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晶體以其內部原子、離子、分子在空間作三維周期性的規則排列為其最基本的結構特徵。任一晶體總可找到一套與三維周期性對應的基向量及與之相應的晶胞,因此可以將晶體結構看作是由內含相同的具平行六面體形狀的晶胞按前、后、左、右、上、下方向彼此相鄰「並置」而組成的一個集合。晶體學中對晶體結構的表達可採取原子分立分佈的方式,亦可用具連續分佈的電子密度函數的方式。

1簡介

晶體結構
晶體結構即晶體的微觀結構,是指晶體中實際質點(原子、離子或分子)的具體排列情況。自然界存在的固態物質可分為晶體和非晶體兩大類,固態的金屬與合金大都是晶體。晶體與非晶體的最本質差別在於組成晶體的原子、離子、分子等質點是規則排列的(長程序),而非晶體中這些質點除與其最相近外,基本上無規則地堆積在一起(短程序)。金屬及合金在大多數情況下都以結晶狀態使用。晶體結構是決定固態金屬的物理、化學和力學性能的基本因素之一。
晶體對稱性
在晶體的外形以及其他宏觀表現中還反映了晶體結構的對稱性。晶體的理想外形或其結構都是對稱圖象。這類圖象都能經過不改變其中任何兩點間距離的操作后復原。這樣的操作稱為對稱操作,平移、旋轉、反映和倒反都是對稱操作。能使一個圖象復原的全部不等同操作,形成一個對稱操作群。在晶體結構中空間點陣所代表的是與平移有關的對稱性,此外,還可以含有與旋轉、反映和倒反有關並能在宏觀上反映出來的對稱性,稱為宏觀對稱性,它在晶體結構中必須與空間點陣共存,並互相制約。制約的結果有二:①晶體結構中只能存在1、2、3、4和6次對稱軸,②空間點陣只能有 14種形式。n次對稱軸的基本旋轉操作為旋轉360°/n,因此,晶體能在外形和宏觀中反映出來的軸對稱性也只限於這些軸次。
晶體鍵力和金屬晶體類型
晶體結構

  晶體結構

晶體可以由原子、離子或分子結合而成。例如非金屬的碳原子通過共價鍵可以形成金剛石晶體。金屬的鈉原子與非金屬的氯原子可以先分別形成Na和Cl離子,然後通過離子鍵結合成氯化鈉晶體,每個離子周圍是異號離子。離子結合而成的晶體稱為離子晶體。在有些晶體中原子可以先結合成分子,然後通過分子間鍵或范德華(Van der Waals)力結合成晶體。如非金屬的硫原子先通過共價鍵形成王冠狀的S8分子,然後再通過范德華力形成硫黃晶體。又如在石墨中碳原子先通過共價鍵形成層型分子,然後通過范德華力結合成晶體。在層型分子內部,化學鍵是連亘不斷的。礦物主要以金屬氧化物、硫化物以及硅酸鹽晶體的形式存在,它們一般為離子晶體。金屬原子通過金屬鍵結合而成金屬晶體。典型結構有A1、A2和A3型等三種。晶體中每一原子周圍所具有的,與其等距離的最近鄰的原子數目叫配位數。
在這三種結構型式中,每個原子為很多相同的原子所包圍,從而配位數很高。考慮金屬學問題往往採用一個較簡單的模型,即把金屬原子(離子實)看成是剛性球體,它們之間相互吸引,從而結合在一起。如果將上述的金屬典型結構與等徑剛球三種較密的排列方式相對應,如圖4所示,與A1和A3型相應的各為立方和六方最密排列,每個剛球與周圍的12個剛球鄰接,配位數記為12。與A2型相應的是立方體心密排,每個剛球為周圍8個剛球相包圍,此外,尚有6個次近鄰剛球,距離只比8個最近鄰遠15%左右,因此往往要考慮到次近鄰的作用。有時將A2型的配位數記為8+6,即有效配位數要大於 8。在上述密排結構中存在兩種間隙位置,即四面體間隙和八面體間隙。在某些條件下,這些間隙空間可成為金屬或合金中自身的或外來的原子所在位置,例如碳就可以佔據鐵點陣中的間隙位置。除了上述三種常見的晶體結構之外,金屬元素還有其他幾種結構,如正交結構(如鎵、鈾)、四方結構(如銦、鈀)、菱面體結構(如鉀、銻、鉍)等。

晶體結構

晶體結構
自范性
晶體物質在適當的結晶條件下,都能自發地成長為單晶體,發育良好的單晶體均以平面作為它與周圍物質的界面,而呈現出凸多面體。這一特徵稱之為晶體的自范性。
解理性
當晶體受到敲打、剪切、撞擊等外界作用時,可有沿某一個或幾個具有確定方位的晶面劈裂開來的性質。如固體雲母(一種硅酸鹽礦物)很容易沿自然層狀結構平行的方向劈為薄片,晶體的這一性質稱為解理性,這些劈裂面則稱為解理面。自然界的晶體顯露於外表的往往就是一些解理面。
對稱性
晶體結構

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晶體的宏觀性質一般說來是各向異性的,但並不排斥晶體在某幾個特定的方向可以是異向同性的。晶體的宏觀性質在不同方向上有規律重複出現的現象稱為晶體的對稱性。晶體的對稱性反映在晶體的幾何外形和物理性質兩個方面。實驗表明,晶體的許多物理性質都與其幾何外形的對稱性相關。

最低內能與固定熔點

實驗表明:從氣態、液態或非晶態過渡到晶體時都要放熱,反之,從晶態轉變為非晶態、液態或氣態時都有要吸熱。表明:在相同的熱力學條件下,與同種化學成分的氣體、液體或非晶體相比,晶體的內能最小。即在相同的熱力學條件下,以具有相同化學成分的晶體與非晶體相比,晶體是穩定的,非晶體是不穩定的,後者有自發轉變為晶體的趨勢。
晶體具有固定的熔點。當加熱晶體到某一特定的溫度時,晶體開始熔化,且在熔化過程中保持溫度不變,直至晶體全部熔化后,溫度才又開始上升。如圖1-1-3所示:石英的熔點是1470℃,硅單晶的熔點是 1420℃。
晶體結構

  晶體結構

反之,玻璃等非晶體在加熱過程中,先出現整個固體變軟,然後逐漸熔化為液體,也就是說,他們沒有固定的熔點,而只是在某一溫度範圍內發生軟化,這個範圍稱為軟化區。
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