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晶體學是關於晶體的科學。主要研究晶體的對稱性、晶體結構以及晶體生長過程和晶體的物理性能。

1 晶體學 -晶體學

 

2 晶體學 -正文

  關於晶體(或廣而言之,晶態物質)的科學。主要研究晶體的對稱性、晶體結構(包括測定晶體結構的方法)以及晶體生長過程和晶體的物理性能。晶體學具有明確的研究對象和卓具特色的研究方法。由於晶體類型繁多,分佈又極其廣泛,晶體學已延伸到物理學、化學、生物學、礦物學和冶金學等不同學科之中,而成了材料科學的必要基礎。
  自古以來,人類就對美麗晶瑩的晶體發生了濃厚興趣。到17、18世紀,晶體學開始以一門獨立學科的面目出現。發展最早的部分是幾何晶體學,從礦物晶體外形的規律性出發,逐步深入探討周期性結構的對稱性。19世紀末E.C.費奧多羅夫與A.M.熊夫利導出了 230種空間群,從而全面奠定了幾何晶體學理論基礎。直到1912年M.von勞厄等發現了X 射線在晶體中的衍射現象以後,這些理論才得到全面證實和廣泛應用。到20世紀中葉Α.Β.舒布尼科夫等引入色對稱性的概念,對空間群理論作了重要的推廣,可用於詮釋磁結構的對稱性。
  晶體X射線衍射的發現引起了晶體學的重大變革,開創了晶體微觀結構研究的新紀元。布喇格父子對於 X射線結構分析的發展作出了重大貢獻;隨後電子衍射和中子衍射也被用來作結構分析的手段,並輔以多種能譜方法,使晶體結構分析方法有了很大改進。從簡單的NaCl、KCl到結構極其複雜的蛋白質,數以萬計的晶體結構業已探明,提供了發展晶體化學這一學科的豐富資料。經典的結構分析在於從衍射圖樣來推求晶胞中的電子密度分佈,從而定出各原子的位置。這樣定出來的是對時空取平均值的靜態結構,通稱為理想結構。但晶體的實際結構具有更為豐富的內容。首先,實際晶體不可能是絕對完整的,晶體內存在有各種類型的缺陷(見晶體缺陷),如位錯、點缺陷和面缺陷等。從50年代開始發展了多種直接觀察晶體缺陷的技術,已進行了大量的工作。特別是近年來發展的高解析度電子顯微術可以直接觀察晶體結構,並且能辨識出視野中各局域的結構差異,成為研究晶體實際結構的重要手段(見點陣像)。其次,晶體表面幾個原子層中的結構和大塊樣品內部結構有差異。低能電子衍射等技術的發展提供了探測表面結構的方法,並已開闢了表面晶體學這一新領域。晶體中的原子並非靜止不動,而是不斷地作熱振動,熱中子非彈性散射和光的散射、光的吸收等技術已用來探測點陣振動的模式,追蹤結構相變中這些模式的變化,為開拓動態晶體學作出了貢獻(見點陣動力學的實驗研究方法)。
  晶體生長(或其逆過程──溶解)是和晶體實際結構息息相關的, 也牽涉到一系列的非平衡態熱力學和動力學的問題,在技術上又有重要性,已經進行了不少工作(見晶體生長理論、晶體生長技術)。
  闡明晶體結構與性能的關係構成了晶體學的另一重要領域。已經從幾個不同的觀點來處理這方面的問題。①從宏觀唯象的觀點用張量表示來描述各向異性連續介質的物理性能(見晶體物理性能的對稱性)。這在19世紀末W.佛克脫的專著中規模初具。而結合技術應用中有關問題的研究則尚在進一步發展之中。②以微觀的點陣動力學的觀點來闡明晶體的熱學、介電及光學性質。這是M.玻恩學派的重要貢獻。近年來在聯繫結構相變的機制方面又有一些新的發展。③晶體的電子結構理論,從周期場中電子能態規律出發所建立的晶體能帶結構理論可為代表(見固體的能帶)。目前理論已向結構更加複雜的晶體延拓,與此同時,發展了多種實驗技術來驗證理論是否正確。④用晶體缺陷的分佈和運動來解釋對晶體結構敏感的性能。晶體範性的位錯理論就是一個典型的例子。而硬鐵磁性和硬超導性(見鐵磁性、第二類超導體)的一些問題也為人所注意研究。總之,目前晶體物理性能的研究已在廣闊的領域裡活躍地開展,它和範圍更廣的固體物理學匯合在一起(兩者之間並無明確的界限),推動技術材料的開發工作。
  參考書目
 W.L.Bragg,ed.,The Crystalline State,Vol.1~4,Bell,London,1949~1965.
 S.Flügge,Red.,Kristallphysik,Strukturforschung, Handbuch der Physik, Bd.7, Bd.32,Strukturforschung, Springer Verlag.Berlin,1955,1957.

 

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