《晶体结构与性质》 讲义

《晶体结构与性质》讲义
一、晶体的定义与特征
当物质内部的粒子（原子、分子或离子）在三维空间中呈现出周期
性的有序排列时，我们就称这种物质为晶体。

晶体具有一些显著的特征。

首先，晶体具有规则的几何外形。

这是
因为其内部粒子的有序排列决定了晶体在宏观上呈现出特定的形状。

其次，晶体具有固定的熔点。

当晶体受热时，温度升高到一定程度，
晶体开始熔化，且在熔化过程中温度保持不变，直到完全熔化。

再者，晶体具有各向异性。

这意味着晶体在不同方向上的物理性质（如导电性、导热性、光学性质等）可能存在差异。

二、晶体结构的基本概念
1、晶格
为了描述晶体中粒子的排列规律，我们引入了晶格的概念。

晶格是
由无数个相同的点在空间有规则地排列而成，这些点称为晶格点。

通
过连接晶格点，可以得到晶格的框架。

2、晶胞
晶胞是晶体结构中能够反映晶体周期性和对称性的最小重复单元。

晶胞的形状和大小可以用三条棱边的长度 a、b、c 和它们之间的夹角α、β、γ来表示，这六个参数被称为晶胞参数。

3、原子坐标
在晶胞中，原子的位置可以用原子坐标来表示。

通常以晶胞的某个
顶点为原点，以晶胞的三条棱边为坐标轴，原子在晶胞中的位置可以
用其在三个坐标轴上的分数坐标来确定。

三、常见的晶体结构类型
1、离子晶体
离子晶体是由阳离子和阴离子通过离子键结合而成。

典型的离子晶
体如氯化钠（NaCl），钠离子和氯离子在空间交替排列。

离子晶体具
有较高的熔点和沸点，硬度较大，在熔融状态或水溶液中能够导电。

2、原子晶体
原子晶体中，原子之间通过共价键结合形成空间网状结构。

常见的
原子晶体有金刚石和二氧化硅。

原子晶体具有很高的熔点和硬度，一
般不导电。

3、分子晶体
分子晶体中，分子之间通过分子间作用力（范德华力或氢键）结合。

例如干冰（固态二氧化碳）就是一种分子晶体。

分子晶体通常熔点和
沸点较低，硬度较小。

4、金属晶体
金属晶体由金属阳离子和自由电子通过金属键结合而成。

金属晶体
具有良好的导电性、导热性和延展性。

四、晶体的性质
1、光学性质
晶体对光的折射、反射和吸收等性质与其内部结构密切相关。

例如，某些晶体具有双折射现象，这是由于晶体的各向异性导致光在不同方
向上的传播速度不同。

2、电学性质
离子晶体在熔融状态或水溶液中能导电，而金属晶体在固态和液态
下都能导电。

3、磁学性质
一些晶体具有磁性，如磁铁矿（Fe₃O₄），这与其内部电子的自旋和轨道运动有关。

4、力学性质
晶体的硬度、强度等力学性能取决于其晶体结构和化学键的类型。

五、晶体结构的测定方法
1、 X 射线衍射法
这是目前测定晶体结构最常用的方法。

X 射线通过晶体时会发生衍射，衍射图案反映了晶体内部原子的排列情况。

通过对衍射图案的分析，可以确定晶胞的形状和大小、原子的位置等。

2、电子衍射法
利用电子束代替 X 射线进行衍射，适用于研究微小晶体或表面结构。

六、晶体结构与性能的关系
晶体的结构决定了其性能。

例如，金属晶体中自由电子的存在使其
具有良好的导电性和导热性；离子晶体中离子键的强度决定了其熔点
和硬度；分子晶体中分子间作用力较弱，导致其物理性质相对较弱。

同时，通过改变晶体的结构，可以调控其性能。

例如，在金属中加
入其他元素形成合金，可以改变金属的性能，使其更适合特定的应用。

七、晶体在实际生活中的应用
1、半导体材料
如硅、锗等晶体，是现代电子工业的基础。

2、光学材料
用于制造透镜、棱镜等光学器件的晶体，如蓝宝石、石英等。

3、超导材料
某些特殊的晶体在低温下具有超导性能，可用于磁悬浮列车等领域。

4、药物研发
了解药物分子的晶体结构有助于设计更有效的药物。

总之，晶体结构与性质是材料科学、化学、物理学等领域的重要研
究内容。

深入研究晶体结构与性质的关系，对于开发新型材料、提高
材料性能以及推动相关领域的发展都具有重要的意义。