第一节晶体的宏观特征
高中物理 第二章 固体、液体和气体 第一节 晶体的宏观特征 第二节 晶体的微观结构 第三节 固体新材
第一节晶体和非晶体第二节晶体的微观结构第三节固体新材料[目标定位] 1.能说出晶体和非晶体的特点及区分方法，能说出单晶体和多晶体的区别.2.了解晶体结构的认识过程，知道晶体内部结构的特点.3.了解材料科学技术的有关知识及应用，体会它们的发展对人类生活、社会发展的影响．一、晶体和非晶体[导学探究]1．观察玻璃、蜂蜡、塑料、食盐、蔗糖、石英，比较它们的外形有何不同？答案玻璃、蜂蜡、塑料没有规则的几何外形，食盐、蔗糖、石英有规则的几何外形．2.在云母簿片和玻璃片上分别涂上一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触云母薄片及玻璃片的另一面，石蜡熔化，如图1所示，那么你看到的现象及得出的结论是什么？玻璃片云母片图1答案玻璃片上石蜡的熔化区呈圆形，说明玻璃片沿各个方向的导热性能相同．云母薄片上石蜡的熔化区呈椭圆形，说明云母片沿各个方向的导热性能不同．[知识梳理] 晶体与非晶体的区别[延伸思考]1．如何区分晶体和非晶体？如何区分单晶体和多晶体？答案有确定熔点的是晶体，没有确定熔点的是非晶体．单晶体和多晶体虽都有确定的熔点，但还有两点不同：其一，单晶体有天然规则的形状，多晶体没有；其二，单晶体物理性质上表现为各向异性，多晶体则表现为各向同性．2．金属物体没有固定、规则的几何外形，但它们都有确定的熔点，那么金属是晶体，还是非晶体？答案金属是多晶体，多晶体是由许多单晶体杂乱无章地组合而成的，没有规则的几何外形，在物理性质上表现为各向同性，但它们有确定的熔点．二、晶体的微观结构[导学探究]1．晶体具有规则的外形，物理性质方面表现为各向异性，而非晶体却没有规则的外形，并且物理性质方面表现为各向同性．产生这些不同的根本原因是什么呢？答案它们的微观结构不同．2．金刚石和石墨都是由碳原子构成的，但它们在硬度上差别很大，这说明什么问题？答案金刚石是网状结构，原子间的作用力强，所以金刚石的硬度大．石墨是层状结构，原子间的作用力弱，所以石墨的硬度小．这说明组成物质的微粒按照不同的规则在空间分布，会形成不同的晶体．[知识梳理]1．组成晶体的微观粒子(分子、原子或离子)，按照一定的规律在空间整齐地排列．2．微观结构不同，造成晶体与非晶体形状和物理性质的不同．3．组成晶体的微粒的相互作用很强，它们只能在一定的平衡位置附近不停地做微小振动．[延伸思考]天然水晶是晶体，而熔化以后再凝固的水晶则是非晶体，这说明了什么？答案有些晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化．三、固体新材料[导学探究]1．你对固体新材料有哪些了解？答案(1)新材料有优异的性能和广阔的应用前景．(2)新材料的发展与新工艺、新技术密切相关．(3)新材料往往具有特殊性能．如超高强度、超高硬度、超塑性．(4)新材料的研发及其应用，推动了人类文明和社会进步．(5)硅是当前用途最广的半导体材料．2．固体新材料未来的发展方向如何？答案(1)新材料科学正向着研究各种复合材料、研究并开发纳米材料、开发同时具有感知外界环境或参数变化和驱动功能的机敏材料、研究开发生物医学材料等方向发展．(2)新材料的制备工艺、检测仪器和计算机应用也是今后新材料科学技术发展的重要内容.一、晶体和非晶体例1下列关于晶体和非晶体的说法，正确的是( )A．所有的晶体都表现为各向异性B．晶体一定有规则的几何形状，形状不规则的金属一定是非晶体C．大盐粒磨成细盐，就变成了非晶体D．所有的晶体都有确定的熔点，而非晶体没有确定的熔点答案 D解析只有单晶体才表现为各向异性，故A错；单晶体有规则的几何形状，而多晶体无规则的几何形状，金属属于多晶体，故B错；大盐粒磨成细盐，细盐仍是形状规则的晶体，在放大镜下能清楚地观察到，故C错；晶体和非晶体的一个重要区别就是晶体有确定的熔点，而非晶体没有确定的熔点，故D对．例2在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上蜡，用烧热的针接触其上一点，蜡熔化的范围如图2(a)所示，而甲、乙、丙三种固体在熔化过程中温度随加热时间变化的关系如图(b)所示，则( )图2A．甲、乙是非晶体，丙是晶体B．甲、丙是晶体，乙是非晶体C．甲、丙是非晶体，乙是晶体D．甲是非晶体，乙是多晶体，丙是单晶体答案 B解析由题图(a)知，甲、乙的导热性呈各向同性，丙的导热性呈各向异性；由题图(b)知，甲、丙有固定的熔点，乙没有固定的熔点．所以甲是多晶体，乙是非晶体，丙是单晶体．二、晶体的微观结构例3下列说法不正确的是( )A．晶体具有天然规则的几何形状，是因为物质微粒是规则排列的B．有的物质能够生成种类不同的几种晶体，因为它们的物质微粒能够形成不同的空间结构C．凡各向同性的物质一定是非晶体D．晶体的各向异性是由晶体的微观结构决定的答案 C解析晶体的外形、物理性质都是由晶体的微观结构决定的，A、B、D正确；各向同性的物质不一定是非晶体，多晶体也具有这样的性质，C错误．针对训练(多选)2010年诺贝尔物理学奖授予安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究．他们通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开使得石墨片的厚度逐渐减小，最终寻找到了厚度只有0.34 nm的石墨烯，是碳的二维结构．如图3所示为石墨、石墨烯的微观结构，根据以上信息和已学知识判断，下列说法中正确的是( )图3A．石墨是晶体，石墨烯是非晶体B．石墨是单质，石墨烯是化合物C．石墨、石墨烯与金刚石都是晶体D．他们是通过物理变化的方法获得石墨烯的答案CD解析石墨、石墨烯、金刚石都为晶体且都为单质，A、B错误，C正确；两位科学家是通过物理变化的方法获得石墨烯的，D正确，故正确的答案为C、D.固体⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎧晶体⎩⎪⎨⎪⎧单晶体⎩⎪⎨⎪⎧物理性质各向异性有规则的几何外形有确定的熔点多晶体⎩⎪⎨⎪⎧ 物理性质各向同性有确定的熔点晶体的微观结构非晶体⎩⎪⎨⎪⎧无规则的几何外形无确定的熔点物理性质各向同性固体新材料⎩⎪⎨⎪⎧新材料的特征新材料的未来1．(晶体和非晶体)(多选)下列哪些现象能说明晶体与非晶体的区别( ) A ．食盐是正方体，而蜂蜡无规则形状 B ．石墨可导电，沥青不能导电C ．冰熔化时，温度保持不变；松香受热熔化时，温度持续升高D ．金刚石密度大，石墨密度小 答案 AC解析 单晶体有规则的几何外形，具有确定的熔点，而非晶体没有，据此知A 、C 正确． 2．(晶体和非晶体)一块厚度和密度都均匀分布的长方体被测样品，长AB 是宽AD 的两倍，如图4所示．如果用多用电表的欧姆挡沿两个对称轴O 1O 1′和O 2O 2′方向测量，结果阻值均为R ，则这块样品可能是()图4A ．单晶体B ．多晶体C ．非晶体D ．金属答案 A解析 用多用电表的欧姆挡沿两个对称轴O 1O 1′、O 2O 2′方向测量结果均相同，说明该物体沿O1O1′和O2O2′方向电阻率(即导电性能)不同，即表现出各向异性的物理性质，所以A正确．如果是普通金属，可以分析出沿O1O1′方向电阻比较大．3．(晶体的微观结构)(多选)晶体具有各向异性的特点是由于( )A．晶体在不同方向上物质微粒的排列情况不同B．晶体在不同方向上物质微粒的排列情况相同C．晶体内部结构的无规则性D．晶体内部结构的有规则性答案AD解析晶体的各向异性取决于晶体内部结构的有规则性，即不同方向上物质微粒的排列情况不同．故正确答案为A、D.4．(晶体的微观结构)下列关于金刚石与石墨的说法正确的是( )A．它们是同一种物质，只是内部微粒的排列不同B．它们的物理性质有很大的差异C．由于它们内部微粒排列规则不同，所以金刚石为晶体，石墨是非晶体D．金刚石是单晶体，石墨是多晶体答案 B题组一单晶体、多晶体和非晶体的区别1．(多选)关于晶体和非晶体，下列说法正确的是( )A．金刚石、食盐、玻璃和水晶都是晶体B．晶体的分子(或原子、离子)排列是有规则的C．单晶体和多晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点D．单晶体和多晶体的物理性质是各向异性的，非晶体是各向同性的答案BC解析金刚石、食盐、水晶是晶体，玻璃是非晶体，选项A错误；单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性，选项D错误；晶体分子的排列是有规则的，且有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点，选项B、C正确．2．判断物质是晶体还是非晶体，比较可靠的方法是( )A．根据外形判断B．根据导电性能判断C．根据各向异性或各向同性判断D．根据有无确定的熔点来判断答案 D3．(多选)如图1所示是两种不同物质的熔化曲线，根据曲线判断下列说法正确的是( )图1A．甲是晶体B．乙是晶体C．甲是非晶体D．乙是非晶体答案AD解析晶体在熔化过程中，不断吸热，但温度却保持不变(熔点对应的温度)，而非晶体没有确定的熔点，不断加热，非晶体先变软，然后熔化，温度却不断上升，因此甲对应的是晶体，乙对应的是非晶体．4．(多选)云母薄片和玻璃片分别涂一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触云母薄片及玻璃片的反面，石蜡熔化，如图2所示，那么( )图2A．熔化的石蜡呈圆形的是玻璃片B．熔化的石蜡呈圆形的是云母片C．实验说明玻璃片有各向同性，可能是非晶体D．实验说明云母有各向同性，是晶体答案AC5．(多选)关于一块长方体的铜条，下列说法正确的是( )A．它是一块晶体，因为它有规则的几何外形B．它是一块晶体，因为它有确定的熔点C．它是一块多晶体，因为它是由许多晶粒杂乱无章排列而成的D．它是一块非晶体，因为它的物理性质表现为各向同性答案BC解析金属铜条是多晶体，有固定的熔点，它内部的晶体颗粒的排列是杂乱无章的．6．(多选)北京奥运会的国家游泳中心——水立方，像一个透明的水蓝色的“冰块”，透过它其内部设施尽收眼底，这种独特的感觉就源于建筑外墙采用了一种叫做ETFE(四氟乙烯和乙烯的共聚物)的膜材料，这种膜材料属于非晶体，那么它具有的特性是( )A．在物理性质上具有各向同性B．在物理性质上具有各向异性C．具有固定的熔点D．没有固定的熔点答案AD解析因为这种材料属于非晶体，因此在物理性质上具有各向同性，没有固定的熔点，选项A、D正确．题组二对晶体的微观结构的理解7．(多选)下列说法中正确的是( )A．化学成分相同的物质只能生成同一种晶体B．因为石英是晶体，所以由石英制成的玻璃也是晶体C．普通玻璃是非晶体D．一块铁的物理性质虽然呈各向同性的，但它是晶体答案CD解析化学成分相同的物质可以生成多种不同的晶体，如石墨和金刚石，故A错误；石英制成的玻璃是非晶体不是晶体，故B错误，C正确；铁为多晶体，物理性质表现为各向同性，故D正确．8．(多选)下列叙述中正确的是( )A．晶体的各向异性是由于它的微粒按空间点阵结构排列B．单晶体具有规则的几何外形是由于它的微粒按一定规则排列C．非晶体有规则的几何形状和确定的熔点D．石墨的硬度比金刚石差得多，是由于它的微粒没有按空间点阵分布答案AB9．下列关于晶体空间点阵的说法，不正确．．．的是( )A．构成晶体空间点阵的物质微粒，可以是分子，也可以是原子或离子B．晶体的物质微粒之所以能构成空间点阵，是由于晶体中物质微粒之间相互作用很强，所有物质微粒都被牢牢地束缚在空间点阵的结点上不动C．所谓空间点阵与空间点阵的结点，都是抽象的概念；结点是指组成晶体的物质微粒做永不停息的微小振动的平衡位置；物质微粒在结点附近的微小振动，就是热运动D．相同的物质微粒，可以构成不同的空间点阵，也就是同一种物质能够生成不同的晶体，从而能够具有不同的物理性质答案 B解析组成晶体的物质微粒可以是分子、原子或离子．这些物质微粒也就是分子动理论中所说的分子．显然，组成晶体的物质微粒处在永不停息的无规则的热运动之中，物质微粒之间还存在相互作用，晶体的物质微粒之所以能构成空间点阵，是由于晶体中物质微粒之间的相互作用很强，物质微粒的热运动不足以克服这种相互作用而彼此远离，所以选项B的说法错误，故答案为B.。
1-1 晶体的宏观_微观特征_2012
同一品种的晶体，不论其外形如何，其内部结 构总是相同的。这种内部结构的共同性就表现为晶 面夹角的守恒性。
因此，晶面夹角的守恒性是反映晶体品种的特 征因素。
第一节 晶体的宏/微观特征
一、晶体的微观特征
晶体微观结构的周期性: 组成晶体的粒子在空间呈现出周期性的无限排列
（长程、有序）。
Be2O3晶体与Be2O3玻璃的内部结构
二、晶体宏观特征
1、晶体具有锐熔性，即：晶体具有一定的熔点。
• 在熔化过程中，晶体的长程 有序解体时对应着一定的熔点。
• 非晶体，在凝结过程中不经 过有序化的阶段，分子间的结 合是无规则的，故没有固定的 熔点。
2、晶体具有各向异性特征 * 力学
如：解理性、弹性模量等
石墨，石墨烯，诺贝尔奖
2、晶体具有各向异性特征
* 热学
如：热膨胀系数、导热系数等
2、晶体具有各向异性特征 * 电学
如：电导率、压电性质
压电晶体，切向
2、晶体具有各向异性特征 * 光学
如：折射率
YIG磁光开关
3、单晶体的外形具有一定的规则性
第一章 晶体结构
（单）晶体：长程有序 多晶体：长程多序 非晶体：短程多序
单晶Si太阳能电池 多晶Si太阳能电池 非晶Si太阳能电池
第一章 晶体结构
晶体：长程有序
1-1 晶体的宏观/微观特征 周期性 1-2 晶体的微观结构
对称性
1-3 常见晶体的结构 1-4 晶体的对称型
1-5 晶面与晶向
1-6 倒格子与布里渊区
发育良好的天然单晶 体在外形上往往非常 地规则，呈凸多面体。
描述晶体规则外形的常见术语：
物理粤教版高二年级选修3-3第二章第1节晶体的宏观特征全章概述
第二章液体、固体、气体性质全章概述物质是由分子组成的。
分子在不停地做无规则运动，它们之间存在着相互作用力。
这两种作用相反的因素决定了分子的三种不同的聚集状态：固态、液态和气态。
物态处于不同状态时具有不同的物理性质。
固体、液体和气体是物质的三种形态，有很多需要广泛和深入研究的内容，随着越来越多的研究成果的出现，有关物质三态的知识，在科学技术和日常生活等方面发挥着越来越重要的作用。
本章简单地介绍了晶体的结构和性质、固体新材料，液体的性质、液晶，液体的表面张力，气体的状态参量和实验定律、饱和汽与饱和汽压、空气的湿度等知识。
人类对物质属性的认识是从宏观到微观不断深入的过程。
应该说，人们对新材料或传统材料新功能的开发和研制从来没有停止过。
从远古的石器时代，到后来的青铜器时代、铁器时代……新材料在人类文明进程中都扮演了重要的角色。
新课标要求1）了解固体的微观结构。
会区别晶体和非晶体，列举生活中常见的晶体和非晶体。
2）了解材料科学技术的有关知识及应用，体会它们的发展对人类生活和社会发展的影响。
3）了解液晶的微观结构。
通过实例了解液晶的主要性质及其在显示技术中的应用。
4）通过实验，观察液体的表面张力现象，解释表面张力产生的原因，交流讨论日常生活中表面张力现象的实例。
5）通过实验，了解气体实验定律，知道理想气体模型。
用分子动理论和统计观点解释气体压强和气体实验定律。
6）知道饱和汽、未饱和汽和饱和气压。
了解相对湿度。
举例说明空气的相对湿度对人的生活和植物生长的影响。
学法导析物质处于不同状态时具有不同的物理性质，本章所讲的物质三态的物理性质，是在学习了物质三态的基本性质的基础上，伴随着科技的发展对物质在不同状态下相关性质的新发现。
在学习的过程中，既要注意联系生活中的具体事例，展开积极的思考和探究，又要注意新的科研动态和市场上的高端产品，如液晶电视的出现、新材料的研究与应用。
晶体的宏观特性和微观结构
说明：
1.基矢的选法并不唯一确定，（初基元胞 内仅含一个格点）。
2.威格纳－赛兹元胞（W－S元胞，对称元胞）
作法：（1）任选一格点为原点； （2）将原点与各级近邻的格点连线，得 到几组格矢； （3）作这几组格矢的中垂面，这些中垂 面绕原点围成的最小区域称W－S 元胞。（请看模型、动画GT010）
·
○ ○ B子格子
○
二、元胞
1.初基元胞和基矢 初基元胞：B格子中的最小重复区域。 每个初级元胞只包含一个格点。 基矢：在B格子中任取一个格点为原点， 初级元胞的三个棱边为三个矢量a1、 a2、a3 ,其模分别为该方向的最小周 期长度，这三个矢量a1、a2、a3称为 基矢。
基矢选定之后，B格子中的任一格点的位矢 Rn= n1a1+ n2a2+ n3a3 Rn称为格矢，是B格子的数学表示。
布拉菲格子（B格子）＝空间点阵 说 明
1. 2.
基元中A、B可以是不同的原子，或相 同的原子，但周围“ 环境”不同。 每个基元用一个格点来表示。此格点选 在基元的什么地方、代表几个原子并未 限制。
3.每个基元内所含的原子数＝晶体中原子 的种类数。 4.布拉菲格子（B格子）的基本特征：各格 点的情况（基元内涵和周围“ 环境”） 完全相同。 5.晶体结构的一种描述：带基元的B格子。 另一种描述： 单式格子：晶体由一种原子组成。一个 基元仅有一个原子，即一个原子由一个 格点表示。
晶体的宏观特性 和微观结构
绪论
研究对象： 固体的结构及其组成粒子（原子、离 子、分子、电子等）之间相互作用与运 动规律，以阐明其性能和用途。 固体物理是固体材料和器件的基础学 科，是新材料、新器件的生长点。
注意事项
1.
2.
材料化学2晶体宏观特征及晶体结构
一个含有两个原子 (分别用一大 一小两个空心圆点表示) 的基元
这个基元在二维空间作有规律的重复排列便 得到了一个二维晶体结构
黑显在点然这为在个抽这抽象一象出抽过来象程的过中几程，中， 何构几点成何，基点这元位些的置几原的何子选点的取就种可类和 构大以成小是了并任一不意个影的二响，维到只空最要间终是点阵 点的在阵形基。状元。所对包点括阵的最范终围形状
❖天然的水晶 (石英晶体) 可以有各种不同的外形
❖ 尽管不同的石英晶体，其晶面的大小、形状、个 数都可能会有所不同，但是相应的晶面之间的夹 角都是固定不变的
❖其中的 a 晶面和 b 晶面之间的夹角总是14147， b 晶面和 c 晶面之间的夹角总是12000，而 c 晶 面和 a 晶面之间的夹角总是11308。
王英华主编，“X 光衍射技术基 础”，原子能出版社
随着科学技术的发展，人们也找到 了另外一些研究晶体微观结构的实验方 法，包括电子显微镜、电子衍射、中子 衍射等等。现在最先进的电子显微镜已 经能够直接分辩出某些晶体中的原子。
HREM image of an area of TiC particle adjacent to TiC/Al2O3 interface in TiC/Al2O3 composite
在劳厄和布拉格父子工作的基础上，人 们发展出了一系列借助于X射线衍射分析晶 体结构的技术，这些技术已经成为了材料 科学研究中最重要也是最有用的分析手段。
波长为 的 X 射线从 T处 以 角入射至试样 S处
如果试样中某一原子 面正好满足布拉格方 程，便会在C处得到加 强的衍射束
目前常用的X射线衍射仪的工 作原理示意图
等大球体的最紧密堆积及其空隙
第一层：每个球与周 围 6 个球相邻接触， 每 3 个球围成 1 个空 隙。其中一半是尖角 向上的空隙，另一半 是尖角向下的空隙。
晶体的宏观对称性
代入
进一步选择其它的对称操作，最后得到 对于n阶张量形式的物理量，系数用n阶张量表示
在坐标变换下 如果A为对称操作 —— 这样可以简化n阶张量
3) 对于任意元素A, 存在逆元素A-1, 有：AA-1=E
4) 元素间的“乘法运算”满足结合律：A(BC)=(AB)C
正实数群 —— 所有正实数(0 除外)的集合，以普通乘法为 运算法则
整数群 —— 所有整数的集合，以加法为运算法则
—— 一个物体全部对称操作的集合满足上述群的定义 运算法则 —— 连续操作
可以证明
—— 满足结合律
S’
6 立方对称晶体的介电系数为一个标量常数的证明 — 1
—— X，Y，Z轴分量 —— X，Y，Z轴为立方体的三个立方轴方向 假设电场沿Y轴方向
将晶体和电场同时绕Y轴转动/2
Y
Z
转动的实施
X
—— 电场没变
—— 同时是一个对称操作，晶体转动前后没有任何差别
应有
xy zy 0
—— 对称素为镜面
—— 用
表示
一个物体的全部对称操 作构成一个对称操作群
5 群的概念
—— 群代表一组“元素”的集合，G {E, A ,B, C, D ……} 这些“元素”被赋予一定的“乘法法则”，满足下列
性质 1) 集合G中任意两个元素的“乘积”仍为集合内的元素
—— 若 A, B G, 则AB=C G. 叫作群的封闭性 2) 存在单位元素E, 使得所有元素满足：AE = A
0 0 0
D 0E
—— 正四面体晶体上述结论亦然成立 —— 介电常数的论证和推导也适合于一切具有二阶张量形
式的宏观性质：如导电率、热导率……等
立方对称晶体的介电系数为一个标量常数的证明 — 2
物理粤教版高二年级选修3-3第二章第1节晶体的宏观特征教学课件
三.非晶体
1.外形不规则 2.各向同性 3.无固定熔点
松香
玻璃
小知识：1.利用玻璃的无固定熔点性质可以做成各种形状 2.用超急冷方法使晶体溶液结晶成非晶体 练练：下列叙述中正确的是（） A.多晶体和非晶体各向同性，所以都不是晶体 B.单晶体和多晶体都是各向异性的 C.金属材料各向同性，但金属中每一晶粒各向异性 D.明矾是多晶体，小铁屑是单晶体
第一节 晶体的宏观特征
单晶体：石英、云母、明矾、食盐、味精 晶体 多晶体：金属（铜、铁等） 固 体
非晶体：松香、沥青、玻璃、塑料
一.单晶体
水晶晶体
雪花晶体
共同特点：有规则的几何形状.
一.单晶体 1.有规则的几何形状. 2.各向异性.
石蜡在云母片上溶化 石蜡在玻璃片上溶化ຫໍສະໝຸດ 3.有一定的熔点. 二.多晶体
晶体结构及氧化铝晶体特点
Be2O3晶体
Be2O3玻璃
2、晶体的宏观特征
自范性：
晶体物质在适当的结晶条件下，都能自发的成长 为单晶体，发育良好的单晶体均以平面作为它与 周围物质的界面，而呈现出凸多面体。 本质是晶体中粒子微观空间里呈现周期性的有序 排列的宏观表象。
晶面角守恒：
对于一定类型的晶体来说，不论外形如何，其外 表的晶面间总有一特性的夹角。 a,b面，b,c面，a,c面三个夹角分别为141o47’， 120o00’，113o08’
晶体外形图 几种不同外形的石英晶体
解理性：晶体受外力作用时，具有沿某一个或几个特定晶面劈裂的性质。
如云母很容易沿自然层状结构平行方向劈为平面，这些劈裂面称为解理面。
各向异性：晶体的物理性质随观测方向而变化的现象。包括压电性质、
光学性质、磁学性质及热学性质等。如石墨的电导率沿晶体不同方向测时， 数值不同。
0，1，0 0，1，0
0，0，1 0，0，1
由于立方晶格的对称性，每一组晶向中所 有晶向是等效的，因此，常常用<100> 表示边的晶向。
数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的属于 同一族晶向。
面对角线OB的晶向指数为[110] ] 体对角线共有8个不同的晶向
若l1、l2、l3为互质整数，则可直接用这三个互质整数来表示该晶列的方向
l1，l2，l3 称为晶向指数
若l1、l2、l3不为互质整数，则先要将这三个数简约为互质整数
简立方格子立方边OA、面对角 线OB和体对角线OC的晶向指数
立方边OA的晶向指数为[100] 立方边共有6个不同的晶向，
晶向指数分别为 1，0，0 1，0，0
a3 ak
体 积 V a 1(a 2 a 3)a 3 原胞只含一个原子
晶体特点、类型、结构及其应用PPT
2个晶胞参数a c
3个晶胞参数a b c
4个晶胞参数a b c β 6个晶胞参数a b c α βγ
六方hexagonal(h)
a= b≠ c α=β=900 γ=1200 2个晶胞参数a c
菱方rhombohedeal(R) a=b=c α=β=γ
2个晶胞参数a α
晶胞按平行六面体几何特征的分类 ——布拉维系
无定形态物质 (amorphous solids) 。
晶体物质的质点（分子、原子、离子）做 有规则的排列，而无定形态物质的质点呈混乱 分布。
3-1 晶体
3-1-1 晶体的宏观特征
1、晶体的自范性：
晶体能够自发地呈现封闭的规则凸多面体 的外形。
非晶体
固体
单晶：单一的晶体多面体；
晶体
双晶：两个体积大致相当的单 晶按一定规则生长； 晶簇：单晶以不同取向连在一起；
多晶：看不到规则外形的晶态质。
依晶体的 凸多面体 的数目对 晶体的分 类：
晶体自发呈现规则凸多面体外形举例
（a）水晶单晶 （b）石膏双晶和晶簇 （c）水晶晶簇 （d）蛋白质显微照片
金刚石单晶
磷酸盐双晶
天然白水晶晶簇。
紫水晶
绿柱石
石英
因生长条件不同，同一晶体可能有不同的 几何外形。见书 124页图3-2、3-3、3-4。
立方cubic(c)
a=b=cα=β=γ=900
1个晶胞参数a
四方tetragonal(t) 正交orthorhomic(o) 单斜monoclinic(m)
三斜anorthic(a)
a=b≠ c α=β=γ=900
a≠ b≠ c α=β=γ=900 a≠ b≠ c α=γ=900 β ≠ 900 a≠ b≠ c α≠ β≠ γ
固体物理第一章总结
第一章晶体结构和X射线衍射1.1晶体的特征微观特征固体分类(按结构)晶体长程有序分为单晶体和多晶体准晶体有长程取向性,而没有长程的平移对称性。
非晶体不具有长程序的特点，短程有序。
长程有序：至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。
宏观特征自限性、晶面角守恒、解理性、均匀性、晶体的各向异性、对称性、固定的熔点。
晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决定的，即晶体的宏观特性是微观特性的反映。
晶体结构及其描述一、晶体结构一个理想的晶体是由完全相同的结构单元在空间周期性重复排列而成的。
所有晶体结构可以用晶格来描述，这种晶格的每个格点上附有一群原子，这样的一个原子群称为基元,基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。
1.晶格+基元=晶体结构(1)晶格晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地做周期性无限分布，这些点子的总体称为晶格。
用矢量表示为：),,(321332211取整数nnnnnn++=所对应的点的排列。
晶格是晶体结构周期性的数学抽象。
(2)基元在晶体中适当选取某些原子作为一个基本结构单元，这个基本结构单元称为基元。
基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。
(3)格点晶格中的点子代表着晶体结构中相同的位置，称为格点。
一个格点代表一个基元，它可以代表基元重心的位置，也可以代表基元中任意的点子。
晶格+基元=晶体结构二、原胞的分类1.固体物理学原胞(简称原胞)构造：取一格点为顶点，由此点向近邻的三个格点作三个不共面的矢量，以此三个矢量为边作平行六面体即为固体物理学原胞。
特点：格点只在平行六面体的顶角上，面上和内部均无格点，平均每个固体物理学原胞包含1个格点。
它反映了晶体结构的周期性。
基矢：固体物理学原胞基矢通常用表示。
体积：()321aaaΩ⨯⋅=2.结晶学原胞（单胞、晶胞、惯用晶胞）构造：使三个基矢的主轴尽可能地沿空间对称轴的方向。
它具有明显的对称性和周期性。
特点：结晶学原胞不仅在平行六面体顶角上有格点，面上及内部亦可有格点。
晶体的宏观性能名词解释
晶体的宏观性能名词解释晶体是指由原子、离子或分子按一定规律排列而形成的具有规则几何形状的固体材料。
晶体的宏观性能是指晶体在宏观上表现出的各种可量化的特征与行为。
本文将对晶体的宏观性能中的几个重要名词进行解释，以加深对晶体的理解。
1. 晶体的晶格常数晶格常数是指晶体中重复排列的晶胞的尺寸大小。
晶胞是晶体中最小的重复单元，晶格常数反映了晶格结构的特征。
晶体的晶格常数可以通过实验测量，也可以通过X射线衍射等方法计算得到。
2. 晶体的晶胞形状晶胞形状描述了晶格的几何形状。
常见的晶胞形状有立方体、六角柱、四面体等。
晶胞形状对晶体的物理性能和化学性质具有重要影响，例如不同形状的晶胞会导致晶体的光学特性、热传导性能等的差异。
3. 晶体的晶体系晶体系是指晶体中晶胞和晶格之间的关系。
根据晶胞形状和晶胞之间的角度，晶体可以分为七个晶体系，分别是立方晶系、四方晶系、正交晶系、单斜晶系、菱形晶系、三斜晶系和六角晶系。
不同的晶体系具有不同的晶格常数和晶胞形状，影响晶体的物理和化学性质。
4. 晶体的晶体平面和晶体方向晶体平面是指晶格平面，晶体方向则是指晶格的方向。
每个晶体平面和晶体方向都有其特定的指数表示。
晶体平面和晶体方向对晶体的外观和物理性质都有重要影响，对于研究晶体的生长和加工具有重要意义。
5. 晶体的晶体缺陷晶体缺陷是指晶体中由于各种原因引起的晶格结构的不完整性。
常见的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷。
晶体缺陷对晶体的性能和行为具有显著影响，例如晶体的导电性、机械强度等。
6. 晶体的晶体结构晶体结构是指晶体中原子、离子或分子的排列方式。
晶体结构可以通过实验方法，如X射线衍射、电子显微镜等进行表征。
常见的晶体结构有金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体等。
通过对晶体的宏观性能名词解释，我们可以更深入地了解晶体的结构与性能之间的关系。
晶体是材料学和固态物理学研究中的重要领域，对于我们的生活和科技发展都具有重要意义。
更深入地了解晶体的宏观性能将有助于我们开发新型晶体材料，改善现有材料的性能，推动科技进步。
晶体的宏观特征
第一节晶体的宏观特征教学目标1、知道固体分为晶体和非晶体两大类．2、知道晶体和非晶体在外形上和物理性质上的区别．3、知道晶体有单晶体和多晶体．4、知道一种物质是晶体还是非晶体并不是绝对的．教学建议1、本章教材并没有全面地从力、热、声、光、电等方面讨论固体的性质，只是以分子动理论为基础从固体的结构特点研究了晶体和非晶体的区别，以及晶体中的单晶体和多晶体．2、晶体和非晶体在外形上的区别，要通过观察晶体和非晶体实物，让学生认识，并从而引起学生思考：这是为什么？3、晶体有一定的熔点，非晶体没有一定的熔点，这是学生初中学过的知识，为了让学生对晶体和非晶体的区别有全面的认识，在这里有必要再一次提出．晶体内部的一些物理性质，表现出各向异性，而非晶体是各向同性的．上述结论，教材是通过实验得出的，学生接受起来一般不会有问题．在教学中也可以举例说明其他教学目标1、知道固体分为晶体和非晶体两大类．2、知道晶体和非晶体在外形上和物理性质上的区别．3、知道晶体有单晶体和多晶体．4、知道一种物质是晶体还是非晶体并不是绝对的．教学建议1、本章教材并没有全面地从力、热、声、光、电等方面讨论固体的性质，只是以分子动理论为基础从固体的结构特点研究了晶体和非晶体的区别，以及晶体中的单晶体和多晶体．2、晶体和非晶体在外形上的区别，要通过观察晶体和非晶体实物，让学生认识，并从而引起学生思考：这是为什么？3、晶体有一定的熔点，非晶体没有一定的熔点，这是学生初中学过的知识，为了让学生对晶体和非晶体的区别有全面的认识，在这里有必要再一次提出．晶体内部的一些物理性质，表现出各向异性，而非晶体是各向同性的．上述结论，教材是通过实验得出的，学生接受起来一般不会有问题．在教学中也可以举例说明其他物理性质也具有各向异性，如方铅矿在导电性上有明显的各向异性；方解石在光的折射上表现出明显的各向异性．4、讲同一种物质有晶体也有非晶体，可以防止学生在物质存在的形式上产生片面的、绝对化的认识．教学设计方案一、课堂引入：1、教师讲解：通过上一章的学习，我们知道：分子在不停的做无规则的运动，分子之间的的相互作用力使得分子聚集在一起，而分子的无规则运动又使它们分散开来，我们看到自然界中物质的三种状态：液态、气态和固态，便是由于分子的这两种作用而产生的三种不同的聚集状态。
2.1晶体的宏观对称性
d
a c
1 b2
3.晶面角守恒： 属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的 夹角恒定不变---晶面角守恒定律.
石英晶体： a、b 间夹角总是141º 47´； a、c 间夹角总 是113º 08´； b、c 间夹角总是120º 00´。 外界条件能使某一组晶面相对地变小，或隐没， 因此，晶面本身的大小和形状是受晶体生长时的 外界条件影响的，不是晶体品种的特征因素。
6. 锐熔性——晶体有固定的熔点
给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时， 晶体开始熔化，且在熔化过程中温度保持不变， 直到晶体全部熔化，温度才开始上升，即晶体有 固定的熔点---锐熔性。 在一定的压强下，晶体 要升高到一定的温度才 熔解，该温度称为熔点 远程有序转为无序的过程
T 单晶 非晶
熔点
t
பைடு நூலகம்
总结：晶体的宏观特性：
4.晶体的各向异性 在不同方向上，晶体的物理性质不同。 由右图可以看出，在不同 的方向上晶体中原子排列情况 不同，故其性质不同。
O
Cl
A
C
O1
A1
O
5.晶体的对称性:
A*
B
NaCl 晶体结构（ 100 ）面示意图
晶体在某几个特定方向上可以异向同性， 这种相同的性质在不同的方向上有规律地重复 出现，称为晶体的对称性。
自限性、晶面角守恒、解理性、晶体的 各向异性、晶体的对称性、锐熔性。 晶体为什么具有这些宏观特性呢? 晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期 性决定的,即晶体的宏观特性是微观特性的反 映。其中晶体的对称性更是晶体结构分类的重 要依据。
つづき
二、 晶体的宏观特性
1.自限(范)性:
d a c 1 b2
晶体所具有的自 发地形成封闭凸多面 体的能力称为自限性。
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第一节晶体的宏观特征
一、教学目标
．在物理知识方面的要求：
（1）知道晶体和非晶体的区别，知道单晶体和多晶体的区别。
（2）了解晶体的空间点阵结构理论和用该理论解释晶体的特性。
．通过对晶体和非晶体的区分，培养学生的科学观察能力和实验能力。
．科学的观察法和实验法是科学研究的重要方法，通过本课程渗透科学方法的教育。
二、重点和难点
．教学重点是让学生知道晶体和非晶体的区别，以及单晶体和多晶体的区别。
．理解晶体结构理论（空间点阵结构）和解释晶体各向异性是教学的难点。
三、教具
．矿石标本：石英、云母、岩盐等。
．学生分组实验用具：
（1）观察食盐和砂糖颗粒形状的区别：两个培养皿（内各有食盐和砂糖）、放大镜。
（2）观察晶体各自导热性不同：薄云母片、盖玻璃（事先在一面涂上薄薄的一层蜡）、钢针（有木柄）、酒精灯。
．晶体结构模型：食盐（氯化钠）、金刚石、云母等。
．幻灯片：
（1）晶体与非晶体在液态冷却过程中的温度与时间关系曲线。
（2）晶体各向异性的微观解释图。
[教学过程]
一晶体的基本特点
人们最开始认识晶体是从观察外部形态开始的。
把具有天然的而不是经人工加工的规律的几何外形固体称为晶体。
如：石英，锆石英，食盐，但许多物质，虽然不具有明显的规则多面体外形，却具有晶体性质，也就是说，这种规则的多面体并不能反映晶体的实质，它只是晶体内部某种本质因素的规律性在外表上的一种反映，直到上世纪初，1912年劳厄（德国的物理学家）第一次成功茯得晶体对X射线的衍射线的图案，才使研究深入到晶体的内部结构，才从本质上认识了晶体，证实了晶体内部质点空间是按一定方式有规律地周期性排列的。
晶体的现代定义：内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。
（具有格子构造）
晶体，非晶体—内部结构显著不同—性质显著不同。
性质与结构紧密相关，通过学习性质可区分晶体、非晶体。
1. 各向异性
晶体对光、电、磁、热以及抵抗机械和化学作用在各个方向上是不一样的（等轴系晶
体除外）。
如：石墨的导电率不同方向差别很大，垂直方向为层平行方向1/104。
兰晶石硬度，AA方向莫氏硬度4.5，BB方向7，食盐晶体抗张强度，对角线方向最大，垂直晶面方向最小。
晶体的各向异性是区别于物质其它状态最本质性质。
2. 固定熔点
晶体在熔化时必须吸收一定的熔融热才能转变为液态(同样在凝固时放出同样大小的结晶热)，见晶体加热曲线：随时间增加，温度升高，T0时，晶体开始熔解，温度停止上升，此时所加的热量，用于破坏晶体的格子构造，直到晶体完全熔解，温度才开始继续升高
图1.1 固体的加热曲线
3．稳定性
晶体能长期保持其固有状态而不转变成其它状态。
这是晶体具有最低内能决定的，内能小，晶体内的质点规律排列，这是质点间的引力斥力达到平衡，结果内能最小，质点在平衡
位置振动，没有外加能量，晶体格子构造不破坏，就不能自发转变为其它状态，处于最稳定状态，而非晶体就不稳定，如玻璃有自发析晶（失透）倾向。
4．自限性
晶体具有自发地生长为一个封闭的几何多面体倾向，即晶体与周围介质的界面经常是平面，晶体的多面体形态是其格子构造在外形上的直接反映。
5．对称性
晶体的某些性质在一定方向及位置上出现对称性，因为晶体的构造是质点在空间周期性规律排列，是反映在宏观上的必然结果（专节讨论）。
6．均匀性（均一性）
一个晶体的各个部分性质都是一样的。
因为晶体内质点是周期性重复排列的，其任何一部分在结构上都是相同的，因而由结构决定的一切性质都是相同的。
这里注意：均匀性与各向异性不同，前者是指晶体的位置，后者是指观察晶体的方向。
二单晶体与多晶体
单晶体：整个物体就是一个晶体。
如课上展示的岩盐、方解石等矿石标本。
多晶体：整个物体是由许多杂乱无章排列着的小晶体（晶粒）组成的，这样的物体叫做多晶体。
平常见到的各种金属材料，如铁、铜、铝等都是多晶体。
把纯铁做成样品放在显微镜下观察，可以看到它是由许许多多的晶粒组成的，晶粒大小在10－3厘米左右。
多晶体没有规则的几何形状，也不显示各向异性，它在各个方向上的物理性质相同。
但是它有固定的熔点和凝固点。
．一些物质存在几点不同形状的单晶体。
如石墨和金刚石都是碳的单晶体，它们的外观和特性是不同的。
另一些物质又有晶体和非晶体不同形态，如天然水晶和石英玻璃都有二氧化硅成分，但前者是晶体，后者是非晶体。
．晶体的微观结构
从1912年人们用X射线窥探晶体的内部结构，得出结论：晶体内部的物质微粒（分子、原子或离子）依照一定的规律在空间排成整齐的行列，构成所谓空间点阵。
沿这些物质微粒的行列画出直线来，可以得出若干平行线，物质微粒就在这些平行线的交点上，这些交点叫做空间点阵的结点。
晶体的物质微粒的空间点阵结构排列有两个特点：一是周期性，二是对称性。
展示出氯化钠（食盐）和金刚石、石墨的晶体空间点阵示意模型和幻灯片。
晶体外形的规则性可以用物质微粒的规则排列来解释。
同样，晶体的各向异性也是由晶体的内部结构决定的。
图4表示在一个平面上，晶体物质微粒的排列情况。
从图上可以看出，沿不同方向所画的等长线AB、AC、AD上物质微粒的数目不同。
直线AB上物质微粒较多，直线AC上最少。
正因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才引起晶体在不同方向上的物质性质的不同。
非晶体的固体实际上可以看成粘滞性极大的液体。
非晶体内部物质微粒排列是无规则的，其结构非常类似液体。
因此，非晶体没有天然规则几何形状，各向同性，也没有固定的熔化温度。
严格说来，只有晶体才是真正的固体。
晶体与非晶体在适当条件下是可以转化的。
如石英晶体，熔融过后冷却成为非晶体石英玻璃。
三课堂小结
晶体（包括单晶体和多晶体）与非晶体的区别表现在熔化过程中有无固定的熔化温度。
．单晶体的天然规则几何外形和物质性质上各向异性，单晶体和多晶体共有的固定熔点等特性都是晶体内部微观物质微粒有规则的排列结构（空间点阵结构）造成的。