结晶学（结晶学与矿物学期末考试题）

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结晶学的研究

在X射线衍射晶体学提出之前，人们对晶体的研究主要集中于晶体的点阵几何上，包括测量各晶面相对于理论参考坐标系（晶体坐标轴）的夹角，以及建立晶体点阵的对称关系等等。夹角的测量用测角仪完成。每个晶面在三维空间中的位置用它们在一个立体球面坐标“网”上的投影点（一般称为投影“极”）表示。坐标网的又根据不同取法分为Wolff网和Lambert网。将一个晶体的各个晶面对应的极点在坐标网上画出，并标出晶面相应的密勒指数（Miller Indices），最终便可确定晶体的对称性关系。

现代晶体学研究主要通过分析晶体对各种电磁波束或粒子束的衍射图像来进行。辐射源除了最常用的X射线外，还包括电子束和中子束（根据德布罗意理论，这些基本粒子都具有波动性，可以表现出和光波类似的性质）。晶体学家直接用辐射源的名字命名各种标定方法，如X射线衍射（常用英文缩写XRD），中子衍射和电子衍射。

以上三种辐射源与晶体学试样的作用方式有很大区别：X射线主要被原子（或离子）的最外层价电子所散射；电子由于带负电，会与包括原子核和核外电子在内的整个空间电荷分布场发生相互作用；中子不带电且质量较大，主要在与原子核发生碰撞时（碰撞的概率非常低）受到来自原子核的作用力；与此同时，由于中子自身的自旋磁矩不为零，它还会与原子（或离子）磁场相互作用。这三种不同的作用方式适应晶体学中不同方面的研究。

结晶学及其发展简史

结晶学 ( crystallography) 亦称晶体学，它是以晶体为研究对象的一门自然科学。但近 20 多年来，由于准晶体的发现以及由此引起的对晶体中某些现象认识的演变，晶体的内涵也相应有所变化。对此虽然目前尚未达成完全的共识，但肯定无疑的是包括准晶体及其他所谓的非周期晶体 ( 参见 10. 3 节) 都在内的、广义的各类 “晶体”，都是现代结晶学研究的对象。

晶体虽然早在史前时代就已以其天然多面体之晶莹瑰丽、万姿千态、鬼斧神工、浑然天成的特质而为人类所知晓，然而直至 1669 年，由于在同种结晶多面体中对应晶面间夹角守恒规律的发现，人们才打开了对晶体本质之科学认识的大门，并为之后结晶学的诞生奠定了第一块基石。基于当时人们以为只有那些存在于岩石中且具有天然多面体外形的矿物才是晶体，因而在其后的大约 200 年内，在对晶体外形规律的研究和由表及里地对内部结构的探索工作中，结晶学曾长期作为矿物学的一个主要分支而在其中发育和成长。其间随着人们对晶体认识的不断深化，发现晶体的分布范围日益超越了矿物的范畴，从而使结晶学从矿物学中逐渐脱颖而出，最终成为涉及众多学科领域的一门独立学科。

在 18 世纪末到 19 世纪初期间，人们取得了大量晶体测角的实际资料，从而促使结晶学进入了一个快速发展的时期。到了 19 世纪上半叶，关于晶体外形之种种宏观几何性质及其理论的全面研究，即几何结晶学 ( geometrical crystallography) 的发展已臻于成熟。在此基础上，兴起了对晶体内部结构规律的新一波深入探究。在化学理论知识和数学方法的融合之下，到 19 世纪 80 年代末，有关晶体结构的格子构造几何理论和原子分布的空间群对称理论都已发展成为完整的经典理论，只待实际检验了。

1912 年，以 X 射线照射硫酸铜晶体使之产生衍射的实验取得了预期的结果和巨大的成功。它既完全证实了早先关于晶体内部结构理论的正确性，并确证了 X 射线乃是波长很短之电磁辐射的本质，更开拓了实际测定晶体以及其他凝聚态物体之微观结构的广阔途径，具有划时代的里程碑意义; 同时也为经典结晶学向现代结晶学的过渡创造了必要的前提条件。1913 年，一门全新的分支学科———X 射线晶体学 ( X-ray crystallography) 宣告诞生; 同时，NaCl 晶体作为历史上的首例，其具体的晶体结构也被成功地实际测定。由此又使晶体结构学 ( crystallology) 和晶体物理学 ( crystallophysics) 都获得了迅猛的发展，并在晶体中发现了诸如半导体性能等一系列特异的现象，并将它们作为晶体功能材料广泛地应用于各种高科技中。

与此同时，正是在以上结晶学分支学科及其他相关学科蓬勃发展所取得巨大成果的基础上，使得曾长期在结晶学中孕育着的另一个主要分支，以研究晶体的化学组成与晶体结构及晶体的化学、物理性质间关系之规律性为任务的晶体化学 ( crystallochemistry) ，得以在 20 世纪初以崭新的面貌正式问世，且迅速取得了长足的进展。而在继 X 射线衍射技术之后发展起来的电子衍射和中子衍射，还有以可达纳米量级之超微区、高分辨能力为特点的各种电子显微术，除可弥补 X 射线衍射方法的某些不足外，更能揭示在晶体实际结构中相当普遍地存在的种种晶格缺陷和其他许多超微结构现象，而且由它们还可解读出有关晶体生长和变化过程中的许多信息。正是运用这些高新技术，在 20 世纪 80 年代先后发现了两种新的凝聚态物体———准晶体和介观晶体，并开创了全新的准晶体学和介观结晶学( 参见 1. 4 小节) 新领域。

此外，对于晶体生成的研究，虽早在发现对应晶面间夹角守恒关系的同时就已开始了，但晶体生成学 ( crystallogeny) 作为结晶学的又一个主要分支学科则始于 19 世纪中叶。而晶体生长理论的问世则是结晶学与热力学及物理化学相结合的结晶。另一方面，随着现代科技生产的快速发展，对于晶体材料的需求剧增，因而也推动了晶体人工合成方法的进步和创新，以及对新晶体材料的研究和开发。显然，以上两方面也是促进结晶学各分支全面发展的重要因素。

总之，结晶学是有着悠久的历史，而且在近100年来发展特别迅速的一门自然科学。由于晶体的分布十分广泛，使得结晶学与化学、物理学、地球科学、生物学、数学以及材料科学等学科间都有着广泛深入的相互交融、促进、协作和贡献，并在现代科学中发挥着日益重要的作用。

当前，开发具有重大实用意义的晶体(指包括准晶体等在内的广义上的晶体)，综合研究它们的成分、结构、物性和形成条件，发展新的晶体合成技术，已成为当代科学的重大课题之一和科学技术进步的一个重要因素，而这更是时代赋予结晶学的重任。

结晶学及其主要研究内容

结晶学（Crystallography），也称为晶体学，是以晶体为研究对象的一门自然科学。根据具体的研究内容又可分如下分支：

（1）几何结晶学（Geometrical crystallography）：研究晶体外形的几何规律。它是结晶学的古典部分，也是基础部分。

（2）晶体结构学（Crystalstructure）：研究晶体内部结构中质点的排布规律，以及结构缺陷。

（3）晶体化学（Crystallochemistry）：研究晶体的化学成分与晶体结构以及晶体的物理、化学性质间的关系。

（4）晶体生长学（Crystal growth）：研究晶体的生长机理以及控制和影响生长的因素。

（5）晶体物理学（Crystal physics）：研究晶体的各种物理性质及其产生机理。

由于上述的第（3）、第（4）、第（5）分支已形成了相对独立的学科，有专门的相应教材，因此，通常所指的结晶学（或晶体学）一般都只包括上述第（1）和第（2）分支的内容。本教材也以第（1）、第（2）分支（但除去结构缺陷的内容）为主要内容，对第（3）、第（4）分支仅作简单介绍，对第（5）分支，在结晶学部分没有作介绍，但在矿物学部分的“矿物的物理性质”一章中有一些初步介绍。

结晶学首先以数学为基础，与物理学、化学之间也有着相互渗透的密切关系。结晶学是矿物学、材料学、生物学等许多科学的基础，而矿物学是整个地球科学的基础，材料学的发展是人类赖以进步的阶梯，也是社会文明程度的标志，生物学是人类认识自我、认识生命体及其演化的重要科学。由此可见，结晶学是一门对科学的发展技术的进步以及社会的文明起着基础作用的重要学科。

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