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晶体结构

2021-02-26 12:10:14

晶体结构是指晶体的周期性结构。固体材料可以分为晶体、准晶体和非晶体三大类,其中,晶体内部原子的排列具有周期性,外部具有规则外形,比如钻石(图)。

Hauy最早提出晶体的规则外型是因为晶体内部原子分子呈规则排列,比如钻石所具有的完美外形和优良光学性质就可以归结为其内部原子的规则排列。20世纪初期,劳厄发明X射线衍射法,从此人们可以使用X射线来研究晶体内部的原子排列,其研究结果进而证实了Hauy的判断。

晶体内部原子排列的具体形式一般称之为晶格,不同的晶体内部原子排列称为具有不同的晶格结构。各种晶格结构又可以归纳为七大晶系,各种晶系分别与十四种空间格(称作布拉维晶格)相对应,在宏观上又可以归结为三十二种空间点群,在微观上可进一步细分为230个空间群

对于晶体结构的研究是研究固体材料的宏观性质及各种微观过程的基础。专门研究分子结晶结构的科学称为晶体学,经常应用在化学、生物化学与分子生物学。

晶格的基本类型

所谓的晶体晶格是可以经由平移或其他对称操作后,仍可得到自己本身的晶格,一种典型的对称操作是绕着通过晶格点的轴作旋转,称为一重、二重、三重、四重及六重对称,分别是旋转2π{\displaystyle 2\pi}π{\displaystyle \pi}2π3{\displaystyle{2\pi \over 3}}π2{\displaystyle{\pi \over 2}}π3{\displaystyle{\pi \over 3}},其中以布拉维晶格较常使用。

二维晶格类型

布拉维晶格在二维平面上有五种类型,两晶轴a1{\displaystyle a_{1}}a2{\displaystyle a_{2}},夹角φ{\displaystyle \varphi}

斜晶格:任意的晶轴a1{\displaystyle a_{1}}a2{\displaystyle a_{2}},只有在旋转π{\displaystyle \pi}2π{\displaystyle 2\pi},才能保持不变。正方形晶格:|a1|=|a2|{\displaystyle \left|{a_{1}}\right|=\left|{a_{2}}\right|}φ=π2{\displaystyle \varphi ={\pi \over 2}}六角形晶格:|a1|=|a2|{\displaystyle \left|{a_{1}}\right|=\left|{a_{2}}\right|}φ=2π3{\displaystyle \varphi ={2\pi \over 3}}矩形晶格:|a1|≠|a2|{\displaystyle \left|{a_{1}}\right|\neq \left|{a_{2}}\right|}φ=π2{\displaystyle \varphi ={\pi \over 2}}有心矩形晶格|a1|≠|a2|{\displaystyle \left|{a_{1}}\right|\neq \left|{a_{2}}\right|}φ=π2{\displaystyle \varphi ={\pi \over 2}},但在矩形晶格正中间上有一晶格点,固有两种绘法。

三维晶格类型

布拉维晶格在三维平面上有七大晶系,分别为三斜晶系单斜晶系、斜方晶系、四方晶系立方晶系三方晶系六方晶系。依照简单、体心、面心及底心这四种类型,这七大晶系又总共可细分为14种晶格。

晶系与布拉维格子及空间点群的关系

晶系布拉维格子所属点群
三斜晶系简单三斜C1, Ci
单斜晶系简单单斜 底心单斜C2 Cs C2h
斜方晶系简单正交 底心正交 体心正交 面心正交D2 C2v D2h
三方晶系三方C3 C3i D3 C3v D3d
四方晶系简单四方 体心四方C4 C4h D4 C4v D4h S4 D2d
六方晶系六方C6 C6h D6 C3v D6h C3h D2h
立方晶系简单立方 体心立方 面心立方T Th Td O Oh

单质的晶体结构

单质的晶体结构
名称英文名称代号晶格类型晶系举例
金属结构metallic copper structureA1型面心立方晶格立方晶系
金属钠结构metallic sodium structureA2型体心立方晶格立方晶系
金属结构metallic magnesium structureA3型六方密排晶格六方晶系
金刚石结构diamond structureA4型立方晶系
石墨结构graphite structureA9型六方晶系

化合物的晶体结构

资料专题:晶体结构化合物的晶体结构

注释

参考文献

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