材料科學(xué)-材料物理-晶體結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)合

材料科學(xué)-材料物理-晶體結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)合第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.0引言晶體結(jié)構(gòu)晶體衍射倒易點(diǎn)陣一、基本內(nèi)容二、學(xué)習(xí)要點(diǎn)布拉菲格子及布拉菲單胞布拉格方程倒易點(diǎn)陣及布里淵區(qū)第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.1點(diǎn)陣與元胞基元：組成晶體的最小單元。布拉非格子（點(diǎn)陣），晶體一定具有平移周期性在每個(gè)基元里找一個(gè)點(diǎn)，使他們具備完全相同的物理、化學(xué)和幾何環(huán)境，即等同點(diǎn)。晶體＝基元＋布拉菲點(diǎn)陣?；囊?guī)則排列布拉非格子一、布拉菲點(diǎn)陣第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.1點(diǎn)陣與元胞基矢a1,a2,a3：（1）起點(diǎn)，終點(diǎn)必須落在陣點(diǎn)上。（2）a1,a2,a3不共面。（3）基矢上不能有陣點(diǎn)。任何一個(gè)陣點(diǎn)的位置矢量都可以寫為：

Rm=m1a1+m2a2+m3a3(m1,m2,m3為整數(shù))二、基矢和元胞元胞：由a1,a2,a3組成的平行六面體原胞的體積：Vc=a1?(a2×a3)元胞不是唯一的元胞選取的不唯一性第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.1點(diǎn)陣與元胞元胞選取的不唯一性第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.2晶體的宏觀對(duì)稱性對(duì)晶體施加某種幾何操作后，晶體可以完全復(fù)原的性質(zhì)，稱為晶體的對(duì)稱性，這種幾何操作為對(duì)稱操作。在晶體對(duì)稱操作過程中，若至少有一點(diǎn)保持不變，這種對(duì)稱操作稱為點(diǎn)對(duì)稱操作，晶體的這種對(duì)稱性稱為點(diǎn)對(duì)稱性或宏觀對(duì)稱性對(duì)稱圖形舉例第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.2晶體的宏觀對(duì)稱性與布拉菲單胞一、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性若晶體經(jīng)過2／n旋轉(zhuǎn)后復(fù)原，稱晶體有n次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。該轉(zhuǎn)軸稱為n次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸,n=1,2,3,4,6n=1:平庸對(duì)稱性，單位對(duì)稱操作，所有晶體均具有的對(duì)稱性n=2:n=3:n=4:n=6:第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.2晶體的宏觀對(duì)稱性與布拉菲單胞一、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.2晶體的宏觀對(duì)稱性二、反演對(duì)稱性如果以某點(diǎn)為原點(diǎn)，令r→-r

的操作為反演操作，晶體復(fù)原。三、鏡面對(duì)稱四、旋轉(zhuǎn)反演對(duì)稱先作旋轉(zhuǎn)，再作反演，晶體重合。對(duì)某個(gè)平面對(duì)晶體進(jìn)行鏡面反映，晶體復(fù)原第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.2晶體的宏觀對(duì)稱性第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.3布拉菲單胞二、布拉菲晶胞1.晶胞的對(duì)稱性和晶體的對(duì)稱性一樣。2.晶胞（六面體）的棱要盡可能的垂直。晶胞常數(shù)：a,b,c的長(zhǎng)度a,b,c

α＝（b,c）β=(c,a)γ=(a,b)3.晶胞體積要盡可能的小。（在1，2基礎(chǔ)上）abc第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.3布拉菲單胞上述原則加對(duì)稱性決定所有晶體有七個(gè)晶系14種布拉非晶胞：①a=b=c,α=β=γ=90°：立方晶系三種點(diǎn)陣：P－初級(jí)點(diǎn)陣,I－體心點(diǎn)陣BCC,F－面心點(diǎn)陣FCC②a＝b≠c,α=β=γ=90°:四方晶系（正方晶系）：P－初級(jí)點(diǎn)陣,I－體心點(diǎn)陣BCC③a≠b≠c，α=β=γ=90°：正交晶系，有P,I,F及C點(diǎn)陣。④a≠b≠c，α=β=90°，γ=120°：六方晶系：只有初級(jí)點(diǎn)陣P，無含心點(diǎn)陣。⑤a=b=c,α=β=γ≠90°:三方晶系（或菱方）：只有P點(diǎn)陣。⑥a＝b≠c，α≠β≠γ：?jiǎn)涡本礟和C心點(diǎn)陣⑦a≠b≠c，α≠β≠γ：三斜晶系二、布拉菲晶胞第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.3布拉菲單胞二、布拉菲晶胞第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日體心立方晶體的原胞體積結(jié)點(diǎn)數(shù)11.4元胞與單胞的關(guān)系基矢第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日面心立方晶體的原胞1.4元胞與單胞的關(guān)系基矢體積結(jié)點(diǎn)數(shù)1第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.5實(shí)際晶體舉例第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.5實(shí)際晶體舉例一、金屬密堆積結(jié)構(gòu)Mg，Co等Al,Ag,Cu,Au等Fe，Mo等不同顏色代表堆垛次序第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.5實(shí)際晶體舉例二、CsCl結(jié)構(gòu)第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.5實(shí)際晶體舉例三、NaCl結(jié)構(gòu)第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.5實(shí)際晶體舉例四、金鋼石第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日A類碳原子的共價(jià)鍵方向B類碳原子的共價(jià)鍵方向1.5實(shí)際晶體舉例四、金鋼石第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.5實(shí)際晶體舉例五、閃鋅礦結(jié)構(gòu)第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，稱為層狀晶體層間為分子間力1.5實(shí)際晶體舉例層狀晶體第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日同一層：C－C鍵長(zhǎng)為142pm，C原子采用sp2雜化軌道，與周圍三個(gè)C原子形成三個(gè)σ鍵，鍵角為1200，每個(gè)C原子還有一個(gè)2p軌道，垂直于sp2雜化軌道平面，2p電子參與形成了π鍵，這種包含著很多原子的π鍵稱為大π鍵。層與層間：距離為340pm，靠分子間力結(jié)合。石墨晶體既有共價(jià)鍵，又有分子間力，是混合鍵型的晶體。1.5實(shí)際晶體舉例層狀晶體第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.6晶體的結(jié)合一、晶體結(jié)合的一般性質(zhì)斥力高度短程，引力是長(zhǎng)程的。（一）斥力的來源核排斥力泡利斥力：滿殼層中負(fù)電荷間的排斥（二）引力庫侖吸引，但不同晶體引力（鍵）的形式差別很大第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.6晶體的結(jié)合一、晶體結(jié)合的一般性質(zhì)抗張強(qiáng)度第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日是總能量的增加或1.6晶體的結(jié)合一、晶體結(jié)合的一般性質(zhì)第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.6晶體的結(jié)合一、晶體結(jié)合的一般性質(zhì)第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日TypeofbondingBindingenergyIonic4-14eVCovalent1-10eVMetallic0.7-6eVHydrogenbond0.1-0.5eVvanderWaals0.02-0.3eV1.6晶體的結(jié)合-化學(xué)鍵的分類第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.6晶體的結(jié)合晶體組成結(jié)合力結(jié)合力特性晶體特性離子晶體正、負(fù)離子庫侖吸引力（離子鍵）無方向性無飽和性硬度高、熔點(diǎn)高、性脆、電子導(dǎo)電性弱共價(jià)晶體原子共價(jià)鍵有方向性有飽和性硬度高、熔點(diǎn)高、沸點(diǎn)高、不溶于所有尋常液體第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.6晶體的結(jié)合晶體組成結(jié)合力結(jié)合力特性晶體特性金屬晶體原子實(shí)、價(jià)電子金屬鍵有明顯方向性有飽和性具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、金屬光澤分子晶體電中性的無極分子范德瓦耳斯力（范德瓦耳斯鍵）無方向性無飽和性熔點(diǎn)低、硬度低、導(dǎo)電性差第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.6晶體的結(jié)合giscalledMadelungconstant.Itdependsuponthestructure.離子晶體第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.6晶體的結(jié)合氫鍵晶體第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.6晶體的結(jié)合共價(jià)晶體第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.6晶體的結(jié)合金屬晶體第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日定義：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，按下列化學(xué)反應(yīng)計(jì)量式使離子晶體變?yōu)闅怏w正離子和氣態(tài)負(fù)離子時(shí)所吸收的能量稱為晶格能，用U表示。U1.7晶格能MaXb(s)aMb+(g)+bXa-(g)(g)Cl+(g)NaNaCl(s)-+例如：第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日影響晶格能的因素：①離子的電荷(晶體類型相同時(shí))②離子的半徑(晶體類型相同時(shí))③晶體的結(jié)構(gòu)類型④離子電子層結(jié)構(gòu)類型Z↑，U↑例：U(NaCl)<U(MgO)R↑，U↓例：U(MgO)>U(CaO)1.7晶格能第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日離子電荷數(shù)大,離子半徑小的離子晶體晶格能大,相應(yīng)表現(xiàn)為熔點(diǎn)高、硬度大等性能。晶格能對(duì)離子晶體物理性質(zhì)的影響：1.7晶格能第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.7非極性分子晶體的結(jié)合能或式中R為兩個(gè)原子間的最短距離：第三十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日式中1.7非極性分子晶體的結(jié)合能假定R：晶體中兩原子最短距離