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晶體與晶胞知識點

生活 更新时间:2025-02-11 20:22:01

看到這一标題,一定會想“大家都懂吧!”。本文作者參閱許多對這一概念的闡述,包括在網絡上看到對晶格的注釋。你說他不對吧,也不至于,你說他對吧,有些說法又不夠正确。覺得有必要對晶格概念作闡述,供大家參考。

大家熟知的晶體定義,就不重複了,隻說這一概念的關鍵詞:周期牲。

先看二維晶體。觀察二維晶體石墨烯的結構。碳原子排成六角形,六角形聯成蜂窩狀。這是結構,不是晶格。在石墨烯結構中任選一點,可以是碳原子中心,可以是碳一碳連線中點,可以是碳環的中心。值得注意的是,完全可以不選這類特定點,而是選沒有對稱性的任意點。選定後可以在結構中找到與該點環境完全等同的點(原子種類,方位,遠近)。把這些排列的點抽出來看,就是這一結構的周期性,是二維點陣,可以連線成二維晶格,從對稱性觀點看是二維平移群。三者本質是一個“東西”。隻昰從不同角度描述周期性。二維結構周期性有5種。過去學習和應用比較少見,現在二維晶體已進入材料研究和應用前沿。這裡給出從英文版【結晶固體】一書中搬來的二維晶格及對稱要素排布圖。見圖。

晶體與晶胞知識點(晶體學第一概念)1

圖.5種二維晶格及對稱要素配置圖

與此同理,把二維晶體結構換成三維晶體結構。原子或分子作三維周期性排列的狀态是晶體結構,描述周期性的是點陣,是晶格,對應着平移群。晶胞是代表它們的三維重複單元。晶格可以很簡單,三維晶體有14種晶格(不用給圖,因大家熟知)。是早已被數學家用平移群所證明。而晶體結構可以很簡單,也可以很複雜。如Cu金屬的晶體結構是面心立方結構,也是面心立方晶格,可以說這種結構和晶格相同是特例,金屬晶體結構有不少昰這樣。但要從這兒把原子作為陣點說晶格,往往把結構和晶格搞混。大家熟知的立方晶系的NaCl晶體,結構是NaCl結構,晶格是面心立方晶格。再比如立方晶系的CsCl晶體是CsCl結構,晶格是簡單立方晶格。說成體心立方晶格就錯了。立方晶系的CaCO3結構的晶格是簡單立方晶格,說結構中O和Ca排成面心立方晶格,是搞混概念。

在無機物晶體領域也有很複雜晶體結構,但它們的晶格逃不出14種晶格之一種。有機物晶體結構多數較複雜,有些很複雜,例如各種蛋白質結晶。但它們的晶格也是14種晶格之一種。一般來說,而且結構越複雜對稱性越低,晶格也更簡單。

值得注意的是:晶格的格點可以不在原子(或離子,分子)的位置上,在“空地”某點,但結構中每種等價位置的原子都符合該晶格的周期性。所以搞清一個晶胞的原子種類和位置,就代表清楚了整個晶體結構。為了描述觀察方便,通常把一種等效位置原子放在晶胞原點上。

晶胞是能把整個晶體結構重複出來的重複單元,可以按等效位置“裝上”原子或分子,也可以隻說晶格的重複單元(稱平行六面體)。原則上可以任意選。而晶體學約定選反映晶體特征對稱性(決定晶系)最小重複單元作為晶胞。含一個格點(陣點)的晶胞稱為簡單晶胞,含一個以上格點的晶胞稱為複雜晶胞。晶格的格點 基元=晶體結構。基元可以是“原子”也可以是“分子”。這個“ ”表示在陣點上放上基元。

總結一下:晶體結構的關鍵詞是周期性。晶格可以定義為描述晶體結構周期性的幾何表達。不是晶體結構。晶體中原子排布都要符合這一周期性。三維晶格隻有14種,二維晶格有5種。晶體結構可以簡單,也可以很複雜。晶格是客觀存在的,晶胞是人為選取的。對應14種晶格分别選取14種慣用晶胞。不會因為改變晶胞選取而改變晶格,為了研究晶體結構方便可以變換晶胞選取。

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