晶体结构的简介

晶体结构的简介

晶体结构即晶体的微观结构，是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况。自然界存在的固态物质可分为晶体和非晶体两大类，固态的金属与合金大都是晶体。晶体与非晶体的最本质差别在于组成晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列的（长程序），而非晶体中这些质点除与其最相近外，基本上无规则地堆积在一起（短程序）。金属及合金在大多数情况下都以结晶状态使用。晶体结构是决定固态金属的物理、化学和力学性能的基本因素之一。 晶体是各向异性的均匀物体。生长良好的晶体，外观上往往呈现某种对称性（图1）。从微观来看，组成晶体的原子在空间呈周期重复排列（图2）。即以晶体中的原子或其集合为基点，在空间中三个不共面的方向上，各按一定的点阵周期，不断重复出现。如从重复出现的每个基元中各取某一相当点，则这些点合在一起形成一个空间点阵的一部分，图3a为其示意图。确切地说，点阵是一组按连接其中任何两点的矢量进行平移后而能复原的点的重复排列。
空间点阵是认识晶体结构基本特征的关键之一，用它可以方便而又清楚地说明晶体的微观结构在宏观中所表现出的面角守恒、有理指数等定律以及X射线衍射的几何关系。各点分布在同一直线上的点阵称为直线点阵，分布在同一平面中者称为平面点阵，而分布在三维空间中者称为空间点阵。如图3a所示，空间点阵可以分解为各组平行的直线点阵或平面点阵，并可划分成并置的平行六面体单位。规定这个单位的矢量为a、b和c，如图3b所示。空间点阵划分成一个个并置的平行六面体单位后，若点阵中各点都位于各平行六面体的顶点处，则此单位只摊到一个点，称为素单位。平行六面体单位也可在面上或体内带心，摊到一个以上的点，成为复单位。按照空间点阵的平行六面体单位，可划分成晶体结构的单位，这样的单位称为晶胞。
晶体的一些宏观规律性反映了它微观结构中具有长程序的空间点阵形式。晶体之所以不同于一般具有短程序的非晶态固体和液体而成为各向异性体，与此有关。晶体外形为晶面构成的多面体，而晶面必与空间点阵中一组平面点阵平行，晶棱则与某一直线点阵组平行。在同一种晶体上两个给定晶面之间的交角是两组相应的点阵平面之间的交角，从而是常数。
点阵平面和直线点阵方向的表示方法在任何晶体中，可根据空间点阵的基向量a、b和c来取晶轴系。若任一点阵平面与它们交于A、B和C，则这个面在这三个晶轴上的倒易截之比，必可通约成三个互质数之比，即h:k:l，这是“有理指数定律”，h,k,l称为点阵平面指数，而（hkl）是该晶面的符号。晶棱或与一组直线点阵平行的方向可用记号【uvw】来代表，其中u、v和w也是三个互质的整数，称点阵方向指数。而这个方向与矢量ua+vb+wc平行。例如直线点阵方向【100】必与a平行，【010】与b平行，等等；而点阵平面（100）必与b和c平行，（010）与c和a平行，等等。
有了点阵概念就可以将晶体结构用下述所谓公式来简单表示：
晶体结构=点阵+结构基元 根据晶体的宏观对称性，布喇菲(Bravais）在1849年首先推导出14种空间点阵，它们的晶轴关系即晶轴的单位长度及夹角（即单胞参量a、b、c、α、β、γ）间的关系，分别属于立方、四方、三方、六方、正交、单斜、三斜共7个晶系（见表）。其中立方晶系的对称性最高，晶胞的三个边等长（a=b=c）并正交（α=β=γ=90°）。三斜晶系的对称性最低 (a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°）。在四方晶系中，晶胞的两个边等长并正交；而在正交晶系中三个边皆不等长。在六方晶系中，两个边等长（a=b≠c），它们的夹角γ=120°，而在三方晶系的菱面体晶胞中，三个边等长，三个夹角相等，但无正交关系（三方晶系中也可取六方点阵的晶胞），在单斜晶系，三个边不等长，三个夹角中有两个是90°。在这7个晶系中，除了由素单位构成的简单点阵（P）外，还可能有体心（I）、底心（C）、面心（F）点阵。在这些有心的点阵中，晶胞分别有2个或4个阵点。