第1章晶体学概论剖析

固体（晶体）化学（晶体40学时+固体化学20学时）CrystalChemistry1、课程性质及意义材料化学专业专业平台课程，是进行材料科学、矿物学、生物分子结晶学等学科深入研究的基础。2、课程内容晶体的空间对称性理论（晶体几何学）；晶体的一般性概念和原理；X射线衍射原理；晶体化学应用。3、学习上课认真听讲，课后利用课件提供的模型加深认识、掌握规律、加强记忆，理论联系实际。4、考核考试80%；平时20%，包括作业、出勤、回答问。第1章晶体学概论固体分为晶体和非晶体（准晶），随着计算机技术和激光技术的发展，人类进入了光电子时代，此巨大变化的基础是单晶硅和激光晶体，晶体材料的进一步发展将谱写人类科技文明的新篇章。1.1人类对晶体的认识过程及有关晶体概念1、认识过程：石器时代----------各种有规则外形的石头－作为工具和装饰品，价值昂贵，不可多得。＊＊晶体最显著的本质是有规则的几何外形！！1669年，意大利科学家斯丹诺（Steno）发现了晶体的面角守恒定律：同一物质的晶体中，相应晶面间的夹角是恒定不变的。法国科学家阿羽衣（Hauy）在1784年提出了著名的晶胞学说：晶胞是构成晶体的最小单位，晶体是由大量晶胞有序堆积而成。1690年惠更斯提出：晶体中质点的有序排列导致晶体具有某种多面体外形。1885年，晶胞学说被法国科学家布喇菲（Bravais）发展为空间点阵学说，认为组成晶体的原子、离子、分子按一定的规则排列，这种排列形成一定的空间点阵结构。1912年，德国科学家劳厄（Lane）,首次对晶体进行了X射线衍射实验，证实了这一学说（空间点阵学说）的正确性，并因此获得了诺贝尔物理奖。2、晶体的定义**Crystal：本意是石英,来自于希腊语：Krystallos（洁净的冰）；古人认为透明的石英是由过冷的冰形成的。**具有空间点阵结构的就是晶体，空间点阵结构形式有14种（晶系），食盐是面心立方，许多金属具有体心立方结构，因此都属于晶体。**晶体中，晶莹透明的很多，但透明的不一定就是晶体，例如玻璃，玻璃－固态溶液，在玻璃内部只是在某一个原子附近有序排列。3、天然晶体与人工晶体天然：红宝石，蓝宝石，祖母绿等，特点：稀少昂贵。人工：已发明了几十种晶体生长方法。石英（水晶）紫水晶又名打火石磷石英方石英孔雀石（碱式碳酸铜）菱锰矿（一种锰碳酸盐矿石）切割后的钻石锆石天然紫红钻石天然金刚石原石金刚石原石金刚石原石母岩中八面体金刚石金刚石原石硫酸钡硫酸钡碳酸钙岩盐德国柏林晶体生长研究所(InstituteofCrystalGrowthinBerlin)HelgeRiemann领导的小组开始致力于极纯硅晶体的研究。研究人员用了6个月的时间，将一块来自俄罗斯的纯度为99.994%的硅28原材料反复融化除杂，最终得到了理想的纯硅28晶体，每1000万个硅28原子中仅含有一个其他原子。珠宝是珍珠与宝石的总称。珍珠是砂粒微生物进入贝蚌壳内受刺激分泌的珍珠质逐渐形成的具有光泽的美丽小圆体，化学成分是碳酸钙及少量有机物，除作饰物外，还有药用价值。而宝石一般来说是指，凡硬度在7度以上，色泽美丽，受大气及药品作用不起化学变化，产量稀少，极为宝贵的矿物。性优者如：金刚石、刚玉、绿柱玉、贵石榴石、电气石、贵蛋白石等；质稍劣者如：水晶、玉髓、玛瑙、碧玉、孔雀石、琥珀?、石榴石、蛋白石等。蓝宝石是色美、透明的宝石级刚玉。自然界中的宝石级刚玉除红色的称红宝石外，其余各种颜色如蓝色、淡蓝色、绿色、黄色、灰色、无色等，均称为蓝宝石。蓝宝石以其晶莹剔透的美丽颜色，被古代人们蒙上神秘的超自然的色彩，被视为吉祥之物。它也曾与钻石、珍珠一起成为英帝国国王、俄国沙皇皇冠上和礼服上不可缺少的饰物。世界蓝宝石产地不多，主要有缅甸、斯里兰卡、泰国、澳大利亚、中国等，但就宝石质量而言，以缅甸、斯里兰卡质量最佳。蓝宝石的化学成分为三氧化二铝（Al2O3），因含微量元素钛（Ti4+）或铁（Fe2+）而呈蓝色。属三方晶系。晶体形态常呈筒状、短柱状、板状等.晶体生长方法：如：提拉法、浮区法、焰熔法、坩埚下降法、助熔剂法、水热法、降温法、再结晶法等。利用这些方法，人们不仅能生长出自然界中已有的晶体，还能制造出自然界中没有的晶体。从红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫到各种混合颜色，这些人工晶体五彩纷呈，有的甚至比天然晶体还美丽。结晶学：Crystallography结晶学：以晶体为研究对象，主要研究晶体的对称规律。研究的是晶体的共同规律，不涉及到具体的晶体种类。特点：空间性、抽象性、逻辑性、共性与后续矿物学形成明显的对比：矿物学:矿物晶体为研究对象，主要研究各具体矿物晶体的成分、物理性质、成因特点等特点：经验性、感性、具体性、归纳分类性、个性始于17世纪中叶人类的矿业活动，与天文学一起成为人类自然科学发展最早的两门科学。17～18世纪：以研究晶体形态为主，也初步推测研究晶体内部结构的几何规律；19世纪末～20世纪初：X－射线的发现及其对晶体结构的测量，进入晶体内部结构研究阶段；20世纪70年代以来：透射电镜研究晶体内部超微结构细节；20世纪80年代，发现准晶体，开辟了晶体对称理论新领域。结晶学（晶体学）发展历史及分支学科简介4、晶体学晶体的结构、生长和一般性质及其它有关晶体方面的问题构成了晶体学。其主要研究内容包括5个部分：晶体生长、晶体的几何结构、晶体结构分析、晶体化学及晶体物理。其中，晶体生长是研究人工培育晶体的方法和规律，是晶体学研究的重要基础；晶体的几何结构是研究晶体外形的几何理论及内部质点的排列规律，属于晶体学研究的经典理论部分。近年来5次等旋转对称性的发现，对这一经典理论提出了挑战。晶体结构分析是收集大量与晶体结构有关的衍射数据、探明具体晶体结构及x射线结构分析方法的；晶体化学主要研究化学成分与晶体结构及性质之间的关系；晶体物理则是研究晶体的物理性质，如光学性质、电学性质、磁学性质、力学性质、声学性质和热学性质等。1.2晶体的性能、应用及进展一位物理学家说过：“晶体是晶体生长工作者送给物理学家的最好的礼物。”这是因为，当物质以晶体状态存在时，它将表现出其它物质状态所没有的优异的物理性能，因而是人类研究固态物质的结构和性能的重要基础。此外，由于能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换，晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料，被广泛地应用于通信、摄影、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。按功能来分，晶体有20种之多，如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。1．半导体晶体半导体晶体是半导体工业的主要基础材料，从应用的广泛性和重要性来看，它在晶体中占有头等重要的地位。半导体晶体是从20世纪50年代开始发展起来的。第一代半导体晶体是锗(Ge)单晶和硅单晶(Si)。由它们制成的各种二极管、三极管、场效应管、可控硅及大功率管等器件，在无线电子工业上有着极其广泛的用途。它们的发展使得集成电路从只包括十几个单元电路飞速发展到含有成千上万个元件的超大规模集成电路，从而极大地促进了电子产品的微小型化，大大提高了工作的可靠性，同时又降低了成本，进而促进了集成电路在空间研究、核武器、导弹、雷达、电子计算机、军事通信装备及民用等方面的广泛应用。目前，除了向大直径、高纯度、高均匀度及无缺陷方向发展的硅单晶之外，人们又研究了第二代半导体晶体Ⅲ-V族化合物，如(CaAs)、磷化镓(GaP)等单晶。＊＊在半导体晶体材料中，特别值得一提的是氮化镓(GaN)晶体。由于它具有很宽的禁带宽度(室温下为3.4eV)，因而是蓝绿光发光二级管(LED)、激光二极管(LD)及高功率集成电路的理想材料，近年来在全世界范围内掀起了研究热潮，成为炙手可热的研究焦点。目前，中国科学院物理研究所首次利用熔盐法生长出3mm×4mm的片状晶体一旦该晶体的质量得到进一步的提高，它将在发光器件、光通讯系统、CD机、全色打印、高分辨率激光打印、大屏幕全色显示系统、超薄电视等方面得到广泛的应用。2．激光晶体激光晶体是激光的工作物质，经泵浦之后能发出激光，所以叫做激光晶体。1960年，美国科学家Maiman以红宝石晶体作为工作物质，成功地研制出世界上第一台激光器，取得了举世瞩目的重大科学成就。目前，人们已研制出数百种激光晶体。其中，最常用的有红宝石(Cr：Al2O3)、钛宝石(Ti：A12O3)、掺钕钇铝石榴石(Nd：Y3Al5O12)、掺镝氟化钙(Dy：CaF2)、掺钕钒酸钇(Nd：YVO4)　　　　“受激辐射”基于科学家爱因斯坦在1916年提出的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且当处于高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数时，就能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。产生的激光的装置称为激光器。近年来，由于新的激光晶体的不断出现以及非线性倍频、差频、参量振荡等技术的发展，利用激光晶体得到的激光已涉及紫外、可见光到红外谱区，并被成功地应用于军事技术、宇宙探索、医学、化学等众多领域。例如，在各种材料的加工上，晶体产生的激光大显身手，特别是对于超硬材料的加工，它具有无可比拟的优越性。用激光进行焊接，可以高密度地把很多电子元件组装在一起，并能够大大提高电路的工作可靠性，从而大幅度地减小电子设备的体积。激光晶体还可以制成激光测距仪和激光高度计，进行高精度的测量。在医学上，激光晶体更是得到了巧妙的应用。它发出的激光通过可以自由弯曲的光导管进行传送，对于极其精细的眼科手术，掺铒的激光晶体是最合适不过的了。这种晶体可以产生近3pm波长的激光，由于水对该激光的强烈吸收，导致它进人生物组织后，只有几微米短的穿透深度，因此，这种激光是十分安全的，不会使患者产生任何痛苦。由于用这种激光可以快速而精确地进行切割，手术时间极短，因而避免了眼球的不自觉运动对手术的干扰，保证了手术的顺利进行。3．非线性光学晶体光通过晶体进行传播时，会引起晶体的电极化。当光强不太大时，晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性关系，其非线性关系可以被忽略；但是，当光强很大时，如激光通过晶体进行传播时，电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能忽略，这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应，具有这种效应的晶体就称为非线性光学晶体。非线性光学晶体与激光紧密相连，是实现激光的频率转换、调制、偏转和Q开关等技术的关键材料。当前，直接利用激光晶体获得的激光波段有限，从紫外到红外谱区，尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体，可将激光晶体直接输出的激光转换成新波段的激光，从而开辟新的激光光源，拓展激光晶体的应用范围。常用的非线性光学晶体有碘酸锂(α-LiIO3)、铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15)、磷酸二氘钾(KD2PO4)、偏硼酸钡(β-BaB2O4)、三硼酸锂(LiB3O5)等。其中，偏硼酸钡和三硼酸锂晶体是我国于20世纪80年代首先研制成功的，具有非线性光学系数大、激光损伤阈值高的突出优点，是优秀的激光频率转换晶体材料，在国际上引起了很大的反响。另一种著名的晶体是磷酸钛氧钾晶体(KTiOPO4)，它是迄今为止综合性能最优异的非线性光学晶体，被公认为1.064μm和1.32μm激光倍频的首选材料，它可以把1.064μm的红外激光转换成0.53μm的绿色激光。由于绿光不仅能够用于医疗、激光测距，还能够进行水下摄影和水中通信等，因此，磷酸钛氧钾晶体得到了广泛的应用。4．压电晶体当晶体受到外力作用时，晶体会发生极化，并形成表面电荷，这种现象称为正压电效应；反之，当晶体受到外加电场作用时，晶体会产生形变，这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体则称为压电晶体，它只存在于没有对称中心的晶类中。最早发现的压电晶体是水晶(α-SiO2)。它具有频率稳定的特性，是一种理想的压电材料，可用来制造谐振器、滤波器、换能器、光偏转器、声表面波器件及各种热敏、气敏、光敏和化学敏器件等。它还被广泛地应用于人们的日常生活中，如石英表、电子钟、彩色电视机、立体声收音机及录音机等。近年来，人们又研制出许多新的压电晶体，如钙钛矿型结构的铌酸锂(LiNbO3)、钽酸钾(KTaO3)等，钨青铜型结构的铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15)、铌酸钾锂(K1-xLiNbO3)等以及层状结构的锗酸铋(Bi12GeO20)等。5．闪烁晶体这种晶体在X射线激发下会产生荧光，形成闪烁现象。最早得到应用的闪烁晶体是掺铊碘化钠(Tl：NaI)晶体。该晶体的发光波长在可见光区，闪烁效率高，又易于生长大尺寸单晶，在核科学和核工业上得到广泛的应用。BaF2晶体成为一新型闪烁材料。除了在高能物理中应用之外，该晶体在低能物理方面已用于正电子湮没谱仪，使谱仪的分辨率和计数效率均得到很大的提高。此外，它还可用于检查隐藏的爆炸物、石油探测、放射性矿物探测、正电子发射层析照相(简称PET)等方面，具有良好的应用前景。6.声光晶体当光波和声波同时射到晶体上时，声波和光波之间将会产生相互作用，从而可用于控制光束，如使光束发生偏转、使光强和频率发生变化等，这种晶体称为声光晶体，如钼酸铅(PbMoO4)、二氧化碲(TeO2)、硫代砷酸砣(Tl3AsS4)等。利用这些晶体，人们可制成各种声光器件，如声光偏转器、声光调Q开关、声表面波器件等，从而把这些晶体广泛地用于激光雷达、电视及大屏幕显示器的扫描、光子计算机的光存储器及激光通信等方面。7.光折变晶体　光折变晶体是众多晶体中最奇妙的一种晶体。当外界微弱的激光照到这种晶体上时，晶体中的载流子被激发，在晶体中迁移并重新被捕获，使得晶体内部产生空间电荷场，然后，通过电光效应，空间电荷场改变晶体中折射率的空间分布，形成折射率光栅，从而产生光折变效应。光折变效应的特点是，在弱光作用下就可表现出明显的效应。如两波耦合实验中，当一束弱信号光和一束强光在光折变晶体中相互作用时，弱信号光可以增强1000倍。此外，凭借着光折变效应，光折变晶体还具有以下特殊的性能：可以在3cm3的体积中存储5000幅不同的图像，并可以迅速显示其中任意一幅；可以精密地探测出小得只有10-7米的距离改变；可以滤去静止不变的图像，专门跟踪刚发生的图像改变；甚至还可以模拟人脑的联想思维能力。因此，这种晶体一经发现，便引起了人们的极大兴趣。目前，有应用价值的光折变晶体有钛酸钡(BaTiO3)、铌酸钾(KNbO3)、铌酸锂(LiNbO3)、铌酸锶钡(Sr1-xBaxNb2O6)系列、硅酸铋(Bi12SiO20)等晶体。其中，掺铈钛酸钡(Ce：BaTiO3)是由中国科学院物理研究所于90年代在国际上首次研制成功的。它的优异性能，使光折变晶体在理论研究和实用化方面取得突破性进展。当前，光折变晶体已发展成一种新颖的功能晶体，在光的图像和信息处理、相位共轭、全息存储、光通讯和光计算机神经网络等方面展示着良好的应用前景。1.3晶体研究的发展趋势　　随着人们对晶体认识的不断深入，晶体研究的方向也逐步地发生着变化，其总的发展趋势是：从晶态转向非晶态；从体单晶转向薄膜晶体；从通常的晶格转向超晶格；从单一功能转向多功能；从体性质转向表面性质；从无机扩展到有机，等等。　　此外，鉴于充分认识到晶体结构一性能关系的重要性，人们已经开始利用分子来探索各种新型晶体。而且，随着光子晶体和纳米晶体的出现和发展，人类对晶体的认识更是有了新的飞跃。可以相信，在不久的将来，晶体的品种将会更多、性能将会更优异、应用范围也将会越来越广。　　总之，晶体不仅是美丽的，而且也是有用的。它蕴涵着丰富的内容，是人类宝贵的财富。但迄今为止，人们对它的认识犹如冰山之一角，还有许多未知领域等待着我们去探索。作业：通过查阅书籍或文献完成作业:结合晶体化学研究的内容与意义1、某一功能晶体的介绍；通过阅读某篇功能晶体的相关文献来完成。2、常见宝石的具体成分及结构。通过网上检索或阅读专业书籍来写出自己感兴趣的内容。1.4晶体的特性晶体的基本结构特征是组成单元（原子、分子或离子）在空间具有周期性和对称性的排布。晶体中原子或分子的性质及其空间排布的方式决定了晶体的几何特征和物理化学性质。研究晶体中各种组成单元的具体排布方式是结晶化学的主要任务。晶体是固体的热力学平衡状态，在一定的热力学平衡状态下，每一种确定化学组成的固体对应着唯一的一种晶体，在液体冷却、溶液浓缩及气相沉积的实验中，在大自然的演化过程中，可以自发的结晶出漂亮的多面体晶体－可以把特殊的多面体外形作为晶体与非晶体的初步判据。就热力学可能性而言，任何晶体总是倾向于以正凸多面体形式存在－自限性。第一个特性：自范性在相同的热力学条件下，同一物质的各晶体之间比较相应晶面的大小、形状和个数可以不同，但相应晶面间的夹角不变，一组特定的夹角构成了这一物质所有晶体的共同特征。晶体的自范性是指:在适宜的条件下，晶体能够自发地呈现封闭的规则的凸面体外形的性质。或者说，在适宜的条件下，晶体能够自发地呈现封闭的、规则的多面体外形，这称为晶体的自范性。条件是:生长速率适当。熔融态物质冷却凝固，有时得到晶体，但凝固速率过快，常常只得到看不到多面体外形的粉末或没有规则外形的块状物。如：玛瑙是熔融态SiO2快速冷却形成的，而水晶则是热液缓慢冷却形成的。单晶(singlecrystal)：微观结构可以抽象为单一点阵描写的晶体。单晶小至微米级也可以大到米级，美国南达科塔州曾发现长14米重100吨的锂辉石晶体。多晶（polycrystal）：是由无数随机取向的极微小的单晶形成的聚合体。许多矿物、合成化合物、金属、合金等天然或人工合成的固体都是多晶态，有时多晶固体的组成晶粒具有某种择优取向，称这样的晶样具有织构。（texture）。按照微观结构有序度的不同，还存在液晶、塑晶、准晶等。第二个特性：有确切的熔点。第三个特性：对X射线的衍射效应。第四个特性：各向异性和对称性－－最显著的特性1.5晶体的宏观均匀性、各向异性、对称性1、均匀性含义：在晶体中任取两个形状、大小、取向都相同的微观足够大，宏观足够小的体积元，它们所有的物理性质、化学组成都是相同的。换言之，均匀性是晶体中坐标原点任意平移后，性质的不变性。均匀性来自于原子分子排布周期的微观性不同于各向同性。2、各向异性与对称性各向异性:晶体的几何度量和物理效应随方向不同而表现出量上的差异称为各向异性。但在晶体以对称性联系起来的方向上其几何度量和物理效应是相同的。表面上，晶体和非晶体都是均匀的，实质上有所不同，晶体中每一微观区域精确的均匀，而非晶体中只是统计上的近似均匀。晶体中质点的有序排列决定了晶体的精确均匀性，这使它具有固定的熔点。如冰的熔点，非晶体在加热时随温度上升,其原子或原子团的热运动相应加剧，流动性就逐渐恢复，黏度越来越小。没有固定的熔点这表现在在加热与温度关系曲线上晶体的曲线有平台而非晶体的曲线上没有平台。许多晶体容易沿一定的晶面劈裂即解理（cleavage）解理性直观地反映出晶体的力学性质的各向异性。云母晶体是各向异性体，这是由晶体内部质点的有序排列决定的。晶体的各向异性NaCl晶体的力学性质单位：g/mm2虽然晶体在大多数性质上表现为各向异性，但我们不能认为无论何种晶体，无论在什么方向上都表现出各向异性。例如，在光学性质上，方解石是各向异性的，而岩盐是各向同性的，在热传导性质上，氯化钠是各向同性的，而霞石晶体在底面上表现为各向同性，在柱面上表现为各向异性。对于霞石的性质，可做一个小实验：在其底面上和柱面上涂上一层石蜡在酒精灯上将两根针烧热，分别把针尖放在底面和柱面上，效果如图1-8：什么？有机长分子晶体堆积方式见图a,b;[c]是离子晶体的堆积。从这些图中可以看出构成晶体的分子的形状和堆积方式对晶体的各向异性有很大影响。因此测量了晶体的各向异性就可粗略地估计晶体内分子的形状和排列方式。下图为有机分子和离子晶体的堆积情况：例如六方柱形石墨晶体，测得电导率为沿柱面方向测得的106倍，从这点出发就可以初步估计石墨是层状结构了。由于晶体生长速度的各向异性，所以晶体具有自发地长成一个多面体的趋势，这叫做晶体的自范性。因为对称性相联系的方向上晶体生长速度一样，所以这种多面体也会出现种种对称性。下面的实验也显示了晶体的这种性质：将明矾晶体磨成圆球，用线把它挂在明矾的饱和溶液里，经过数小时后在圆球上出现了一些平坦的小晶面，逐渐扩大并互相汇合，最后终于覆盖整个圆球,形成多面体.晶体有自发生长为多面体的趋势1.6同质多象图中是椭圆形分子各种堆积方式的示意图，从图中可以看出，同样的分子（原子）可以以不同的方式堆积在不同的晶体(同一物体的液体、气体却只有一种)。这种现象叫做同质多象。在力学性质上，金刚石非常硬，作为莫氏硬度的，它的硬度定为10。而其它任何天然物质的硬度都不到10。在日常生活中用它来划玻璃，在地质部门用它来做钻头等等。而石墨非常软，可用来做铅笔和润滑剂。在光学性质上，金刚石无色透明，在阳光下闪闪发亮，对光的折射率高，人们用它来作贵重的装饰品；a金刚石结构b石墨结构而石墨是黑色、不透明的，具有金属光泽。在电学性质上，金刚石不导电，为绝缘体。而石墨导电性能良好，在电解时经常用来做电极。在化学性质上，金刚石加热到750℃左右可以在空气中燃烧，而石墨是高温耐火材料。生长激光单晶YAG时．单晶的熔点为1960℃，对坩埚加热用的就是石墨加热器。从同质多象可以得到这样一个结论：在研究晶体性质时，确定化学成分仅仅是第一步；只有进一步确定其结构才能深入探讨问题。因为对于晶体，化学成分必须通过结构方能决定性质。这也是我们学习结晶化学的目的。1.7实际晶体1、单晶体与多晶体内部结构由同一空间点阵结构贯穿着的晶体称为单晶体。内部结构由由两个或几个单晶按不同取向形成的晶体称为双晶体。一组完美的方解石晶体双晶，它的晶面光滑明亮，晶形对称严密，令人惊叹。第一颗是墨西哥产，4.8厘米,无根单晶,如同一颗机械加工的刻面宝石;第二颗巴西产,第三颗中国的,尺寸13厘米;第四颗南非产,晶中晶,2.7厘米。蝴蝶双晶在通常情况下，金属从熔融态凝固时，在液体各处产生了无数取向随机的晶核。在长成晶块后，晶块中每个小晶粒虽具有各向异性，但由于小晶粒取向随机，晶块整体并不显示出各向异性。这种由无数小晶粒构成的晶块叫做多晶体。2、实际晶体与理想晶体与点阵结构完全一样的理想晶体实际上不存在。这是由于实际晶体大小有限，处于晶体表面的质点和内部的质点不能平移复原。晶体中的质点在其平衡位置作振动，即使在0K也不停止，晶体中存在位错、裂缝、杂质包藏等缺陷。尽管理想晶体不存在但由于平移比起晶体的大小要小亿万倍，质点在晶体中的振幅比质点间距离小得多，因此，实际晶体可近似地看成理想晶体。实践表明，用理想晶体的点阵结构模型推出的一些规律性，再结合具体情况进行修正往往能解决实际问题。理想晶体与实际晶体的区别：1、实际晶体中的原子或分子无时无刻不在运动，温度足够高时，晶格振动可引起晶体不同晶相之间的转变，或晶体到液体的溶解。2、理想晶体的尺度是无限的，有限尺度的实际晶体存在边界效应，表面与本体物理－化学性质不同（果皮与果实）微米以上的晶体边界效应不明显，而纳米尺寸的小晶体，各种性质随尺寸的变化相当陡峭。3、实际晶体中存在着多种形式的结构欠完美（缺陷）存在着微观的位错甚至包夹物。1.8二面角守恒定律晶面的形状和大小是随外界条件而变的，但同一种晶体的相应晶面间夹角{或晶棱间夹角}却不受外界条件影响而保持恒定的值，这称为二面角守恒定律。图1-23示出了石英晶体的各种外形，其外表虽相差很大，但其二面角是固定不变的。图1-23随着量度晶体二面角技术的提高，知道二面角守恒定律只是近似的成立。在某些情况下，偏差达10’一20’，甚至于达到1o，同时二面角还会随温度而变。这样二面角守恒定律应严格表述为：所有的同一物质的同种晶体，在同样条件下（包括晶体生长条件）下，相应晶面或晶棱之间的角保持恒定。1.9氯化钠晶体的抗拉强度（实际晶体与理想晶体的区别）氯化钠晶体在常规测量时,其垂直于立方体面的抗拉强度0.57kg/mm2。理论上计算垂直于立方体晶面的抗拉强度，下图是立方体NaCl晶体，从其晶面上Na+和Cl-的分布情况可知相邻的二层面上离子的符号正好相反，而次远的又符号相同，垂直于此平面施力而使之断开需克服Na+和Cl-之间的引力。在立方晶面中每个离子所受到的引力为：式中，e为离子的电荷，R为两个离子的半径和。每平方厘米中正负离子总数可以求出：因此，每平方厘米正负离子间的吸引力为如果考虑到稍远离子的作用，对结果进行精确修正：200kg/mm2。实验测量值随被测氯化钠单晶的粗细不同而异。常规测量时Ｐ=0.57kg/mm2，比理论值小300多倍。当氯化钠单晶为1mm2粗时测得2kg/mm2，当单晶细到10-3mm2时p=200kg/mm2，这几乎与理论抗拉强度一样。这是因为晶体越细，因缺陷与位错使晶体断裂的机会就越少。很细的单晶称为晶须，它有着较强的单位截面积抗拉强度，这一点被越来越广泛地应用到工业上-晶须增强。一个电子的电量是，-1.6×10-19C1C相当于3×109CGS静电系电量单位（esu）。1dyne=0.00001牛顿（dyn/cm2）=0.1帕（Pa）1.10液晶一些分子很长的有机化合物的晶体，分子在晶体中排列如图1-25(a)所示。当温度高时因热运动而失去周期性排列状态，如图1-25(b)，(c)所示，这时晶体已融成液体，但仍具有各向异性，我们称之为液态晶体，当温度继续升高，分子热运动更加剧烈，最终变成液体。一些有机化合物和高分子聚合物，在一定温度或浓度的溶液中，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性，即排列性像固体分子那样有序，这就是液晶。液晶光电效应受温度条件控制的液晶称为热致液晶；都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。所有液晶分子具有短而刚性的硬链段(共振结构所引起)有机分子。液晶分子间的吸引力弱，容易受温度，机械压力，电场的影响而改变排列方式。常见的两种液晶分子：(1)液晶分子的几何形状与球状分子相比发生了明显的伸长(如长棒状)或扁化(如扁碟状或盘状)，保持各向异性，并且分子的长径比(L/D)必须大于4。　　(2)分子末端含有强极性或易于极化的原子或原子团，通过分子间的电性力、色散力的作用，使分子保持取向有序。　　(3)液晶分子长轴应不易弯曲，要有一定的刚性。因而常在分子的中央部分引进双键或叁键，形成共轭体系，以得到刚性的线性结构或者使分子保持反式构型，以获得线状结构。　　(4)生成液晶相的能力以及液晶相的稳定性与前三个因素的强弱有关，是三个特性的综合体现。分子很长的有机晶体才会形成液晶，目前已有的该类化合物达到上万种。分子的通式为R·C6H4·M·R的化合物易于形成液晶，式中，R为链形有机基团，M为连接两个苯环的有机基团-N=N-，-NON-，-CH=N-等等。纵向连接“羽毛球形C60”形成的新型液晶分子CG图像在C60中化学修饰5个官能基的羽毛球模式图阅读材料：光学晶体：有宽的光谱透过能力的晶体，称为光学晶体。主要用作光学仪器中的各种光学窗口、棱镜透镜、滤光和偏光元件等。如氟化钙可用作导弹的头罩。氟化钙能够搜集导弹欲攻击目标发出的红外线，因此可以追踪攻击目标。CaF2晶体美国生长的CaF2大晶体CaF2晶体直径350mm厚度可大于100mm用CaF2晶体加工成的器件导弹及光电对抗窗口材料系列歼10机头的光电探测仪作业：1.晶体特性的总结。2.基本概念总结，例如：织构，单晶，双晶，多晶，面角守恒定律，自范性，均匀性，各向异性，同质多相，液晶等。3.实际晶体与理想晶体的区别。4.氯化钠晶体的抗拉强度计算思路。5.晶须增强的机理。