结晶学（研究晶体的学科）

结晶学

研究晶体的学科

研究晶体的发生成长、外部形貌、化学成分、晶体结构、物理性质以及它们的相互关系的学科。

发展简史

结晶学的发展和其它学科一样，郡是随着人类社会生产力的发展而逐渐发展起来的。它的发展过程如同人们认识事物的过程一样，是由表及里，由简单到复杂的。

十七世纪以前，人们对晶体就已经开始有了一些认识。但是由于在这一时期生产发展很慢，欧洲各国宗教神权占了统治地位。因此，对于各种自然现象的解释也都带上了宗教选信的色彩。对晶体的认识也不例外，把它看成是上帝创造的。

十七世纪以后，结晶学开始作为一r1科学得到发展。人们开始从事这方面的研究，发现了许多与结晶体本质有关的现象。十八世纪为几何结晶学的主要发展时期，至十九世纪几何结晶学逐渐走向完备，达到了成熟阶段，开始进行晶体构造学方面的研究。到了十九世纪末X射线被人们发现，并于二十世纪初把它应用到晶体内部构造中去。这样，便使得结晶学的发展大大地向前推进一步。出现了结晶学的许多新分文，产生了许多新的理论。

现将结晶学发展过程按其几个主要阶段分述如下：

(1)葫芽时期(十七世纪)

这个时期是结晶学开始发展阶段，一般只是注意晶体的外表研究。才开始注意到晶体的光学性质。

166眸丹麦学者斯丹诺(N．8ten01638一1687)对石英和赤铁矿晶体进行了研究后，首先发现了品体的面角守恒定律(又称斯丹诺定律)。这一定律的发现便奠定了结晶学的共础，特别是几何结晶学的基础。使人们认千资百态的晶体外形中找到了初枣规律。与比N时，判麦学者巴尔托林(E．B ayt01tnsl62；一1698)于1朗9年又枉方解石的晶体小发现了双折射现象。从而奠定了晶体光学的基础。

1678年荷兰学者惠更斯(C．Huygensl629一1695)根据方解石的解理和双折射性质，提出了晶体是具有一定形状的物质质点(成椭球形的物质分子)作规则的累迭而渡的，还试图找出晶体内部的构造规律。这一观点是B9R体构造思想的最早萌萨。

(2)发展阶段(十八——十九世纪)

这个时期是几何结晶学的主要发展阶段，八何结品学的许多基本定律，部在这时建穴起来。到了十九世纪，可以说是已经达到了非常成熟的阶段，并提出了晶体构造的理论。

俄国学者艾列尔(1707—1783)研究晶体的形态特征，发现所有晶体的品面数加角顶总是等于晶棱数加2这一公式，后来被人们称为艾列尔公式。

1729年俄国学者罗蒙诺索夫(M．B．JIoMo曰oGo B 1711—1765)创立了“微分子学说”，认为晶体是由球形的微分子堆砌而成的。他以此解释了硝石(NaN0：)晶体的六边形与柱面的夹角总是120。。这就不但从理论上阐释丁品体面角守恒定律的本质问题，而且这一见解和后来所建立起来的晶体构造的现代概念有些相近。

1780年法国学者阿诺德(A．C．Arnouldl742一1806)发明接触测角仪。  后来，法国学者罗美德利尔(Louis R om6De IlsIe 1736—1790)利用这一测角仪进行了二十多年的测角工作，一共测量丁500多种g、物晶体。肯定了晶体面角守恒定律的普退党义。

1784年法国学者网羽依(R．J．Haliyl743一1822)基于对方解石晶体沿着解理面裂开性质的观察，提出了晶体是由无数个具有多面体形状的原始“组成单位”在三度空间无间隙地平行堆砌而成。他的这种恩怨莫定了晶体构造学的基础。

1801年阿羽依发表了著名的整数定律(又称阿羽依定律)，从而满意地解释了晶体外形与其内部构造间的关系。此外，他又提出了晶体是对称的，这种对称不但为晶体外形所固有，同时也友现在晶体的物理性质上。

1809年英国学者乌拉斯顿(W．H．Wollastonl766一1828)设计出了第一台单团反射捌角仪。这种仪器的出现，使得品体测角工作酌精度大为提高。当时，这项工作盛极一时，曾积累了许多实际资料。

1805—1809年间，德国学者魏斯(C。8．we[ss 1780一1856)以实验方法确定了晶体中不同的旋转轴。继之又总结出了晶体的对称定律，并于1813年首先提出品体分为六大品系。他的这些工作为晶体的合理分类奠定丁基础。与此同时，他又砌定了结晶学中另一个重要定律——晶带定律(又称魏斯定律)。从而进一步阐明了晶体界限要素之间的关系。

1818年和1839年德国学者魏斯和英国学者米勒尔(W．H．M山o『180I一1880)先后创立丁表示晶面空间位置的魏氏符号和米氏符号。后者至今仍得到广泛的应用。

德国学者藤塞尔(1．F．Ch．H csseil792一1872)首先推导出晶体外形可能的一切对称组合一32种对称型。但由于当时不被重视，所以他的这一成果未被人们所注意。

1867年俄国学者加多林(A．B．『a四nMn 1828—1892)用严谨的数学方法加以推导，得出了相同的32种对称型，引起人们的重视。从而完成了晶体宏观对称的总结工作，为晶体的分类奠定了基础。晶体内部构造理论的研究工作，随着几何结晶学的深入开展，也得到了迅速的发展。

1842年德国学者弗兰肯汉姆(M．L．Prankenheim 180l一1869)首先提出了晶体内部格子构造的理论。他认为品体的内部构造应以点为单位在三度空间成周期性的重复排列。同时，又提出了平行六面你的概念。据此，又推出了15种可能的空间格子型式。

1848年法国学者布拉维(A．Bravai81811—1863)修正了弗兰肯汉姆的研究成果，并于1855年用数学的方法推导出了品体构造中14种空间格子。成为近代晶体构造理论的夏基人。

1879年德国学者松克(L．8ihncke 1842一1897)在布拉维构造理论的基础上又进一步格14种空间格子的等同点系发展成为包括平移、旋转和螺旋旋转群的65种规则点泵(松克点系)。

1889年俄国结晶学家、现代结晶学的奠基人费多罗夫(E．C．dboAopoM 1853—1919)第一个提出反映滑移这一新的对称变换。从而运用数学的方法推导出了晶体结构中一切可能的对称要素组合方式——230种空间群(费多罗夫群)这一理论便成为一切有关品体构造的研究基础。同时，费多罗夫又发明了双圈测角仪和费氏旋转台使晶体的研究工作大大向前推进一步。

1891年和1894年德国学者熊夫利斯(A．M．Sch5nfliesl853—1928)和英国学者巴罗(W．Banlow 1848—1934)分别于1891年和1894年从点在空间排列方式的角度出发，相继用不同的方法得出了同样的结果。至此，晶体构造的理论研究工作已经非常成熟了，为晶体结构的分析建立了理论基础，并提供了可能。然而，达一理论得到进一步的证实要在二十年以后。

(3)近代(二十世纪)   

1912年，德国学者劳埃(M．V．Lauel879一1960)第一次成功地进行了又射线通过品体发生衍射的实验。这才具体证实了晶体格于构造的真实性。以后，在劳埃的指导下，弗瑞德里赫和克尼屏利用义射线通过闪锌矿晶体时，同样成功地获得了清晰的衍射斑点，更进一步证实了劳埃的设想。由于劳埃实验的成功，使结晶学进入了一个蓬勃发展的阶段。它不仅证实了晶体构造的理赋而且更重要的是提供了用品射线未研究晶体具体构造的可能，为晶体构造学的发展开：辟了一个广阔的前景。从此，便形成了一门新的学科——义刘线品体学。劳埃为此又确立丁著名的晶体衍射劳埃方程式。

1913年英国学者布拉格(W．H．Braggl862一1942)和俄国学者吴里夫(膊．B．By“b由1863—1925)各自独立地导出了X射线晶体结构分析的基本公式，即著名的吴里夫——布拉格公式。撼史上首先被人们所认识的NaCl和KCl的晶体构造，  便是由W．L布拉格所揭示的。

从此，又射线晶体结构的分肝工作便得以广泛地开展。许多晶体的内部构造也部一一地被揭示出来。人们对晶体的研究便打开了新的思路，不限于化学组成，也涉及到品形和物性的相互关系，并深入到品体的内部构造中去。于是结晶学的又一个分支——晶体化学经过长期的孕育使得到了产生和发展。近代结晶化学相继取得了许多重大的成就。

1951年苏联学者舒勃尼柯夫创立了正负对称性的概念(刀．6．贝ybMn“osl901—1945)。基于这一新的城念，另外二位苏联学盏  扎莫扎也夫和别洛夫(H．B．Ee”os)又将230个空间群导衍而成为1651个舒勃尼柯夫群。

1959年，我国学者彭志忠等发现了一种新矿物(香花石)，填补丁32晶类小一个晶类(五角三四面体晶类)的空白。对葡萄石的研究也增加了一种新的构造越位。 结晶学到税在为止，可以说它已经发展成为一门以晶体为实际基础而具有高度的理论性和严密的逻辑性的科学了。

分支学科及其研究内容

结晶学包括如下分支：

①晶体生长学。研究晶体发生、成长的机理和晶体的人工合成，用以追溯自然界晶体形成的环境和指导晶体的人工制备。

②几何结晶学。研究晶体外形的几何规律，是结晶学的经典内容和基础。

③晶体结构学。研究晶体中质点排布的规律及其测定。晶体结构资料为阐释晶体的一系列现象和性质提供依据。

④晶体化学。研究晶体化学成分与结构的关系，成分、结构与晶体性能、形成条件的关系,其理论用于解释晶体的一系列现象和性质,指导发现或制备具有预期特性的晶体。

⑤晶体物理学。研究晶体的物理性能及其产生机理，对于晶体的利用有重要指导意义。

研究手段和方法

①研究晶体化学成分一般采用化学分析、光谱分析和电子探针分析等。

②研究晶体结构的基本方法是 X射线衍射分析。为了特殊需要还须采用透射电镜和红外光谱、穆斯堡尔谱等各种谱学方法。

③对晶体形貌的研究，传统的测角术仍是基本方法。研究晶体表面微形貌，还需要进行干涉显微镜和电子显微镜研究。

④对晶体生长的研究,除对天然晶体的观测外,主要是通过人工晶体的培养，研究晶体生长机理，并合成所需的各种晶体。

⑤对晶体的各种物理性能的研究和物理常数的测定，常采用偏光显微镜、电子显微镜、波谱分析和电学、磁学、热学、力学等各种方法。

性质

晶体是具有格子构造的固体，也就是说，格子构造是一5于晶体格于构造所决定的，并为所有一切晶体所共有的性质，晶体的基本性质是晶体的共性，是指晶体所共有的性质，性、均一性、异向性、对称性和稳定性。

 一、晶体的自限性

陨体所必备的条件。凡是由称之为晶体的基本性质。归纳起来共有五种：即L1限是指所有的晶体均具有自发地形成封闭的几何多面体外形能力的性质。

品面就是晶体格子构造中最外层的而网所在，晶棱是最外层面网相交的公共行列，而角顶则是结点的所在。由于一切晶体都具有格子构造，所以，必然能自发地形成几何多面体的外形，把它们自身封闭起来。晶面，晶棱和角顶与格子构造中的面网、行列及结点是相对应的，它们之间的关系见田I—10。但应该指出，自然生长和人造矿物晶体中呈现规则的几何多面体外形的不多。主要是由于它们在生长时受到空间的限制。不过，如港条件许可，让它们继续生长时，它们还是可以自发地形成规则的几何多面体外形的。

晶体的均一性是晶体的重要性质，我们可以根据这一重要性质，进行晶体的鉴别和使用。应该指出：非品质体如玻璃，树肥等也具右均一性，但是它是一种统计的结果，而没行方向性，它的各种性质在不问部位和—“Lj方向。亡都是相同的；而晶体的均一性，是晶体格子构造规律所决定的，不同部位相间力向上性质是相同的，不同部位不同方向上所测的放据一般是不一致的。

二、晶体的异向性

同一晶体在不同方向上所测得的性质表现出差异的特性。云母和方解石矿物，它们郡具有完好的解理，受力后都能沿着一定方向裂开。

又如蓝晶石晶体A1：oLSlO d]，不同方向上刻划的硬度不同，沿着晶体的延长方向，很容易用刀锋在晶面上刻下痕迹，但在横切的方向上却无动于衷，不留任何印痕，所以蓝品石矿物又称为二硬石，表现出了明显的各向异性。

晶体的各向异性，根据晶体格子构造规律，可知晶体内部质点的排列方式和距离，在相互平行的方向上都是一致的，但在不相平行的方向上可表现出一定的差别，这就是晶体各向异性产生的根本原因。

晶体的均一性和异向性，说明了在晶体的相同方向上具有相同的性质，而在不同方向上便具有不同的性质，这是一个问题的两个方面，它既说明了晶体内部构造的均一性，又说明了在均一性的内部构造中，包含着在不同的方向上构造不相同这一异向性。

三、品体的对称性

是指晶体中的相同晶面，晶棱和顶角以及晶体的物化性质能够在不同方向或位置上有规律地出现，如图1—N所示的石次品仲便友现出了明显的对称性。这同样也是由于晶体内部质点作有规则地排列的原因造成的。根据空间格子规律，在任一晶体结构中的任一行列方向上，总是存在着一系列为数无限的作周期性重复排列的等同点，达本身就表现出一种对称性，所以说对称性在晶体中是普遍存在的。晶体外部形态的对称性，是晶体的宏观对称，晶体的内部构造，也具有对称性，这种对称性是晶体的微观对称(这部分内容在第七章晶体构造的几何规律中介绍)。

四、晶体的稳定性

是指对化学成分相同，但是处于不问物态下的物体、气体来说，晶体是最稳定的。晶体的稳定性是由于晶体具有最小内能的缘故。从根本上来讲，也是由于晶体格子构造规律所决定的。晶体具有最小内能，这可以从晶体熔融时耍吸热，镕体结晶时要放热得到证明。由于晶体是具有格子构造的固体，其内部质点在三维空间是作有规律排列的。这种有规则的排列足质点间的引力和斥力达到平衡的结果。如要破坏晶体的内部构造，改变其晶体内部质点的距离，势必要增加质点的势能。这点和处在不同物态下相比大不相同，由于处在不同物态下的物体，如气体、液体和非晶态固体，其内部质点排列没有规则，因此质点间的引力和斥力一般都达不到平衡，所以它们的势能郎比晶体要大，换句话说，在相同的热力学条件下，晶体的内能是最小的。正是由于晶体内能最小，以致品体内部的质点只能在晶格的一定位设上产生振动，而且振动的平均位置不变，也就是说质点的振动并不离开它的固定位置，这样，晶体的格子构造就不被破坏，因而它也就处于最稳定的状您，所以晶体具有最大的总定性。

与其他科学的关系

结晶学在理论和应用上都需要数学知识；物理学特别是固体物理学的新理论、新技术的引入，大大促进了现代结晶学的发展；晶体化学探讨成分与结构的关系更需要化学基础。

结晶学的成果也丰富了物理学和化学的内容，促进了它们的发展。

自然界的矿物都是晶体，矿物是地壳和地幔的组成单位，因而结晶学是地球科学，特别是研究其物质组成的矿物学、岩石学、矿床学、地球化学的基础。蛋白质等许多生物体也是晶体，因此结晶学也是生物学的基础。

参考资料

1.结晶化学简介·搜档网

2.http://doc.100lw.com/doc/00022d3018a5335fb0657bf4·亿佰文档网