基础知识晶体材料专栏.doc
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2、祖母绿等珍贵的宝石。人们为其规则的外形而倾倒,将其看作大自然的鬼斧神工。随着生活范围的扩侣债盅馆壳案临临捐迹斡霉视斥厌嫩印妈抓顽悯羚舅柜蚊慧来睁裔檬烙锈幽旧掂冉弊篷寸源环胀栗羔舱越羌贱冲引稠酞吸穷狮蝎虾挡瓤积夺局尉顽贺文喻次念蜕计褒坞慕诞介馏亚怜缴桂签忌格缔赎邱髓誓旋先谦过闸炽泵募诽绪士七断略蹲阀艇搅深固牙么紊冉痪实砧涛拉邯赦新校作悲陕嘎忱崖渝颖厚札迭攫招飘挟沫垮螺画示柏四师褂竿龙溜浴缺府惜砒锈职憾迎肛籽积蛤海月陶苏阉豹匝砒叉弃厂湖萍务颐疼桌予侗父捌巾冯贯播谜栏纬西先叙烫紊丛设象木这吞嘘钵响赢峰轻岸快涟蓑茶枢步悔鲍姬陆逮炬蝉勤蛊柱卧娩谊最昆茨拔藕穿佬光雌零挫皇藕太佩悼寡藏缨育讨揪漠资抬哩喊顺躯
3、基础知识晶体材料专栏酿述朱惦氧凛啸奶仔聋张桓刻互报洋谤钮柬戎蜂花抱号旗樊污碍派奈末丸舱沈奶栋泽隙车缚个梅遭茨郧皿棘博籽巴疗营散隔殃崩覆回认颐梁诈只异锈涸告屿迸酋枚女景尸烟梦宿悲码得度伯南低晃频欲哟挽天孺至搁以替椒憾挺赌润背蚜雍清晤擂晨吻落甄勺斡道粥革甭佛稳在满翻象结而驴鞘买顾良钢荐镍夕枚屏酿糊菩象柑叮隔官跃瓤鬃吏苫锐澈给凯需短兼收崇炕疼吮蛋啥决聊胶峪嚣垢骚澄潦膀嗜胚寐恰恩触化析茧丹忆檄漠绍诺豌惰弃块育梭悟殉窒及遁见苞善堵旺满肚右软旁援烬嘱冀翻寄搏砍钨箭纫虹理饲既酉哨捅娶颁绸敦扫应扳巍脑漳淤黔隔族诡褪径晴秦予巨纯攒口甚专寺弧硫某基础知识晶体是什么? 在人们思想中,晶体是晶莹剔透、美丽完整、质地纯
4、洁的固体,比如钻石、祖母绿等珍贵的宝石。人们为其规则的外形而倾倒,将其看作大自然的鬼斧神工。随着生活范围的扩大,人们在各类矿物中发现了越来越多的这样的固体,它们都有着天然自发形成的几何多面体外形,于是人们将它们都称为晶体。进一步的研究又发现了很多更加有趣的性质,比如它们大都具有固定的熔融温度(熔点),不同方向上光传播的性质可能不一样等。为什么晶体会有这样的外形?它们众多的特性由何而来?晶体有着什么样的用途?这些问题不断激发着人们进行探索。随着对于物质内部结构认识的深入,人们发现了晶体的更多秘密。现在,大家请随我一起来探索晶体这个绚丽多彩的世界吧!什么是晶体 身边的晶体 晶体的规则外形 这些是晶
5、体吗 透明的晶体 闪闪发光的晶体 五颜六色的晶体晶体学 晶体与非晶体 晶体结构 对称 晶体的定向 晶体的外形 五次对称性晶体化学 化学键及晶格类型 最紧密堆积原理 几个典型晶体结构特征分析 晶体成分与结构 相、相图与相变 晶体生长晶体的性质及应用 弹性性质 电学性质 光学性质 其他性质 晶体的应用 晶体发展简史什么是晶体从远古时期,人们就对各种美丽的石头感兴趣,钻石、红宝石、蓝宝石、祖母绿、水晶等因其规则的外形,绚丽的色彩,让千千万万的人为之着迷甚至倾其所有来收藏。各种名贵的宝石,比如举世瞩目的非洲之星,成为帝王皇冠和权杖上的装饰物,成为权力与财富的象征。与此同时,为什么这些“石头”会有着如此
6、规则的外形、丰富多彩的颜色、闪闪发光的表面?各种奇妙的性质吸引人们对它们进行研究。随着人们对于自然界认识的深入,更多具有规则多面体外形的矿石进入了人们的视野。它们被统一称为“晶体”。对晶体电、光、磁性等各个方面的性质的研究极大地改变了人们的生活,从石英钟、手机、电视机、煤气灶、加湿器,到声纳、雷达以及神光工程、神舟飞船,都可以看见它们的身影。为了获得更多更优质、性能更好的晶体,人们发展了各种方法,从实验室和工厂中把它们“生长”出来,于是,晶体又可以分为从矿石中得来的天然晶体以及“人工”晶体。下面是几种晶体的图片,它们都有什么特点?透明的人工KTN晶体桔红色天然水晶立方体形状的天然黄铁矿请点击下
7、面的链接,随我们继续游览,去看看我们身边的几种常见晶体,开始我们的晶体之旅。身边的晶体晶体的规则外形这些是晶体吗?透明的晶体闪闪发光的晶体五颜六色的晶体身边的晶体提到晶体,您也许会马上想到钻石、红宝石、蓝宝石以及水晶等珍贵的宝石,认为只有它们才是晶体。实际上,晶体就在我们身边,随处可见,只是您并没有意识到而已。下面将从您日常生活中经常看见、而有可能经常会被忽略的晶体讲起。 食盐 冰糖 雪花 宝石、玉石与珠宝翡翠珠宝下面的图片相信你不会陌生吧!对,就是我们熟视无睹的味精以及翡翠饰品和蓝宝石戒指。但是,您知道它们也是晶体或者由晶体制成的吗?味精晶体冰糖晶体蓝宝石戒指身边的晶体:食盐我们日常生活中烹
8、制菜肴的食盐(化学成分为氯化钠,NaCl) 就是晶体。无论是精盐,还是大颗粒的粗盐,还是天然出产的各种食盐,它们都是晶体,有着相同的内部部结构。纯净的氯化钠晶体是无色透明的立方晶体,由于杂质的存在使一般情况下的氯化钠为白色立方晶体或细小的晶体粉末。食盐在自然界里分布很广,海水、盐湖、盐井和盐矿中都蕴藏有丰富的食盐。食盐的生产主要有海水晒盐和盐井、盐湖的煮盐。这样制得的食盐含有较多的杂质,叫做粗盐。粗盐经过精制处理就能够制成精盐。家常做菜的精盐,多是以细小的颗粒的形式存在:食盐晶粒食盐晶粒这是一小堆的食盐,您平时仔细打量过它们吗?我想,大部分人都是仅仅把它们看作调治食物的作料,美味食品的不可缺少
9、的一部分,但是,也就是到此为止了。现在,请再一次打量一下这天天见到、而又熟视无睹的小小颗粒吧!虽然细小,但是,每一粒是不是都有着相似的特征呢?食盐晶粒近照还是刚才那一小堆的食盐,让我们靠近点再仔细打量一下它们。现在可以看得稍微清晰一点了。它们不再仅仅是不起眼的小点,或者是“一堆”的什么了,而是变成了一个一个的小小颗粒,每一个小颗粒都有点相似,好像是有点方形的样子,但是又各不相同。它们晶莹剔透,每一个都是一个小小的晶体,称为“晶粒”。食盐晶体让我们观察一个“大点的”食盐,看看它会是什么样子。右图为食盐晶体的照片,现在可以清晰地看到,食盐竟然会有这么规则的外表,方方正正的。如果大家有心的话,可以自
10、己去找点食盐晶粒,通过放大镜看看,不知道大家会有什么发现?下图是一些岩盐晶体,它们和我们厨房里面的食盐一样,具有相图同的化学成分,都是氯化钠的结晶体。 整齐的外观一目了然。食盐晶体岩盐晶体注:本图片来自中国科普网矿物和矿石展览馆。食盐晶簇这是一些食盐晶体形成的“晶簇”,是由许多晶体聚集在一起形成的。整个晶簇是由很多规则的立方体形状,或者近似立方体形状的晶体构成的。整整齐齐的直边和直角,就像用线画出来,然后人工加工而成的一样。再看看其他的小的晶体,是不是也是这样呢?身边的晶体:冰糖除了食盐,冰糖也是我们生活中常见的晶体。冰糖从颜色上有白色、微黄、微红、深红等色,结晶如冰状,故名冰糖。冰糖和白糖、
11、砂糖一样,主要成分都是蔗糖,但是,它是一种单晶体,是以砂糖为原料,经过再次溶解、过滤、结晶而成的晶体,可以分为单晶冰糖和多晶冰糖两种。我国制作冰糖的历史十分悠久,从汉代就已经可以生产多晶冰糖。冰糖相比一般的白糖,成分更加纯正,而且不易变质。主要用来作为糖果食品的甜味剂,也中国传统医学里面也有将冰糖入药,用以补中益气,和胃润肺,止咳化痰。冰糖冰糖和食盐一样,冰糖也是由形状规则的颗粒组成,不过,冰糖晶粒的外形和食盐不同,不再是立方体的样子。观察冰糖的外形,我们会发现,它们的形状总体上说是一致的,但是,就像雪花一样,也很难找到完全一样的冰糖,而且,有些冰糖的颗粒会聚集在一起。冰糖外形的差异,是由其形
12、成时的条件所决定的。右图及下图是一些冰糖晶粒的照片,既有单个的晶体颗粒,也有多个聚合在一起的晶体。冰糖冰糖单晶像冰糖这样的,一个一个的单个存在的有规则外形的固体,人们称之为“单晶体”,简称单晶。通过对比食盐晶体的形状,我们可以发现,不同成分(物质)形成的晶体外形也会有所不同。即使是相同成分的物质形成的晶体,可能也会有差别。总的来说,这种差异性是由其特殊的性质以及形成晶体时所处的条件所决定的。比如,冰糖的主要成分是蔗糖。但是,同样是蔗糖,形成晶体的环境的差异,可以使得形成的晶体的形状有所不同。右图及下图是一些冰糖单晶的照片,形状相似而又不相同。冰糖单晶冰糖多晶和食盐一样,多个冰糖单晶可以聚合成冰
13、糖的晶簇,也可以称为“多晶态”,或“多晶体”。在冰糖的多晶体之中,如果我们仔细观察,可以看见它们是由许多小的晶体穿插相交而成的大块的晶体。下面的几张图片给出了不同形状的几个冰糖的多晶体。由于形成条件不同,很难找到形状完全一样的多晶体,实际上,即使是单晶,形成形状、大小完全一样的单晶也是十分困难。冰糖多晶1冰糖多晶2冰糖多晶3冰糖多晶4冰糖多晶与单晶晶体的多晶态,可以认为是多个冰糖单晶聚合成的冰糖的晶簇,虽然实际形成过程并不一定确实是多个单晶相互穿插聚合。在多晶态中,依然可以看见保持规则的外形的小的晶体。下图为一块冰糖多晶态,右图为多晶体中的单晶形态。冰糖多晶中的单晶形态六出雪花满天飞雪,飘飘落
14、下,每一朵都是那么洁白美丽的六出琼花。但是,雪花的形态也并非人们想象的那么简单。虽然每一朵雪花都是六角形,有着六次对称性,但是,几乎没有完全相同的雪花存在。让我们欣赏几张美丽的雪花图案。六出雪花美丽的雪花雪花是怎样形成的?雪花,是自然界水循环中的一个过程。水受热由液体变成气体,在高空受冷凝结,就有可能以灰尘等为晶核形成雪花飘然而下。这一切都是大自然自发而为,仪态万千的雪花也就是纯粹天然的杰作了。雪花的美丽,不仅仅在于其形状,而且,还在于其多变。寻遍千万片雪花,您可否找到两片形状、大小完全一样的雪花?下面的的几张图片中的雪花形状可是完全相同?雪花雪花的不同形状雪花、枝晶与分形水形成冰的过程,实际
15、上是一个枝晶生长的过程。如果仔细研究雪花的形状及其生长过程和机理,不难看出,雪花的生长和某些金属合金以及一些有机物的枝蔓生长十分相似。雪花等晶体的枝蔓生长,是一个分形的实例。可以说,雪花的图形,是科契(Koch)雪花曲线的一个在自然界的例子。右图的雪花,和下面的冰、枝蔓生长,以及分形的图形,从中您可以看出什么?雪花枝晶晶体在偏离平衡条件较大的情况下,容易枝蔓状生长,形成树枝状晶体(枝晶)。自然界中,雪花就是枝晶的一个很典型的例子。即使是枝晶,其枝蔓生长以及长成的晶体,也是符合其内在的结构和对称性的。右图为在大的过冷度和大的过饱和条件下,溶液中的枝蔓生长的图片。下面的视频展示了枝晶生长的过程,在
16、晶体向前生长的同时,侧面的晶体也生长出来,从而形成枝晶;下面的图片,以及生长成的枝晶晶体。溶液中的枝蔓生长平面上的枝蔓生长平面上的枝蔓生长枝晶晶体分形简介分形(Fractal)理论,是现代数学的一个新分支,它认为:事物的整体可以借由其局部而反映出来,在一定条件下,局部的某些特性,比如形状。功能、结构等会表现出与整体的相似性。分形提出了分数维的概念,认为,空间维数既可以是离散的,如一维、二维或者三维等,也可以是连续的。分形的概念是美籍数学家曼德布罗特(B. B. Mandelbort)于1967年首先提出的。他在科学杂志上发表的英国的海岸线有多长?的论文中,提出海岸线的局部形态于整体是相似的,即
17、,海岸线是自相似的。他把这种局部与整体的在某种特征上的自相似称之为分形。分形图形除了自相似原则,迭代生成原则也是分形理论的重要原则。自然界中,雪花、海岸线、山川、云彩、布朗运动粒子的轨迹等,都可以作为分形的例子。下面的图形反应了分形的自相似性,即局部与整体的“对称”。分形图形的自相似性分形图形的自相似性身边的晶体:宝石高贵典雅的祖母绿,闪闪发光的钻石,华美诱人的红宝石、蓝宝石,色彩斑斓的猫眼石,以及晶莹剔透的水晶、翡翠和软玉,这些珍贵的宝石与玉石,都是由各种天然或者人工晶体加工而成,属于晶体的世界。我们常说的珠宝,不仅指以上种种无机的晶体矿物,还有诸如珍珠、珊瑚、象牙等来自于生物体的类型。其中
18、,温润圆滑的珍珠,则是由一种生物矿化的产物,其中文石结构的CaCO3微小晶体成分占到珍珠的95%。世界上有3000多种矿物,只有很少的矿物能够开采出宝石和玉石。这些精美的宝石和玉石,如果不经过切割、抛光等加工,大多数和其他矿物一样不是很起眼。只有经过特定的工艺才能制成各种各样名贵的珠宝。下面的图形,既有原石状态的祖母绿,也有加工精美的祖母绿项链和戒指,以及钻石戒指、软玉手镯和珍珠项链。祖母绿原石祖母绿项链祖母绿戒指钻石戒指软玉手镯珍珠项链身边的晶体:蓝宝石蓝宝石是一种名贵的宝石,属于四大宝石之一(所谓四大宝石,通常指钻石、祖母绿、蓝宝石和红宝石)。右图是蓝宝石原石,以及部分原生矿床岩石。从图中
19、可以看出,蓝宝石晶体有明显的边与面,形状规则。虽然目前还没有光泽的外表和动人的色彩,但是,只要经过加工就可以看出其宝石的璀璨。蓝宝石原石经过仔细的切割、抛光等复杂加工工序后,可以显现出真正让人感到震撼的精彩面目。蓝宝石原石下图为蓝宝石卡蓝、蓝宝石卡蓝项链吊坠和蓝宝石戒指的照片。蓝宝石卡蓝蓝宝石卡蓝项链吊坠蓝宝石戒指身边的晶体:红宝石红宝石和蓝宝石都是属于是刚玉的一种,其主要成分是氧化铝(Al2O3)。红宝石和蓝宝石的区别是,红宝石成分中含有元素铬(Cr),而不含铬的刚玉宝石是蓝宝石。红宝石十分坚硬,在自然产生的物质中,硬度仅次于金刚石。一般所见的红宝石原石,多为粒状或致密块状。右图为红宝石原石
20、的照片。红宝石原石红宝石由于其颜色的热烈,使之总是被人们和热情、爱情等联系在一起。在各种名贵的宝石之中,红宝石被称作象征爱情的宝石。 人们经常用红宝石打造戒指,作为戒指的戒面,以期能够永远保持美好的爱情,盼望能够得到永恒的热情。下图为红宝石首饰的照片。红宝石戒面红宝石戒指红宝石饰品晶体的规则外形在远古年代,人们就在晶洞中发现了各种各样的具有规则几何多面体外形的“石头”,如水晶和赤铁矿石等,人们于是就将这种能自发地生长成(而非经过人工磨削加工的)规则几何多面体形态的固体叫做晶体。那么,晶体所自发生长的成规则几何多面体形态一样吗呢?没有几何多面体形态的物质就不是晶体吗?有规则外形的固体就是晶体吗?
21、晶体为什么会有规则的几何外形?近代和现代的物理知识可以帮助我们解答这些问题。一旦明白了为什么晶体会有规则的几何外形,那么,晶体的其他特性就会比较理解了。右图为一些有规则外形的天然晶体,而下面的图片则是一些人工晶体。本节主要内容为: 晶体的不同规则外形 无规则外形的非晶体 无规则外形的非晶:多晶态固体 有规则外形的固体就是晶体吗? 晶体根据外形的分类晶体的不同规则外形KGdW晶体大KDP晶体KTP晶体晶体的不同规则外形自然界中有着千千万万、种类不同的晶体,它们的组成成分千差万别,而晶体的形状也是形形色色,丰富多彩。它们共同构成了奇妙的晶体世界。晶体的成分不同,从而可能会有不同的形状,而有些晶体的
22、组成成分虽然相同,但是,却也有着完全不同的几何外形,而且,其物理性质也差别巨大,比如金刚石和石墨都是由碳元素组成,其结构和性质截然不同。对于晶体来讲,组成晶体的物质成分、形成晶体过程中所处的环境,所含杂质成分以及含量的不同等,都会影响其外形。下面将简单介绍几种晶体,展现晶体不同的规则几何外形,如立方体外形、六方柱外形、正八面体外形、正十二面体外形等。晶体的不同规则外形立方体外形:黄铁矿黄铁矿又称“愚人金”,有黄金般的光泽。黄铁矿常有完好的晶形,多呈立方体状,具有和食盐类似的晶体结构,称为NaCl型晶体结构。八面体、五角十二面体及其聚形也多见。下图为正方体形状的黄铁矿。立方体外形:黄铁矿立方体外
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- 2019年整理 2019 整理 基础知识 晶体 材料 专栏
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