結晶學:研究晶體的學科-中文百科頻道

發展簡史

結晶學的發展和其它學科一樣，郡是随着人類社會生産力的發展而逐漸發展起來的。它的發展過程如同人們認識事物的過程一樣，是由表及裡，由簡單到複雜的。

十七世紀以前，人們對晶體就已經開始有了一些認識。但是由于在這一時期生産發展很慢，歐洲各國宗教神權占了統治地位。因此，對于各種自然現象的解釋也都帶上了宗教選信的色彩。對晶體的認識也不例外，把它看成是上帝創造的。

十七世紀以後，結晶學開始作為一r1科學得到發展。人們開始從事這方面的研究，發現了許多與結晶體本質有關的現象。十八世紀為幾何結晶學的主要發展時期，至十九世紀幾何結晶學逐漸走向完備，達到了成熟階段，開始進行晶體構造學方面的研究。到了十九世紀末X射線被人們發現，并于二十世紀初把它應用到晶體内部構造中去。這樣，便使得結晶學的發展大大地向前推進一步。出現了結晶學的許多新分文，産生了許多新的理論。

現将結晶學發展過程按其幾個主要階段分述如下：

(1)葫芽時期(十七世紀)

這個時期是結晶學開始發展階段，一般隻是注意晶體的外表研究。才開始注意到晶體的光學性質。

166眸丹麥學者斯丹諾(N．8ten01638一1687)對石英和赤鐵礦晶體進行了研究後，首先發現了品體的面角守恒定律(又稱斯丹諾定律)。這一定律的發現便奠定了結晶學的共礎，特别是幾何結晶學的基礎。使人們認千資百态的晶體外形中找到了初棗規律。與比N時，判麥學者巴爾托林(E．B ayt01tnsl62；一1698)于1朗9年又枉方解石的晶體小發現了雙折射現象。從而奠定了晶體光學的基礎。

1678年荷蘭學者惠更斯(C．Huygensl629一1695)根據方解石的解理和雙折射性質，提出了晶體是具有一定形狀的物質質點(成橢球形的物質分子)作規則的累叠而渡的，還試圖找出晶體内部的構造規律。這一觀點是B9R體構造思想的最早萌薩。

(2)發展階段(十八——十九世紀)

這個時期是幾何結晶學的主要發展階段，八何結品學的許多基本定律，部在這時建穴起來。到了十九世紀，可以說是已經達到了非常成熟的階段，并提出了晶體構造的理論。

俄國學者艾列爾(1707—1783)研究晶體的形态特征，發現所有晶體的品面數加角頂總是等于晶棱數加2這一公式，後來被人們稱為艾列爾公式。

1729年俄國學者羅蒙諾索夫(M．B．JIoMo曰oGo B 1711—1765)創立了“微分子學說”，認為晶體是由球形的微分子堆砌而成的。他以此解釋了硝石(NaN0：)晶體的六邊形與柱面的夾角總是120。。這就不但從理論上闡釋丁品體面角守恒定律的本質問題，而且這一見解和後來所建立起來的晶體構造的現代概念有些相近。

1780年法國學者阿諾德(A．C．Arnouldl742一1806)發明接觸測角儀。後來，法國學者羅美德利爾(Louis R om6De IlsIe 1736—1790)利用這一測角儀進行了二十多年的測角工作，一共測量丁500多種g、物晶體。肯定了晶體面角守恒定律的普退黨義。

1784年法國學者網羽依(R．J．Haliyl743一1822)基于對方解石晶體沿着解理面裂開性質的觀察，提出了晶體是由無數個具有多面體形狀的原始“組成單位”在三度空間無間隙地平行堆砌而成。他的這種恩怨莫定了晶體構造學的基礎。

1801年阿羽依發表了著名的整數定律(又稱阿羽依定律)，從而滿意地解釋了晶體外形與其内部構造間的關系。此外，他又提出了晶體是對稱的，這種對稱不但為晶體外形所固有，同時也友現在晶體的物理性質上。

1809年英國學者烏拉斯頓(W．H．Wollastonl766一1828)設計出了第一台單團反射捌角儀。這種儀器的出現，使得品體測角工作酌精度大為提高。當時，這項工作盛極一時，曾積累了許多實際資料。

1805—1809年間，德國學者魏斯(C。8．we[ss 1780一1856)以實驗方法确定了晶體中不同的旋轉軸。繼之又總結出了晶體的對稱定律，并于1813年首先提出品體分為六大品系。他的這些工作為晶體的合理分類奠定丁基礎。與此同時，他又砌定了結晶學中另一個重要定律——晶帶定律(又稱魏斯定律)。從而進一步闡明了晶體界限要素之間的關系。

1818年和1839年德國學者魏斯和英國學者米勒爾(W．H．M山o『180I一1880)先後創立丁表示晶面空間位置的魏氏符号和米氏符号。後者至今仍得到廣泛的應用。

德國學者藤塞爾(1．F．Ch．H csseil792一1872)首先推導出晶體外形可能的一切對稱組合一32種對稱型。但由于當時不被重視，所以他的這一成果未被人們所注意。

1867年俄國學者加多林(A．B．『a四nMn 1828—1892)用嚴謹的數學方法加以推導，得出了相同的32種對稱型，引起人們的重視。從而完成了晶體宏觀對稱的總結工作，為晶體的分類奠定了基礎。晶體内部構造理論的研究工作，随着幾何結晶學的深入開展，也得到了迅速的發展。

1842年德國學者弗蘭肯漢姆(M．L．Prankenheim 180l一1869)首先提出了晶體内部格子構造的理論。他認為品體的内部構造應以點為單位在三度空間成周期性的重複排列。同時，又提出了平行六面你的概念。據此，又推出了15種可能的空間格子型式。

1848年法國學者布拉維(A．Bravai81811—1863)修正了弗蘭肯漢姆的研究成果，并于1855年用數學的方法推導出了品體構造中14種空間格子。成為近代晶體構造理論的夏基人。

1879年德國學者松克(L．8ihncke 1842一1897)在布拉維構造理論的基礎上又進一步格14種空間格子的等同點系發展成為包括平移、旋轉和螺旋旋轉群的65種規則點泵(松克點系)。

1889年俄國結晶學家、現代結晶學的奠基人費多羅夫(E．C．dboAopoM 1853—1919)第一個提出反映滑移這一新的對稱變換。從而運用數學的方法推導出了晶體結構中一切可能的對稱要素組合方式——230種空間群(費多羅夫群)這一理論便成為一切有關品體構造的研究基礎。同時，費多羅夫又發明了雙圈測角儀和費氏旋轉台使晶體的研究工作大大向前推進一步。

1891年和1894年德國學者熊夫利斯(A．M．Sch5nfliesl853—1928)和英國學者巴羅(W．Banlow 1848—1934)分别于1891年和1894年從點在空間排列方式的角度出發，相繼用不同的方法得出了同樣的結果。至此，晶體構造的理論研究工作已經非常成熟了，為晶體結構的分析建立了理論基礎，并提供了可能。然而，達一理論得到進一步的證實要在二十年以後。

(3)近代(二十世紀)

1912年，德國學者勞埃(M．V．Lauel879一1960)第一次成功地進行了又射線通過品體發生衍射的實驗。這才具體證實了晶體格于構造的真實性。以後，在勞埃的指導下，弗瑞德裡赫和克尼屏利用義射線通過閃鋅礦晶體時，同樣成功地獲得了清晰的衍射斑點，更進一步證實了勞埃的設想。由于勞埃實驗的成功，使結晶學進入了一個蓬勃發展的階段。它不僅證實了晶體構造的理賦而且更重要的是提供了用品射線未研究晶體具體構造的可能，為晶體構造學的發展開：辟了一個廣闊的前景。從此，便形成了一門新的學科——義劉線品體學。勞埃為此又确立丁著名的晶體衍射勞埃方程式。

1913年英國學者布拉格(W．H．Braggl862一1942)和俄國學者吳裡夫(膊．B．By“b由1863—1925)各自獨立地導出了X射線晶體結構分析的基本公式，即著名的吳裡夫——布拉格公式。撼史上首先被人們所認識的NaCl和KCl的晶體構造，便是由W．L布拉格所揭示的。

從此，又射線晶體結構的分肝工作便得以廣泛地開展。許多晶體的内部構造也部一一地被揭示出來。人們對晶體的研究便打開了新的思路，不限于化學組成，也涉及到品形和物性的相互關系，并深入到品體的内部構造中去。于是結晶學的又一個分支——晶體化學經過長期的孕育使得到了産生和發展。近代結晶化學相繼取得了許多重大的成就。

1951年蘇聯學者舒勃尼柯夫創立了正負對稱性的概念(刀．6．貝ybMn“osl901—1945)。基于這一新的城念，另外二位蘇聯學盞紮莫紮也夫和别洛夫(H．B．Ee”os)又将230個空間群導衍而成為1651個舒勃尼柯夫群。

1959年，我國學者彭志忠等發現了一種新礦物(香花石)，填補丁32晶類小一個晶類(五角三四面體晶類)的空白。對葡萄石的研究也增加了一種新的構造越位。結晶學到稅在為止，可以說它已經發展成為一門以晶體為實際基礎而具有高度的理論性和嚴密的邏輯性的科學了。

分支學科及其研究内容

結晶學包括如下分支：

①晶體生長學。研究晶體發生、成長的機理和晶體的人工合成，用以追溯自然界晶體形成的環境和指導晶體的人工制備。

②幾何結晶學。研究晶體外形的幾何規律，是結晶學的經典内容和基礎。

③晶體結構學。研究晶體中質點排布的規律及其測定。晶體結構資料為闡釋晶體的一系列現象和性質提供依據。

④晶體化學。研究晶體化學成分與結構的關系，成分、結構與晶體性能、形成條件的關系,其理論用于解釋晶體的一系列現象和性質,指導發現或制備具有預期特性的晶體。

⑤晶體物理學。研究晶體的物理性能及其産生機理，對于晶體的利用有重要指導意義。

研究手段和方法

①研究晶體化學成分一般采用化學分析、光譜分析和電子探針分析等。

②研究晶體結構的基本方法是 X射線衍射分析。為了特殊需要還須采用透射電鏡和紅外光譜、穆斯堡爾譜等各種譜學方法。

③對晶體形貌的研究，傳統的測角術仍是基本方法。研究晶體表面微形貌，還需要進行幹涉顯微鏡和電子顯微鏡研究。

④對晶體生長的研究,除對天然晶體的觀測外,主要是通過人工晶體的培養，研究晶體生長機理，并合成所需的各種晶體。

⑤對晶體的各種物理性能的研究和物理常數的測定，常采用偏光顯微鏡、電子顯微鏡、波譜分析和電學、磁學、熱學、力學等各種方法。

性質

晶體是具有格子構造的固體，也就是說，格子構造是一5于晶體格于構造所決定的，并為所有一切晶體所共有的性質，晶體的基本性質是晶體的共性，是指晶體所共有的性質，性、均一性、異向性、對稱性和穩定性。

一、晶體的自限性

隕體所必備的條件。凡是由稱之為晶體的基本性質。歸納起來共有五種：即L1限是指所有的晶體均具有自發地形成封閉的幾何多面體外形能力的性質。

品面就是晶體格子構造中最外層的而網所在，晶棱是最外層面網相交的公共行列，而角頂則是結點的所在。由于一切晶體都具有格子構造，所以，必然能自發地形成幾何多面體的外形，把它們自身封閉起來。晶面，晶棱和角頂與格子構造中的面網、行列及結點是相對應的，它們之間的關系見田I—10。但應該指出，自然生長和人造礦物晶體中呈現規則的幾何多面體外形的不多。主要是由于它們在生長時受到空間的限制。不過，如港條件許可，讓它們繼續生長時，它們還是可以自發地形成規則的幾何多面體外形的。

晶體的均一性是晶體的重要性質，我們可以根據這一重要性質，進行晶體的鑒别和使用。應該指出：非品質體如玻璃，樹肥等也具右均一性，但是它是一種統計的結果，而沒行方向性，它的各種性質在不問部位和—“Lj方向。亡都是相同的；而晶體的均一性，是晶體格子構造規律所決定的，不同部位相間力向上性質是相同的，不同部位不同方向上所測的放據一般是不一緻的。

二、晶體的異向性

同一晶體在不同方向上所測得的性質表現出差異的特性。雲母和方解石礦物，它們郡具有完好的解理，受力後都能沿着一定方向裂開。

又如藍晶石晶體A1：oLSlO d]，不同方向上刻劃的硬度不同，沿着晶體的延長方向，很容易用刀鋒在晶面上刻下痕迹，但在橫切的方向上卻無動于衷，不留任何印痕，所以藍品石礦物又稱為二硬石，表現出了明顯的各向異性。

晶體的各向異性，根據晶體格子構造規律，可知晶體内部質點的排列方式和距離，在相互平行的方向上都是一緻的，但在不相平行的方向上可表現出一定的差别，這就是晶體各向異性産生的根本原因。

晶體的均一性和異向性，說明了在晶體的相同方向上具有相同的性質，而在不同方向上便具有不同的性質，這是一個問題的兩個方面，它既說明了晶體内部構造的均一性，又說明了在均一性的内部構造中，包含着在不同的方向上構造不相同這一異向性。

三、品體的對稱性

是指晶體中的相同晶面，晶棱和頂角以及晶體的物化性質能夠在不同方向或位置上有規律地出現，如圖1—N所示的石次品仲便友現出了明顯的對稱性。這同樣也是由于晶體内部質點作有規則地排列的原因造成的。根據空間格子規律，在任一晶體結構中的任一行列方向上，總是存在着一系列為數無限的作周期性重複排列的等同點，達本身就表現出一種對稱性，所以說對稱性在晶體中是普遍存在的。晶體外部形态的對稱性，是晶體的宏觀對稱，晶體的内部構造，也具有對稱性，這種對稱性是晶體的微觀對稱(這部分内容在第七章晶體構造的幾何規律中介紹)。

四、晶體的穩定性

是指對化學成分相同，但是處于不問物态下的物體、氣體來說，晶體是最穩定的。晶體的穩定性是由于晶體具有最小内能的緣故。從根本上來講，也是由于晶體格子構造規律所決定的。晶體具有最小内能，這可以從晶體熔融時耍吸熱，镕體結晶時要放熱得到證明。由于晶體是具有格子構造的固體，其内部質點在三維空間是作有規律排列的。這種有規則的排列足質點間的引力和斥力達到平衡的結果。如要破壞晶體的内部構造，改變其晶體内部質點的距離，勢必要增加質點的勢能。這點和處在不同物态下相比大不相同，由于處在不同物态下的物體，如氣體、液體和非晶态固體，其内部質點排列沒有規則，因此質點間的引力和斥力一般都達不到平衡，所以它們的勢能郎比晶體要大，換句話說，在相同的熱力學條件下，晶體的内能是最小的。正是由于晶體内能最小，以緻品體内部的質點隻能在晶格的一定位設上産生振動，而且振動的平均位置不變，也就是說質點的振動并不離開它的固定位置，這樣，晶體的格子構造就不被破壞，因而它也就處于最穩定的狀您，所以晶體具有最大的總定性。