材料化学第一章习题和解答

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Chapt 1 Exercises
(2)晶体结构中的每个结构基元可抽象成一个点,将这 些点按照周期性重复的方式排列就构成了点阵。
点阵是反映点阵结构周期性的科学抽象,点阵结构是点阵 理论的实践依据和具体研究对象,它们之间存在这样一个关 系:
点阵结构=点阵+结构基元 点阵=点阵结构-结构基元
Chapt 1 Exercises
Chapt 1 Exercises
14、为什么有立方面心点阵而无四方面心点阵? 答:因为立方面心点阵若取成素晶胞,不再满足立方晶系
4个三重轴的特征对称元素的需要。而四方面心点阵可取成 更简单的四方体心格子,所以没有四方面心点阵。
=
Chapt 1 Exercises
15.某一晶体的点阵型式具有三个互相垂直的四重轴、对称面、对称中 心, 而此晶体却无4重对称轴、无对称面和对称中心, 问此晶体属于何点 群?简述推理过程。
Chapter 1 Fundamental of Crystal Structure
Exercises and Answers
1、晶体一般的特点是什么?点阵和晶体的结构有何关系?
答:(1)晶体的一般特点是: a 、均匀性:指在宏观观察中,晶体表现为各部分性状相 同的物体 b 、各向异性:晶体在不同方向上具有不同的物理性质 c 、自范性:晶体物质在适宜的外界条件下能自发的生长 出晶面、晶棱等几何元素所组成凸多面体外形 d 、固定熔点:晶体具有固定的熔点 e、 对称性:晶体的理想外形、宏观性质以及微观结构都 具有一定的对称性
答:对体心晶体,可知,在(0,0,0), (1/2,1/2,1/2)处有相同原子。
Chapt 1 Exercises
度、宽度峰的高度、高度
Chapt 1 Exercises
12、阐明劳埃方程各符号的物理意义,并说明为何摄取劳埃图时需用白 色射线,而在用单色特征射线摄取单晶回转图时,需使晶体沿一晶轴旋 转?
式中 h、k、l = 0,±1, ±2,…
I. a,b,c为空间点阵中三个互不平行的基本向量的大小 α0,β0,γ0分别为三个方向上的X射线入射角 α,β,γ分别为三个方向上的衍射角 h,k,l 为一组整数,称为衍射指标,分别表示在三个晶
(解题分析:因为hkl奇偶混杂,故可能为两偶一奇, 或者两奇一偶,则h+k,k+l,h+l中都是一个偶数,两 个奇数。则,下式中cosπ(h+l),cosπ(k+l),cosπ(h+k) 中有两个是-1,一个是1。故,下式=0 ,所以,题述 结论成立,消光存在。)
Chapt 1 Exercises
18. 论证具有体心点阵的晶体,指标 h+k+l=奇数的衍射其结 构振幅︱Fhkl︱=0.
聚偏二氯乙烯链周期为4.7 Å比聚乙烯大的多,而接近于聚 氯乙烯的链周期为5.1 Å,可知链周期仍包含4个C原子。周期 缩短的原因是由于同一个C原子上有2个Cl原子,为使排斥能 最小它们交叉排列,即每个Cl原子在相邻2个Cl原子的空隙 处。这样分子链沿C-C键的扭曲缩小了链周期。
Chapt 1 Exercises
(a)若划分为六方格子中心带点,破坏六重轴的对称性, 实际上该点阵的对称性属于矩形格子。(b)(c)分别划分 为正方带心和平行四边形带心格子时,还可以划分成更小的 格子。(d)如果将矩形带心格子继续划分,将破坏直角的 规则性,故矩形带心格子为正当格子。
Chapt 1 Exercises
6.什么叫晶胞,什么叫正当晶胞,区别是什么? 答:晶胞即为空间格子将晶体结构截成的一个个大小,形
Chapt 1 Exercises
13、为什么l4种点阵型式中有正交底心,而无四方底心,也没有立方底 心型式?
答: ① 立方底心型式会破坏立方体对角线
上三重轴的对称性,不再满足立方晶 系特征对称元素的需要,所以无立方 底心型式。 ② 四方底心型式则可以划分为更小的 简单格子,且仍保持四重对称轴的对 称性,所以无四方底心型式。 ③ 而正交底心型式划分为更小的简单 格子时,将破坏其α=β=γ=900的规则 性,所以要保留正交底心型式。
答:C2v :正交晶系, a≠b≠c,α=β=γ=900, oP, oC,oI,oF,3 个垂直的2 or 2个垂 直的m
C2h :单斜晶系 a≠b≠c α=γ=900≠β mP, mC (mA, mB), 2 or m
D2d :四方晶系 a=b≠c
α=β=γ=900 tP, tI ,4
or 4重反轴
答: ① 由于有一个以上的高次轴,应属于立方群。 ② 该晶体点阵型式有三个四重轴,而晶体无4重轴,所以该 点阵对称性降低,具有C3轴, ③ 又晶体无对称面和对称中心,所以具有C2轴。
综上分析此晶体属于T点群。
Chapt 1 Exercises
16.请说明下列空间群国际记号的含义。


“–” –” 后前 面面 的的 是是 国熊 际夫 记利 号。斯
4.石墨分子如图所示的无限伸展的层形分子请从结构中引出点阵 结构单位来,已知分子中相邻原子间距为1.42Å,请指出正当结构 单位中基本向量a和b的长度和它们之间的夹角。每个结构单位中包 括几个碳原子?包括几个C-C化学键?
解:点阵结构单元为,
2×1.42Å×sin(120°/2)=2.41Å 基本向量长度2.41Å,基本向量 之间夹角120º,每个结构单元中 包含2个碳原子,包含三个C-C化 学键。
Chapt 1 Exercises
由图可以看出BB’必平行 于AA’,即:BB’//AA’,则: 向量BB’属于素向量为a平移 群,那么:
BB’=ma m=0,±1, ±2,…
BB’=| BB’|=2| OB|cos(2π/n) 即: ma=2acos(2π/n)
m/2=cos(2π/n) 而: |cos(2π/n)|≤1 即: |m|/2≤1,或|m|/2≤2 即有: m=0,±1, ±2

号 ,
Chapt 1 Exercises
17、什么是晶体衍射的两个要素?它们与晶体结构有何对应关系?晶体 衍射两要素在衍射图上有何反映?
答: I. 晶体衍射的两个要素:衍射方向和衍射强度 II. 对应关系、图上反映: 晶胞大小、形状衍射方向衍射(点、峰)的位置 晶胞内原子种类和位置衍射强度衍射点(线)的黑
Chapt 1 Exercises
答:由题中表格可知,聚乙烯醇的链周期为2.52 Å,比聚 乙烯略大,原因可能是-OH体积比H大,它的排斥作用使C原 子间夹角变大,因而链周期加长,但链周期仍包含两个C原 子;
聚氯乙烯的链周期为5.1 Å,是聚乙烯链周期的两倍多,这 说明它的链周期中包含四个C原子,原因是原子的半径较大 Cl原子为使原子间排斥最小,相互交错排列,其结构式如上 图。
状相等,包含等同内容的空间基本单位(平行六面体)。 在照顾对称性的条件下,尽量选取含点阵点少的单位作正
当点阵单位,相应的晶胞叫正当晶胞。
Chapt 1 Exercises
7.试指出金刚石、NaCl、CsCl晶胞中原子的种类,数目及 它们所属的点阵型式。
答:
Chapt 1 Exercises
8.四方晶系的金红石晶体结构中,晶胞参数为a=b=4.58 Å,c=2.98 Å, α=β=γ=90º,求算坐标为(0,0,0)处的Ti原子到坐标为(0.31,0.31,0)处的 氧原子间的距离。
答:晶面交角守恒定律,即是同一种晶体的每两个相应界 面间的夹角保持恒定不变的数值,若对应各相应的晶面分别 引法线,则每两条法线之间的夹角(晶面夹角)也必为一个 常数。
晶面交角守恒定律是在1669年首先由斯蒂诺发现后经过其 他学者反复实测、验证,直至18世纪80年代才最后确定下来 的。这一规律完全是由晶体具有点阵结构这一规律决定的。
两种途径可达到此目的: 一是晶体不动,采用多种波长混合的“白色”X射线,即 X射线的波长λ在一定范围内发生变化,摄取劳埃图的劳埃 照相法就是采用此法; 二是采用单色X射线而使晶体转动,即改变α0,β0,γ0的 一个或两个,回转晶体法就是采用这种方法。
Chapt 1 Exercises
13、明矾有八面体的理想外形,现在想用劳埃图来证明它确为立方晶体, 考虑一下工作进行的大致步骤如何?
解:根据晶胞中原子间距离公式 d=[(x1-x2)2 ·a+(y1-y2)2 ·b+(z1-z2)2 ·c]1/2, 得: d=[(0.31-0)2 ·a +(0.31-0)2 ·a +(0-0)2 ·c]1/2 =0.31 ·21/2 ·4.58Å =2.01Å
结构基元: 2A-4B 每个晶胞中有 1个结构基元 点阵型式: 四方P
Chapt 1 Exercises
m的取值与n的关系如下表:
由上表可知,晶体结构中不可能存在五重旋转轴。并且不 可能存在高于六次的对称轴。
Chapt 1 Exerciபைடு நூலகம்es
12、有A、B、C三种晶体,分别属于C2v、C2h、D2d群。它们各自的特 征元素是什么,属于什么晶系,晶胞参数间的关系如何?各种晶体可能 具有什么样的点阵形式(注:page 33-34。七大晶系及32个点群。)
Chapt 1 Exercises
5.试叙述划分正当点阵单位所依据的原则。平面点阵有哪几种类型与型 式? 请论证其中只有矩形单位有带心不带心的两种型式,而其它三种类 型只有不带心的型式?
答:划分正当点阵单位所依据的原则是:在照顾对称性的 条件下,尽量选取含点 阵点少的单位作正当点阵单位。平面 点阵可划分为四种类型,五种形式的正当平面格子:正方, 六方,矩形,带心矩形,平行四边形。
答:劳埃法为晶体不动,用多色X-光照射,平板底片与X射线垂直。沿其理想外形的3个四重轴方向分别摄像,分析 底片上衍射点的对称性,若每个方向均存在四重轴可证明明 矾为立方晶体。
Chapt 1 Exercises
17. 论证具有面心点阵的晶体,其指标hkl奇偶混杂的衍射,强度一律为 零。 答:对面心晶体,可知,在(0,0,0),(0, 1/2,1/2),(1/2,0,1/2),(1/2,1/2,0) 处有相同的原子。f1=f2=f3=f4=f,
2、下图是一个伸展开的聚乙烯分子,其中C-C化学键长为 1.54Å。试根据C原子的立体化学计算分子的链周期。
链周期:2个C,2个C-C键。 答:因为C原子间夹角约为109.5°,所以 链周期=2×1.54Å×sin(109.5°/2)=2.51Å
Chapt 1 Exercises
3、由X射线法测得下列链型高分子的周期如下,试将与前题 比较思考并说明其物理意义。
Chapt 1 Exercises
9.什么叫晶面指标,标出下图所示点阵单位中各阴影面的晶 面指标。
答:晶面指标(hkl)是平面点阵面在三个晶轴上的倒易 截数之比,它是用来标记一组互相平行且间距相等的平面点 阵面与晶轴的取向关系的参数。
Chapt 1 Exercises
10.晶面交角守恒是指什么角守恒,为何守恒?晶面的形状和大小为什么 不守恒?晶体外形一般受那些因素的影响?
因为晶体的大小和形状不仅受内部结构的制约,还受外部 因素的影响,所以晶面的形状和大小是不守恒的。
一般说来,晶体外形除了其内部结构制约,在一定程度上 还受到外因,如温度、压力、浓度和杂质的影响。
Chapt 1 Exercises
11.论证在晶体结构中不可能存在五重旋转轴。

设晶体中有一个n次螺旋轴通过O点,根据对称元素取向定 理,必有点阵面(屏幕所在平面,包含A’,O,A,B’,B各点)与 n重轴垂直。而其中必有与n重轴垂直的素向量,将该素向量 作用于O点平移得到A’点(点阵定义)。设n重旋转轴的基转 角2π/n,则L(2π/n)与L(-2π/n)必能使点阵复原(旋转轴定义)。 这就必有点阵B与B’,如图所示。
轴方向上波程差所含的波数 λ为波长
Chapt 1 Exercises
单晶衍射实验方法有多种,如照相法中就有劳埃法、回转(或回摆法)、旋进 法、魏森堡法等等,但无论什么方法,它们根本的理论依据都是劳埃方程和布 拉格方程。
α,β,γ三个角度不是彼此完全独立的,他们之间还存在 一定的函数关系。这个关系连同劳埃方程共有4个方程,联 系3个未知变量,一般得不到确定解。欲得确定解,即欲得 衍射图,必须增加变数。
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