a = a 、b = b 及其夾角及其夾角 稱為稱為平面點陣參數(shù)平面點陣參數(shù)。 平面點陣平面點陣 （二維點陣）（二維點陣） 通過點陣點劃分乎行四邊形的方式通過點陣點

9、劃分乎行四邊形的方式是多種多樣的，雖然它們的點陣參是多種多樣的，雖然它們的點陣參數(shù)不同，但若數(shù)不同，但若它們都只含一個點陣它們都只含一個點陣點，它們的面積就一定相同點，它們的面積就一定相同。四邊形四邊形頂點頂點上的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為上的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為1/4；四邊形四邊形邊邊上的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為上的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為1/2；四邊形四邊形內(nèi)內(nèi)的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為1?？臻g點陣（三維點陣）空間點陣（三維點陣） 由空間點陣按選擇的向量由空間點陣按選擇的向量a、b、c將點陣劃分成并置的將點陣劃分成并置的平行六平行六面體單位面體單位，稱為，稱為點

10、陣單位點陣單位。按照晶體結(jié)構(gòu)的周期性劃分所得的平行六面體單位稱為按照晶體結(jié)構(gòu)的周期性劃分所得的平行六面體單位稱為晶胞晶胞向量的長度及其夾角向量的長度及其夾角 a = a 、b = b 、c = c = bc、= ac、=ab 稱為稱為點陣參數(shù)或晶胞參數(shù)點陣參數(shù)或晶胞參數(shù)六面體六面體頂點頂點上的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為上的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為1/8六面體六面體棱棱上的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為上的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為1/4；六面體六面體面面上的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為上的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為1/2；六面體六面體內(nèi)內(nèi)的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為的陣點，對每個單位的貢獻(xiàn)為1。 晶胞中原子晶胞

11、中原子P 的位置用向量的位置用向量r = OP = xa + yb + zc代表代表. 其中其中x、y、z就是分?jǐn)?shù)坐標(biāo)，它們永遠(yuǎn)就是分?jǐn)?shù)坐標(biāo)，它們永遠(yuǎn)不會大于不會大于1.分?jǐn)?shù)坐標(biāo)分?jǐn)?shù)坐標(biāo)xyzabc 晶胞參數(shù)晶胞參數(shù)所有頂點原子：所有頂點原子： 0，0，0 (前前)后面心原子：后面心原子： 0，1/2，1/2左左(右右)面心原子：面心原子： 1/2，0，1/2(上上)下面心原子：下面心原子： 1/2，1/2，0空間格子（晶格）：空間點陣按照確定的平行六面體空間格子（晶格）：空間點陣按照確定的平行六面體單位連線劃分而獲得的一套直線網(wǎng)格。單位連線劃分而獲得的一套直線網(wǎng)格。共同點區(qū)別點陣Lattic

12、e；都是從實際晶體中抽象出來，反映晶體結(jié)構(gòu)的周期性強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)基元在空間的周期排列，反映的周期排列的方式唯一空間格子強(qiáng)調(diào)按點陣單位劃分出來的格子，由于選坐標(biāo)軸和單位矢量有一定靈活性，不唯一晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，包含在晶胞的兩個基本要素中：晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，包含在晶胞的兩個基本要素中：（1）晶胞的大小和形狀晶胞的大小和形狀，即晶胞參數(shù)，即晶胞參數(shù)a,b,c, , , （2）晶胞內(nèi)部各原子的坐標(biāo)位置晶胞內(nèi)部各原子的坐標(biāo)位置，即原子的坐標(biāo)，即原子的坐標(biāo)參數(shù)（參數(shù)（x,y,z） 有了這兩方面的數(shù)據(jù)，整個晶體的空間結(jié)構(gòu)也就有了這兩方面的數(shù)據(jù)，整個晶體的空間結(jié)構(gòu)也就知道了。知道了。7.2 晶體結(jié)構(gòu)的對稱性晶體結(jié)構(gòu)的對

13、稱性 7.2.1 晶體結(jié)構(gòu)的對稱元素和對稱操作晶體結(jié)構(gòu)的對稱元素和對稱操作 旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)操作旋轉(zhuǎn)操作 鏡面鏡面反映操作反映操作 對稱中心對稱中心反演操作反演操作 反軸反軸旋轉(zhuǎn)反演操作旋轉(zhuǎn)反演操作 點陣點陣平移操作平移操作 螺旋軸螺旋軸螺旋旋轉(zhuǎn)操作螺旋旋轉(zhuǎn)操作 滑移面滑移面反演滑移操作反演滑移操作旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)操作旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)操作旋轉(zhuǎn)操作旋轉(zhuǎn)操作是將分子繞通過其中心的軸旋轉(zhuǎn)一定的角度使分是將分子繞通過其中心的軸旋轉(zhuǎn)一定的角度使分子復(fù)原的操作，旋轉(zhuǎn)依據(jù)的對稱元素為子復(fù)原的操作，旋轉(zhuǎn)依據(jù)的對稱元素為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸。旋轉(zhuǎn)軸用記號旋轉(zhuǎn)軸用記號Cn表示，稱為表示，稱為n次旋轉(zhuǎn)軸次旋轉(zhuǎn)軸， n為旋轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)3

14、60度過程度過程中分子復(fù)原的次數(shù)，稱為中分子復(fù)原的次數(shù)，稱為軸次軸次。使物體復(fù)原的最小旋轉(zhuǎn)角（使物體復(fù)原的最小旋轉(zhuǎn)角（0度除外）稱為度除外）稱為基轉(zhuǎn)角基轉(zhuǎn)角( )。 = 360o / n ，旋轉(zhuǎn)角度按旋轉(zhuǎn)角度按逆時針方向逆時針方向計算。計算。12C2213C3C5C =180 =120 =75 0反映操作反映操作是是使圖形中的每一點都反映到該點到鏡面垂線的延長使圖形中的每一點都反映到該點到鏡面垂線的延長線上鏡面另一側(cè)等距離處。反映的對稱元素是線上鏡面另一側(cè)等距離處。反映的對稱元素是鏡面鏡面。鏡面鏡面用記號用記號 （或（或m）表示，相應(yīng)的反映操作也記為表示，相應(yīng)的反映操作也記為 。反映操作有兩個

15、：反映操作有兩個： 1 和和 2 2 = EnnEn 奇奇數(shù)數(shù)偶偶數(shù)數(shù)反演操作反演操作是從圖形中任一點至對稱中心連一直線，將此線是從圖形中任一點至對稱中心連一直線，將此線延長，必可在和對稱中心等距離的另一側(cè)找到另延長，必可在和對稱中心等距離的另一側(cè)找到另一相應(yīng)點。反演依據(jù)的對稱元素為一相應(yīng)點。反演依據(jù)的對稱元素為對稱中心對稱中心。對稱中心用記號對稱中心用記號i 表示，相應(yīng)的反演操作也記為表示，相應(yīng)的反演操作也記為i 。i反演操作有兩個：反演操作有兩個：i1 和和i2i2 = EniniEn 奇奇數(shù)數(shù)偶偶數(shù)數(shù)旋轉(zhuǎn)反演操作和反軸旋轉(zhuǎn)反演操作：旋轉(zhuǎn)反演操作：先先繞軸轉(zhuǎn)繞軸轉(zhuǎn)360 /n，接著按軸上的

16、中心點進(jìn)，接著按軸上的中心點進(jìn)行反演。行反演。nnnIiCC i 旋轉(zhuǎn)反演操作用旋轉(zhuǎn)反演操作用I 表示表示12341234ii14C14C12344312微觀對稱元素和對稱操作微觀對稱元素和對稱操作 點陣點陣平移操作平移操作 Tmnpmanbpc m、n、p為任意整數(shù)為任意整數(shù) 即一個平移矢量即一個平移矢量Tmnp作用在晶體三維點陣作用在晶體三維點陣上，使點陣點在上，使點陣點在a 方向平移方向平移 m 單位，單位，b 方向平方向平移移 n 單位，單位，c 方向平移方向平移 p 單位后，點陣結(jié)構(gòu)仍單位后，點陣結(jié)構(gòu)仍能復(fù)原。能復(fù)原。 2. 螺旋軸螺旋軸螺旋旋轉(zhuǎn)操作螺旋旋轉(zhuǎn)操作 螺旋軸對應(yīng)的對稱操作

17、是螺旋軸對應(yīng)的對稱操作是旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)和平移平移的聯(lián)合對稱操作。的聯(lián)合對稱操作。 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)2 /n，再沿軸向平移再沿軸向平移m/n單單位位, 叫作螺旋旋轉(zhuǎn)操作叫作螺旋旋轉(zhuǎn)操作, 相應(yīng)的微觀對相應(yīng)的微觀對稱元素是稱元素是螺旋軸螺旋軸nm . 其中其中, n =2、3、4、6, m是小于是小于n的的(正正)整數(shù)整數(shù)t 是平移周期，是平移周期， t = n / m31旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)2 /n= /2 ，再沿軸向平移再沿軸向平移t = m/n=2/4單位單位3. 滑移面滑移面反映滑移操作反映滑移操作滑移面對應(yīng)的對稱操作是滑移面對應(yīng)的對稱操作是反映反映和平移和平移的聯(lián)合操作。的聯(lián)合操作?；泼婊泼嬗袔追N類型有幾種

18、類型. a滑移面滑移面的基本操作是對于該面的基本操作是對于該面(假象鏡面假象鏡面)反映后，再沿平反映后，再沿平行于此面的行于此面的x 軸軸方向方向平移平移 ta/2。ta 是是x 軸方向的平移周期軸方向的平移周期 a。有時將平移直接寫成有時將平移直接寫成 a/2.軸線滑移面軸線滑移面a(b或或c)：通過鏡面反映后，再沿通過鏡面反映后，再沿a軸軸(b或或c)方向滑移方向滑移a/2(b/2或或c/2)通過鏡面通過鏡面反映反映后，再沿后，再沿c軸方向滑移軸方向滑移c/2軸向滑移面軸向滑移面：沿：沿晶軸晶軸(a、b， c)方向方向滑移滑移;對角滑移面對角滑移面：沿：沿晶胞面對角線或體對角線晶胞面對角線

19、或體對角線方方向滑移，平移分量為對角線一半向滑移，平移分量為對角線一半;金剛石滑移面金剛石滑移面：沿晶胞面對角線或體對角線：沿晶胞面對角線或體對角線方向滑移，方向滑移，平移分量對角線平移分量對角線1/4的對角滑移面。的對角滑移面。滑移面滑移面反映滑移操作反映滑移操作 由于晶體中存在的對稱性必須與點陣的周期性由于晶體中存在的對稱性必須與點陣的周期性相一致，因此，晶體的點陣結(jié)構(gòu)使其對稱性受到了相一致，因此，晶體的點陣結(jié)構(gòu)使其對稱性受到了限制。限制。（1）在晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)中，）在晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)中， 任何任何對稱軸對稱軸（旋轉(zhuǎn)軸、反軸、螺旋軸）都必須與（旋轉(zhuǎn)軸、反軸、螺旋軸）都必須與此空間點陣

20、中的一組直線點陣平行，且與一組平面此空間點陣中的一組直線點陣平行，且與一組平面點陣垂直；點陣垂直； 任何任何對稱面對稱面（鏡面、滑移面）都必須與此空間點（鏡面、滑移面）都必須與此空間點陣中的一組平面點陣平行，且與一組直線點陣垂直。陣中的一組平面點陣平行，且與一組直線點陣垂直。（2）晶體中的對稱軸（旋轉(zhuǎn)軸、反軸、螺旋軸）的）晶體中的對稱軸（旋轉(zhuǎn)軸、反軸、螺旋軸）的軸次僅限于軸次僅限于1、2、3、4、6等五種，而不可能存在等五種，而不可能存在5及及6以上的軸次。以上的軸次。設(shè)陣點設(shè)陣點A1、A2、A3、A4相隔周期為相隔周期為a，有一個，有一個n 重旋轉(zhuǎn)軸通過重旋轉(zhuǎn)軸通過點陣點。繞點陣點。繞A2點

21、順時針旋轉(zhuǎn)基轉(zhuǎn)角點順時針旋轉(zhuǎn)基轉(zhuǎn)角 得陣點得陣點B1，繞，繞A3點逆時針旋點逆時針旋轉(zhuǎn)基轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)基轉(zhuǎn)角 得陣點得陣點B2，B1和和B2連線平行于連線平行于A1和和A4連線，連線，B1和和B2的的間距必為基本周期間距必為基本周期a的整數(shù)倍的整數(shù)倍，設(shè)為，設(shè)為ma，m為整數(shù)，為整數(shù)， A1A2A3A4B2B1maaaaaa 2n 2 cos1cos12123,2,1,0, 1aamammm oooooo11cos1,0, 1220 ,60 ,90 ,120 ,180 ,360 n = 1、2、3、4、67.2.2 晶系、晶族和慣用坐標(biāo)系晶系、晶族和慣用坐標(biāo)系 根據(jù)晶體的對稱性，可將晶體分為根據(jù)晶體的

22、對稱性，可將晶體分為七個晶系七個晶系，每個晶系有它自，每個晶系有它自己的己的特征對稱元素特征對稱元素。特征對稱元素與晶軸的選取特征對稱元素與晶軸的選取晶系特征對稱元素晶胞類型晶軸的選取立方4個立方體對角線上有三重旋轉(zhuǎn)軸a = b = c, =904個3立方體的4個對角線，立方體的3個互相垂直的邊即為a,b,c的方向四方1個四重對稱軸a = b c, =90c4； a,b2 或選m 或選 a,b c 的晶棱特征對稱元素與晶軸的選取特征對稱元素與晶軸的選取晶系特征對稱元素晶胞類型晶軸的選取六方1個六重對稱軸a = b c,=90, =120c6;a,b2 或m或選a,bc 的恰當(dāng)晶棱三方1個三重對

23、稱軸菱面體晶胞a = b = c, = 120 90a, b, c 選與三次軸交成等角的晶棱六方晶胞a = b c, =90,=120 c3;a,b2 或m或選a,bc 的晶棱特征對稱元素與晶軸的選取特征對稱元素與晶軸的選取晶系特征對稱元素晶胞類型晶軸的選取正交3個互相垂直的二重對稱軸或2個互相垂直的對稱面a b c,=90a,b, c2或m單斜1個二重對稱軸或?qū)ΨQ面a b c, =90b2或m，a,c 選b的晶棱三斜無a b c a,b,c 選3個不共面的晶棱晶體所屬的晶系由晶體所屬的晶系由特征對稱元素特征對稱元素所決定、而不是由晶胞的形狀決定。所決定、而不是由晶胞的形狀決定。表中的表中的“

24、”符號，要理解為晶體的對稱性不要求它相等。符號，要理解為晶體的對稱性不要求它相等。七個晶系的存在及其相互關(guān)系七個晶系的存在及其相互關(guān)系四方四方立方立方三方三方六方六方正交正交單斜單斜三斜三斜晶胞的劃分晶胞的劃分某個晶體由某個晶體由特征對稱元素特征對稱元素確定晶系后，劃分晶胞通常要求符確定晶系后，劃分晶胞通常要求符合表中第三列合表中第三列晶胞類型晶胞類型所示的規(guī)定，并按第四列的方法選擇所示的規(guī)定，并按第四列的方法選擇晶軸晶軸。凡是所得晶胞符合這種規(guī)定的，稱為該晶系的凡是所得晶胞符合這種規(guī)定的，稱為該晶系的正當(dāng)晶胞正當(dāng)晶胞。在。在正當(dāng)晶胞中，有的含一個結(jié)構(gòu)基元，叫正當(dāng)晶胞中，有的含一個結(jié)構(gòu)基元，叫

25、素晶胞素晶胞；含一個以上；含一個以上結(jié)構(gòu)基元的稱結(jié)構(gòu)基元的稱復(fù)晶胞復(fù)晶胞。晶胞選取原則：晶胞選取原則： 所選平行六面體應(yīng)能反映晶體的對稱性。所選平行六面體應(yīng)能反映晶體的對稱性。晶胞參數(shù)中軸的夾角晶胞參數(shù)中軸的夾角 、 、 為為90o的數(shù)目最多。的數(shù)目最多。在滿足上述兩個條件下，所選的平行六面體的體積最小。在滿足上述兩個條件下，所選的平行六面體的體積最小。7.2.4 晶體的空間點陣型式晶體的空間點陣型式 在七大晶系基礎(chǔ)上在七大晶系基礎(chǔ)上, 如果進(jìn)一步考慮到簡單格子和帶心格子如果進(jìn)一步考慮到簡單格子和帶心格子, 就會產(chǎn)生就會產(chǎn)生14種空間點陣型式種空間點陣型式, 也叫做也叫做14種種布拉維格子布拉

26、維格子, 由布由布拉維（拉維（O.Bravais）1895年確定年確定. 空間點陣型式屬于空間點陣型式屬于微觀對稱性微觀對稱性.1、原始格子（原始格子（P）：）：結(jié)點分布于平行六面體的八個角頂上。結(jié)點分布于平行六面體的八個角頂上。2、底心格子：底心格子：結(jié)點分布于平行六面體的角頂及某一對面的中心。結(jié)點分布于平行六面體的角頂及某一對面的中心。其中又可細(xì)分為三種類型：其中又可細(xì)分為三種類型： 、C心格子（心格子（C）：）：結(jié)點分布于平行六面體的角頂和平行結(jié)點分布于平行六面體的角頂和平行（001）一對平面的中心；）一對平面的中心； 、A心格子（心格子（A）：）：結(jié)點分布于平行六面體的角頂和平行結(jié)點分

27、布于平行六面體的角頂和平行（100）一對平面的中心；）一對平面的中心； 、B心格子（心格子（B）：）：結(jié)點分布于平行六面體的角頂和平行結(jié)點分布于平行六面體的角頂和平行（010）一對平面的中心。）一對平面的中心。 一般情況下所謂一般情況下所謂底心格子即為底心格子即為C心格子心格子，對，對A心或心或B心格子，能心格子，能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成C心格子時，應(yīng)盡可能地予以轉(zhuǎn)換。心格子時，應(yīng)盡可能地予以轉(zhuǎn)換。3、體心格子（體心格子（I）：）：結(jié)點分布于平行六面體的角頂和體中心。結(jié)點分布于平行六面體的角頂和體中心。4、面心格子（面心格子（F）：）：結(jié)點分布于平行六面體的角頂和三對面的結(jié)點分布于平行六面體的角頂和三對

28、面的中心。中心。 晶族記號 晶系 點陣參數(shù)的限制 空間點陣型式 aanorthic三斜 簡單三斜 (aP) mmonoclinic單斜 = = 90簡單單斜 (mP)C心單斜 (mC (mA, mI) oorthorhombic正交 = = = 90簡單正交(oP), C心正交(oC ( oA, oB) )體心正交(oI), 面心正交(oF) hhexagonal三方a = b, =120 = = 90簡單六方(hP), R心六方(hR)六方簡單六方(hP) ttetragonal四方 a = b , = = = 90簡單四方(tP), 體心四方(tI) ccubic立方 a = b = c

29、, = = = 90簡單立方(cP), 體心立方(cI)面心立方(cF)面心立方格子面心立方格子，若按左圖取素格子只能表現(xiàn)三方對稱性；若，若按左圖取素格子只能表現(xiàn)三方對稱性；若取右圖所示的復(fù)格子就表現(xiàn)出立方對稱性取右圖所示的復(fù)格子就表現(xiàn)出立方對稱性(格子選取方式不能格子選取方式不能改變點陣結(jié)構(gòu)的對稱性，但改變點陣結(jié)構(gòu)的對稱性，但點陣固有的較高對稱性在素格子點陣固有的較高對稱性在素格子上可能被掩蓋上可能被掩蓋)： 為什么要考慮帶心格子為什么要考慮帶心格子?14種布拉維格子之一：種布拉維格子之一：簡單立方簡單立方14種布拉維格子二：種布拉維格子二：體心立方體心立方14種布拉維格子三：種布拉維格子三

30、：面心立方面心立方14種布拉維格子之四：種布拉維格子之四：簡單四方簡單四方14種布拉維格子之五：種布拉維格子之五：體心四方體心四方 14種布拉維格子之六：種布拉維格子之六：簡單六方簡單六方黑色與灰白色點都是點陣點.黑點與藍(lán)線表示一個正當(dāng)格子14種布拉維格子之七：三方晶系的種布拉維格子之七：三方晶系的R 心六方心六方14種布拉維格子之八：簡單正交種布拉維格子之八：簡單正交14種布拉維格子之九：體心正交種布拉維格子之九：體心正交 14種布拉維格子之十：種布拉維格子之十： C心正交心正交14種布拉維格子之十一：面心正交種布拉維格子之十一：面心正交14種布拉維格子之十二：簡單單斜種布拉維格子之十二：簡

31、單單斜14種布拉維格子之十三：種布拉維格子之十三： C心單斜心單斜14種布拉維格子之十四：簡單三斜種布拉維格子之十四：簡單三斜無底心立方的點陣型式無底心立方的點陣型式對于立方晶系，若底面帶心，會破對于立方晶系，若底面帶心，會破壞體對角線上三重旋轉(zhuǎn)軸壞體對角線上三重旋轉(zhuǎn)軸(立方晶系立方晶系的特征對稱元素的特征對稱元素)的對稱性，不能保的對稱性，不能保持為立方晶系。所以立方晶系的點持為立方晶系。所以立方晶系的點陣型式中沒有底心立方。陣型式中沒有底心立方。空間點陣型式只有空間點陣型式只有14種：種： 有些晶系的特征對稱元素不允許加點有些晶系的特征對稱元素不允許加點.無四方面心和四方底心無四方面心和四

32、方底心的點陣型式的點陣型式四方面心可由更小的四四方面心可由更小的四方體心代替；四方底心方體心代替；四方底心可由更小的簡單四方代可由更小的簡單四方代替，因此，沒有給出新替，因此，沒有給出新的正當(dāng)單位。的正當(dāng)單位。2. 有些晶系的面心或底心加點后可以劃分為體有些晶系的面心或底心加點后可以劃分為體積更小的對稱性不變的平行六面體單位積更小的對稱性不變的平行六面體單位zxy1 1 1:h k lrst ( r, s, t 為晶面在三個晶軸上的截數(shù)）為晶面在三個晶軸上的截數(shù)） 晶面：晶面：點陣結(jié)構(gòu)中平面點陣面叫晶面點陣結(jié)構(gòu)中平面點陣面叫晶面abcrst321rst 1 1 1 :11 1:32 12:3:

33、6:rsth k l (236)晶面指標(biāo)（晶面指標(biāo)（hkl）的定義：晶面在三個晶軸上的倒易截）的定義：晶面在三個晶軸上的倒易截數(shù)之比數(shù)之比. 倒易截數(shù)之比一定可以化為三個倒易截數(shù)之比一定可以化為三個互質(zhì)的整數(shù)比互質(zhì)的整數(shù)比, 這稱為有理這稱為有理指數(shù)定理指數(shù)定理. 7.3 點陣的標(biāo)記和點陣平面間距點陣的標(biāo)記和點陣平面間距 兩種特殊情況：兩種特殊情況：當(dāng)當(dāng)晶面和晶軸平行晶面和晶軸平行時，認(rèn)為：該晶面與晶軸在無窮遠(yuǎn)處相交，時，認(rèn)為：該晶面與晶軸在無窮遠(yuǎn)處相交，截距截距，1/=0，因此晶面在這個晶軸上的晶面指標(biāo)為，因此晶面在這個晶軸上的晶面指標(biāo)為0 (110)表示與表示與Z軸平行的晶面，軸平行的晶面

34、， (100)表示平行于表示平行于YZ平面的晶面，平面的晶面， (001)表示平行于表示平行于XY平面的晶面。平面的晶面。1.如果如果晶面與某一晶軸的負(fù)方向相交晶面與某一晶軸的負(fù)方向相交, 則相應(yīng)的指數(shù)上加以負(fù)號則相應(yīng)的指數(shù)上加以負(fù)號()hkl 晶面符號并不僅代表一個晶面符號并不僅代表一個晶面晶面, 而是代表一族晶面而是代表一族晶面 相互平行的一族平面點陣相互平行的一族平面點陣, 其其(hkl)相同相同 任意兩個相鄰的晶面的面任意兩個相鄰的晶面的面間距都相等間距都相等1 1 1111:1:1:1333rst 1 1 1111:0:1:0rsts4. 平面間距平面間距dhkl 平面點陣族平面點陣

35、族(hkl)中相鄰中相鄰2個平面的間距用個平面的間距用dhkl表示。表示。dhkl又稱又稱晶面間距晶面間距，它是指由該指標(biāo)，它是指由該指標(biāo)(hkl)規(guī)定的平面族中兩個規(guī)定的平面族中兩個相相鄰平面鄰平面之間的之間的垂直距離垂直距離。 100da 1102ad 1113ad 立方晶系立方晶系 222hkladhkl 2221( )()( )hklabchkld 六方晶系六方晶系 2222214()3hklhhkklacd 正交晶系正交晶系7.6 晶體的衍射晶體的衍射 X射線衍射法、中子衍射法、電子衍射法射線衍射法、中子衍射法、電子衍射法1912年年X射線衍射法問世射線衍射法問世40-50年代有代表

36、性的無機(jī)物和有機(jī)物的晶體結(jié)構(gòu)年代有代表性的無機(jī)物和有機(jī)物的晶體結(jié)構(gòu)50年代，成功地測定了蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)年代，成功地測定了蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu) 60-70年代衍射法與計算機(jī)相結(jié)合年代衍射法與計算機(jī)相結(jié)合80年代晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫：年代晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫：（1）劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（）劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（The Cambridge structural Database, CSD）（英國）；（英國）；（2）蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（）蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（The Protein Data Bcmk PDB）（美國）；）（美國）；（3）無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（）無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（The Inorganic Crystal Structure

37、 Database ICSD）(德國德國)；（4）NRCC金屬晶體學(xué)數(shù)據(jù)文件庫（加拿大）；金屬晶體學(xué)數(shù)據(jù)文件庫（加拿大）；（5）粉末衍射文件數(shù)據(jù)庫（）粉末衍射文件數(shù)據(jù)庫（JCPDS-ICDD）（美國）。）（美國）。7.6.1 衍射方向衍射方向與點陣型式及晶胞內(nèi)原子分布關(guān)聯(lián)與點陣型式及晶胞內(nèi)原子分布關(guān)聯(lián)(由晶胞內(nèi)原子間由晶胞內(nèi)原子間散射的散射的x射線所決定射線所決定)衍射的兩個要素：衍射的兩個要素：與晶胞參數(shù)關(guān)聯(lián)與晶胞參數(shù)關(guān)聯(lián)(由晶胞間散射的由晶胞間散射的X射線所決定射線所決定) 衍射強(qiáng)度：衍射強(qiáng)度：衍射方向：衍射方向： 由于晶體內(nèi)部具有點陣式的周期結(jié)構(gòu)，電子或原子產(chǎn)生由于晶體內(nèi)部具有點陣式的周

38、期結(jié)構(gòu)，電子或原子產(chǎn)生次級次級X射線的干涉可分為兩類情況來討論：射線的干涉可分為兩類情況來討論：由點陣中由點陣中點陣點上的原子或電子點陣點上的原子或電子所產(chǎn)生的次生所產(chǎn)生的次生X射線互相射線互相干涉的情況，這種情況決定晶體的干涉的情況，這種情況決定晶體的衍射方向衍射方向;與點陣點所代表的與點陣點所代表的結(jié)構(gòu)基元結(jié)構(gòu)基元的具體內(nèi)容有關(guān)的點，或者說的具體內(nèi)容有關(guān)的點，或者說與晶胞中原子的分布位置有關(guān)的點所產(chǎn)生的次生與晶胞中原子的分布位置有關(guān)的點所產(chǎn)生的次生X 射線間相射線間相互干涉的情況，這種情況決定晶體的互干涉的情況，這種情況決定晶體的衍射強(qiáng)度衍射強(qiáng)度。 晶體的衍射方向晶體的衍射方向是指晶體在入

39、射是指晶體在入射x射線照射下產(chǎn)生的射線照射下產(chǎn)生的衍射線偏離入射線的角度。衍射線偏離入射線的角度。衍射方向決定于衍射方向決定于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)周期重復(fù)的方式晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)周期重復(fù)的方式和和晶晶體安置的方位體安置的方位。測定晶體的衍射方向，可以測定晶體的衍射方向，可以求得晶胞的大小和形狀求得晶胞的大小和形狀（即晶胞參數(shù)）。（即晶胞參數(shù)）。聯(lián)系衍射方向和晶胞大小形狀間的關(guān)系的方程有兩聯(lián)系衍射方向和晶胞大小形狀間的關(guān)系的方程有兩個：個： Laue(勞埃勞埃)方程（了解）方程（了解）：以直線點陣為出發(fā)點：以直線點陣為出發(fā)點 Bragg（布拉格）方程（布拉格）方程：以平面點陣為出發(fā)點：以平面點陣為出發(fā)點 這兩

40、個方程是等效的。這兩個方程是等效的。 Bragg（布拉格）方程（布拉格）方程空間點陣為互相平行的且間距相等的一系列平面點陣空間點陣為互相平行的且間距相等的一系列平面點陣 產(chǎn)生衍射的重要條件產(chǎn)生衍射的重要條件 X射線入射到晶體上，對于一族（射線入射到晶體上，對于一族（hlk) 平面中的一個點陣面平面中的一個點陣面1來來說，若要求面上各點的散射線同相，相互加強(qiáng)，則要求說，若要求面上各點的散射線同相，相互加強(qiáng)，則要求入射角入射角和衍射角相等，入射線、衍射線和平面法線三者在同一平面內(nèi)和衍射角相等，入射線、衍射線和平面法線三者在同一平面內(nèi)，才能保證光程一樣。才能保證光程一樣。 123()hkld()hk

41、ld PORROP123()hkldMNB 相鄰晶面散射相鄰晶面散射X射線的波程差射線的波程差 2sinhklMBBNd 欲使相鄰晶面產(chǎn)生的欲使相鄰晶面產(chǎn)生的X射線相互加強(qiáng)射線相互加強(qiáng) ()2sinhklndn Bragg（布拉格）方程（布拉格）方程衍射級數(shù)衍射級數(shù)n = 1，2，3 整數(shù)，整數(shù)，n為衍射角為衍射角 晶面指標(biāo)為（晶面指標(biāo)為（110）這組面，由于它和入射）這組面，由于它和入射X射線夾角的不同，射線夾角的不同，光程差不同，可產(chǎn)生光程差不同，可產(chǎn)生n=1,2,3，的一級，二級，三級，的一級，二級，三級，的的衍射。衍射。()2sinhklndn 1 1 2 2 3 3 衍射指標(biāo)衍射指標(biāo)

42、n=1n=2n=3sin23sin323sin2330330)110(dddd (110)d 330(hkl)這組面的這組面的n級衍射級衍射，可視為與（，可視為與（hkl）平行但相鄰）平行但相鄰兩面間距離為兩面間距離為d（hkl）/n一組面的一組面的一級衍射一級衍射。dnhnknl等于等于 d（hkl）/n，nh，nk，nl 仍為一組整數(shù)，但仍為一組整數(shù)，但不一點互質(zhì)不一點互質(zhì)。通常把不加括號的這組整數(shù)通常把不加括號的這組整數(shù)hkl稱為稱為衍射指標(biāo)衍射指標(biāo)。用衍射指標(biāo)表示的面間距的用衍射指標(biāo)表示的面間距的 Bragg 方程方程222hkladhkl對立方晶系對立方晶系 2sinhkld dhkl 為以衍射指標(biāo)表示的面間距，不一定