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晶體化學及晶體物理學(第三版) 版權信息
- ISBN：9787030696502
- 條形碼：9787030696502 ; 978-7-03-069650-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
晶體化學及晶體物理學(第三版) 內容簡介
《晶體化學及晶體物理學（第三版）》共分十章，主要內容包括：緒論，晶體學基礎，原子鍵合，晶體場理論及配位場理論，晶體成分，晶體結構，晶體化學基本定律，固溶體、相變及有關結構現象，晶體缺陷，晶體的物理性質等。針對材料學、礦物材料學、礦物學、巖石學、礦床學、寶石學、地球化學等學科的特點，《晶體化學及晶體物理學（第三版）》仍以晶體化學內容為主，晶體物理部分重在基本概念和基本性質的介紹，略去晶體物理中的張量推導，因此有較強的針對性和實用性。
晶體化學及晶體物理學(第三版) 目錄
目錄
第三版前言
第二版前言
**版前言
第1章 緒論 1
1.1 晶體化學和晶體物理學的概念 1
1.2 晶體化學和晶體物理學的形成與發(fā)展 4
1.3 晶體化學和晶體物理學研究的意義 8
第2章 晶體學基礎 10
2.1 晶體學基本概念 10
2.1.1 晶體的定義 10
2.1.2 空間格子 12
2.1.3 晶胞 13
2.2 面角恒等定律 19
2.3 晶體的宏觀對稱性與點群 20
2.3.1 晶體的對稱要素 20
2.3.2 對稱要素的組合定理 26
2.3.3 對稱型的推導及點群 27
2.3.4 點群的符號 29
2.4 晶體的對稱分類 32
2.5 晶體定向及晶體學符號 32
2.6 面網間距、行列中結點間距和晶胞體積的計算 39
2.7 晶帶定律 41
2.8 晶體的微觀對稱性與空間群 43
2.8.1 晶體的微觀對稱要素與空間群 43
2.8.2 空間群的符號 46
2.9 等效點系 51
2.10 晶體的單形和聚形 54
2.10.1 單形 54
2.10.2 聚形 59
2.10.3 晶體的規(guī)則連生 59
第3章 原子鍵合 61
3.1 原子結構 61
3.1.1 原子核外電子的運動狀態(tài) 61
3.1.2 量子數與軌道 63
3.1.3 電子云及其分布 64
3.1.4 原子的電子排布 66
3.1.5 原子的電離能、電子親和能及電負性 67
3.2 離子鍵和離子晶體 69
3.2.1 離子鍵的性質 69
3.2.2 離子半徑 71
3.2.3 離子半徑比與配位數的關系 74
3.2.4 球體緊密堆積原理 75
3.2.5 離子晶體的特點 81
3.3 共價鍵和共價晶體 82
3.3.1 共價鍵理論 82
3.3.2 鍵參數 87
3.3.3 共價鍵晶體的特點 91
3.4 金屬鍵和金屬晶體 91
3.4.1 能帶理論 91
3.4.2 分子軌道理論與能帶的關系 95
3.4.3 金屬原子半徑 95
3.4.4 金屬晶體的特點 96
3.5 分子鍵和分子晶體 96
3.5.1 分子鍵 96
3.5.2 分子半徑 98
3.5.3 分子晶體的特點 98
3.6 氫鍵 98
3.7 氘鍵 99
3.8 中間型鍵 99
第4章 晶體場理論及配位場理論 101
4.1 晶體場理論 101
4.1.1 過渡金屬元素電子殼層結構的特點 101
4.1.2 晶體場分裂及晶體場穩(wěn)定能 102
4.1.3 10Dq參數 103
4.1.4 影響Δ值的因素 105
4.1.5 低對稱環(huán)境的晶場分裂——Jahn-Teller效應 106
4.2 電子軌道和原子態(tài)的對稱變換 108
4.2.1 譜項 109
4.2.2 群論基礎 111
4.2.3 對稱操作對電子軌道的作用 114
4.2.4 對稱操作對原子譜項的作用 120
4.2.5 與不可約表示有關的光譜學選律 122
4.2.6 其他光譜學選律 125
4.3 晶體場的理論計算 125
4.4 晶體場理論的應用 129
4.4.1 晶體顏色和多色性的解釋 129
4.4.2 過渡金屬元素離子半徑變化規(guī)律的解釋 131
4.4.3 過渡元素晶體的磁性 132
4.4.4 尖晶石晶體化學 133
4.4.5 一些硅酸鹽結構中離子占位有序現象的解釋 134
4.4.6 稀土摻雜發(fā)光材料的發(fā)光性能調控 136
4.5 配位場理論 137
第5章 晶體成分 140
5.1 晶體的化學組成 140
5.1.1 陰離子 140
5.1.2 陽離子 143
5.1.3 原子 145
5.1.4 分子 145
5.1.5 晶體中的水 147
5.1.6 化學計量性與非化學計量性 150
5.2 晶體成分的研究意義 151
5.3 晶體成分的研究方法 153
5.4 晶體結構式及其書寫方法 155
5.4.1 晶體結構式的書寫規(guī)則 156
5.4.2 晶體結構式的計算 157
第6章 晶體結構 163
6.1 晶體結構的類型 163
6.2 元素單質的晶體結構 164
6.2.1 金屬單質的晶體結構 164
6.2.2 稀有氣體的晶體結構 165
6.2.3 非金屬單質的晶體結構 165
6.3 無機化合物的典型晶體結構 169
6.3.1 二元無機化合物晶體結構 169
6.3.2 多元無機化合物晶體結構 178
6.4 硅酸鹽的晶體結構 190
6.4.1 島狀結構 191
6.4.2 環(huán)狀結構 194
6.4.3 鏈狀結構 197
6.4.4 層狀結構 206
6.4.5 架狀結構 212
第7章 晶體化學基本定律 218
7.1 晶體化學**定律——哥爾德施密特定律 218
7.2 格羅茲定律 219
7.3 倫伯格斯規(guī)則 219
7.4 迪特澤爾關系 220
7.5 鮑林規(guī)則 220
7.6 晶格能計算公式——玻恩公式 222
7.7 測定晶格能實驗值的方法——玻恩-哈伯循環(huán) 224
7.8 晶體化學第二定律——卡普斯欽斯基原理 226
7.9 費爾斯曼改進公式 226
7.10 其他定律 227
第8章 固溶體、相變及有關結構現象 228
8.1 固溶體和類質同象替代 228
8.2 晶體結構的有序-無序 234
8.3 同質多象和多形性 244
8.4 多型及多體構型 253
第9章 晶體缺陷 260
9.1 晶體的點缺陷 260
9.1.1 點缺陷的表示 260
9.1.2 本征缺陷 262
9.1.3 雜質缺陷 265
9.1.4 色心 266
9.1.5 缺陷反應方程 267
9.1.6 非化學計量化合物中的缺陷 268
9.1.7 點缺陷引起的晶體性能變化及點缺陷測定方法 270
9.2 晶體中的線缺陷——位錯 271
9.2.1 位錯的類型 271
9.2.2 伯格斯矢量 271
9.2.3 不全位錯 273
9.2.4 位錯的成因 274
9.2.5 位錯與點缺陷的交互作用 275
9.2.6 位錯的觀測 275
9.3 晶體中的面缺陷 276
9.3.1 平移界面 276
9.3.2 孿晶界面 277
9.3.3 位錯界面 278
9.4 晶體中的體缺陷——宏觀和亞微觀缺陷 279
9.5 晶體缺陷對晶體性能的影響——以石墨烯為例 280
第10章 晶體的物理性質 287
10.1 張量基礎知識 287
10.1.1 張量的定義 287
10.1.2 張量的變換定律 289
10.1.3 張量的幾何表示法 291
10.2 晶體對稱性對晶體物理性質的影響 292
10.2.1 諾伊曼原則 292
10.2.2 晶體對稱性對物理性質的影響 292
10.2.3 晶體物理性質的相互關系 293
10.3 晶體的力學性質 296
10.3.1 彈性性質 297
10.3.2 晶體的范性 299
10.3.3 晶體的解理性 300
10.3.4 晶體的硬度 300
10.4 晶體的熱學性質 301
10.4.1 晶體的熱容 301
10.4.2 晶體的熱膨脹 303
10.4.3 晶體的熱傳導 310
10.4.4 晶體的熱輻射 311
10.5 晶體的介電性質 312
10.6 晶體的壓電性質 315
10.7 晶體的熱釋電性質 316
10.8 晶體的鐵電性質 318
10.8.1 電滯回線 318
10.8.2 鐵電晶體的居里溫度 319
10.8.3 弛豫型鐵電晶體 321
10.9 晶體的磁學性質 324
10.9.1 磁致伸縮與磁彈性能 329
10.9.2 磁光效應 330
10.9.3 多鐵性材料 331
10.10 晶體的聲學性質 331
10.11 晶體的光學性質 332
10.11.1 晶體光學基礎 332
10.11.2 光的折射 333
10.11.3 晶體中的雙折射現象——光率體和折射率面 334
10.11.4 晶體折射率色散 340
10.11.5 晶體對光的反射 340
10.11.6 晶體對光的吸收和透射 340
10.11.7 晶體對光的散射 341
10.11.8 晶體的電光效應 341
10.11.9 晶體的彈光效應與聲光效應 344
10.11.10 晶體的磁光效應 349
10.12 晶體的電學性質 350
10.12.1 電子類載流子導電 350
10.12.2 離子類載流子導電 351
10.12.3 半導體 352
10.12.4 pn結 353
10.12.5 超導體 354
主要參考文獻 357
附錄 360
附錄1 晶格類型及其鍵性、結構特點和物理性質 360
附錄2 元素的電子親和能 361
附錄3 元素的電離能 362
附錄4 元素的電子構型和離子半徑 364
附錄5 原子的共價半徑和分子半徑 379
第三版前言
第二版前言
**版前言
第1章 緒論 1
1.1 晶體化學和晶體物理學的概念 1
1.2 晶體化學和晶體物理學的形成與發(fā)展 4
1.3 晶體化學和晶體物理學研究的意義 8
第2章 晶體學基礎 10
2.1 晶體學基本概念 10
2.1.1 晶體的定義 10
2.1.2 空間格子 12
2.1.3 晶胞 13
2.2 面角恒等定律 19
2.3 晶體的宏觀對稱性與點群 20
2.3.1 晶體的對稱要素 20
2.3.2 對稱要素的組合定理 26
2.3.3 對稱型的推導及點群 27
2.3.4 點群的符號 29
2.4 晶體的對稱分類 32
2.5 晶體定向及晶體學符號 32
2.6 面網間距、行列中結點間距和晶胞體積的計算 39
2.7 晶帶定律 41
2.8 晶體的微觀對稱性與空間群 43
2.8.1 晶體的微觀對稱要素與空間群 43
2.8.2 空間群的符號 46
2.9 等效點系 51
2.10 晶體的單形和聚形 54
2.10.1 單形 54
2.10.2 聚形 59
2.10.3 晶體的規(guī)則連生 59
第3章 原子鍵合 61
3.1 原子結構 61
3.1.1 原子核外電子的運動狀態(tài) 61
3.1.2 量子數與軌道 63
3.1.3 電子云及其分布 64
3.1.4 原子的電子排布 66
3.1.5 原子的電離能、電子親和能及電負性 67
3.2 離子鍵和離子晶體 69
3.2.1 離子鍵的性質 69
3.2.2 離子半徑 71
3.2.3 離子半徑比與配位數的關系 74
3.2.4 球體緊密堆積原理 75
3.2.5 離子晶體的特點 81
3.3 共價鍵和共價晶體 82
3.3.1 共價鍵理論 82
3.3.2 鍵參數 87
3.3.3 共價鍵晶體的特點 91
3.4 金屬鍵和金屬晶體 91
3.4.1 能帶理論 91
3.4.2 分子軌道理論與能帶的關系 95
3.4.3 金屬原子半徑 95
3.4.4 金屬晶體的特點 96
3.5 分子鍵和分子晶體 96
3.5.1 分子鍵 96
3.5.2 分子半徑 98
3.5.3 分子晶體的特點 98
3.6 氫鍵 98
3.7 氘鍵 99
3.8 中間型鍵 99
第4章 晶體場理論及配位場理論 101
4.1 晶體場理論 101
4.1.1 過渡金屬元素電子殼層結構的特點 101
4.1.2 晶體場分裂及晶體場穩(wěn)定能 102
4.1.3 10Dq參數 103
4.1.4 影響Δ值的因素 105
4.1.5 低對稱環(huán)境的晶場分裂——Jahn-Teller效應 106
4.2 電子軌道和原子態(tài)的對稱變換 108
4.2.1 譜項 109
4.2.2 群論基礎 111
4.2.3 對稱操作對電子軌道的作用 114
4.2.4 對稱操作對原子譜項的作用 120
4.2.5 與不可約表示有關的光譜學選律 122
4.2.6 其他光譜學選律 125
4.3 晶體場的理論計算 125
4.4 晶體場理論的應用 129
4.4.1 晶體顏色和多色性的解釋 129
4.4.2 過渡金屬元素離子半徑變化規(guī)律的解釋 131
4.4.3 過渡元素晶體的磁性 132
4.4.4 尖晶石晶體化學 133
4.4.5 一些硅酸鹽結構中離子占位有序現象的解釋 134
4.4.6 稀土摻雜發(fā)光材料的發(fā)光性能調控 136
4.5 配位場理論 137
第5章 晶體成分 140
5.1 晶體的化學組成 140
5.1.1 陰離子 140
5.1.2 陽離子 143
5.1.3 原子 145
5.1.4 分子 145
5.1.5 晶體中的水 147
5.1.6 化學計量性與非化學計量性 150
5.2 晶體成分的研究意義 151
5.3 晶體成分的研究方法 153
5.4 晶體結構式及其書寫方法 155
5.4.1 晶體結構式的書寫規(guī)則 156
5.4.2 晶體結構式的計算 157
第6章 晶體結構 163
6.1 晶體結構的類型 163
6.2 元素單質的晶體結構 164
6.2.1 金屬單質的晶體結構 164
6.2.2 稀有氣體的晶體結構 165
6.2.3 非金屬單質的晶體結構 165
6.3 無機化合物的典型晶體結構 169
6.3.1 二元無機化合物晶體結構 169
6.3.2 多元無機化合物晶體結構 178
6.4 硅酸鹽的晶體結構 190
6.4.1 島狀結構 191
6.4.2 環(huán)狀結構 194
6.4.3 鏈狀結構 197
6.4.4 層狀結構 206
6.4.5 架狀結構 212
第7章 晶體化學基本定律 218
7.1 晶體化學**定律——哥爾德施密特定律 218
7.2 格羅茲定律 219
7.3 倫伯格斯規(guī)則 219
7.4 迪特澤爾關系 220
7.5 鮑林規(guī)則 220
7.6 晶格能計算公式——玻恩公式 222
7.7 測定晶格能實驗值的方法——玻恩-哈伯循環(huán) 224
7.8 晶體化學第二定律——卡普斯欽斯基原理 226
7.9 費爾斯曼改進公式 226
7.10 其他定律 227
第8章 固溶體、相變及有關結構現象 228
8.1 固溶體和類質同象替代 228
8.2 晶體結構的有序-無序 234
8.3 同質多象和多形性 244
8.4 多型及多體構型 253
第9章 晶體缺陷 260
9.1 晶體的點缺陷 260
9.1.1 點缺陷的表示 260
9.1.2 本征缺陷 262
9.1.3 雜質缺陷 265
9.1.4 色心 266
9.1.5 缺陷反應方程 267
9.1.6 非化學計量化合物中的缺陷 268
9.1.7 點缺陷引起的晶體性能變化及點缺陷測定方法 270
9.2 晶體中的線缺陷——位錯 271
9.2.1 位錯的類型 271
9.2.2 伯格斯矢量 271
9.2.3 不全位錯 273
9.2.4 位錯的成因 274
9.2.5 位錯與點缺陷的交互作用 275
9.2.6 位錯的觀測 275
9.3 晶體中的面缺陷 276
9.3.1 平移界面 276
9.3.2 孿晶界面 277
9.3.3 位錯界面 278
9.4 晶體中的體缺陷——宏觀和亞微觀缺陷 279
9.5 晶體缺陷對晶體性能的影響——以石墨烯為例 280
第10章 晶體的物理性質 287
10.1 張量基礎知識 287
10.1.1 張量的定義 287
10.1.2 張量的變換定律 289
10.1.3 張量的幾何表示法 291
10.2 晶體對稱性對晶體物理性質的影響 292
10.2.1 諾伊曼原則 292
10.2.2 晶體對稱性對物理性質的影響 292
10.2.3 晶體物理性質的相互關系 293
10.3 晶體的力學性質 296
10.3.1 彈性性質 297
10.3.2 晶體的范性 299
10.3.3 晶體的解理性 300
10.3.4 晶體的硬度 300
10.4 晶體的熱學性質 301
10.4.1 晶體的熱容 301
10.4.2 晶體的熱膨脹 303
10.4.3 晶體的熱傳導 310
10.4.4 晶體的熱輻射 311
10.5 晶體的介電性質 312
10.6 晶體的壓電性質 315
10.7 晶體的熱釋電性質 316
10.8 晶體的鐵電性質 318
10.8.1 電滯回線 318
10.8.2 鐵電晶體的居里溫度 319
10.8.3 弛豫型鐵電晶體 321
10.9 晶體的磁學性質 324
10.9.1 磁致伸縮與磁彈性能 329
10.9.2 磁光效應 330
10.9.3 多鐵性材料 331
10.10 晶體的聲學性質 331
10.11 晶體的光學性質 332
10.11.1 晶體光學基礎 332
10.11.2 光的折射 333
10.11.3 晶體中的雙折射現象——光率體和折射率面 334
10.11.4 晶體折射率色散 340
10.11.5 晶體對光的反射 340
10.11.6 晶體對光的吸收和透射 340
10.11.7 晶體對光的散射 341
10.11.8 晶體的電光效應 341
10.11.9 晶體的彈光效應與聲光效應 344
10.11.10 晶體的磁光效應 349
10.12 晶體的電學性質 350
10.12.1 電子類載流子導電 350
10.12.2 離子類載流子導電 351
10.12.3 半導體 352
10.12.4 pn結 353
10.12.5 超導體 354
主要參考文獻 357
附錄 360
附錄1 晶格類型及其鍵性、結構特點和物理性質 360
附錄2 元素的電子親和能 361
附錄3 元素的電離能 362
附錄4 元素的電子構型和離子半徑 364
附錄5 原子的共價半徑和分子半徑 379
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晶體化學及晶體物理學(第三版) 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 晶體化學和晶體物理學的概念 晶體化學和晶體物理學的研究對象都是晶體，因此在了解晶體化學和晶體物理學的概念之前，應先對晶體有所了解。晶體是固體物質的主要存在形式，晶體與非晶體的主要區(qū)別在于它們是否具有點陣結構。換句話說，晶體與非晶體之間的本質區(qū)別是晶體結構中的質點在三維空間有規(guī)律地重復。晶體的各種性質，包括物理性質、化學性質和幾何性質等都與其有規(guī)律的內部結構相關。 在人類了解晶體的內部結構之前，人們將具有規(guī)則幾何外形的天然礦物均稱為晶體。實際上這種認識并不全面，因為物體的外形是其內部結構及其生長環(huán)境的綜合反映。一般說來，在適宜的條件下，具有規(guī)則內部結構的晶體自由生長，*終都可以形成具有規(guī)則幾何外形的晶體(定形體)，在這種情況下，人們*初給晶體下的定義是正確的。但當生長條件不能充分滿足晶體自由生長的需要時，晶體*終的外形將是不規(guī)則的，此時就不能簡單地依據外形來定義。非晶體由于不具有規(guī)則的內部結構(嚴格地說應為長程有序結構)，不能自發(fā)地生長成規(guī)則的幾何外形，因此非晶體也稱無定形體。隨著科學的發(fā)展，人們已認識到，晶體與非晶體或定形體與無定形體之間的界限已越來越無法嚴格劃分。性質介于晶體與非晶體之間的物態(tài)不斷被發(fā)現，例如液態(tài)晶體(簡稱液晶)，它是一種具有特定分子結構的有機化合物凝聚體。液晶之所以稱為液態(tài)晶體，首先是因為它是液態(tài)的，具有液體的流動性；其次是因為它具有晶體的有序性，其結構基元的排列具有一維或二維近似長程有序。液晶的力學性質如同流體，但它的電、光、熱等物理性質卻如同晶體，具有顯著的各向異性等。液晶相變時不是由晶態(tài)直接轉變?yōu)橐簯B(tài)，而是要經過一個過渡態(tài)。液晶種類很多，通常按液晶分子的中心橋鍵和環(huán)的特征進行分類。目前已合成了1萬多種液晶材料，其中常用的液晶顯示材料有上千種，主要有聯苯液晶、苯基環(huán)己烷液晶及酯類液晶等。根據液晶會變色的特點，人們利用它來指示溫度、報警毒氣等，也廣泛用于信息的顯示。 再如準晶，它是一種新的固體物質形態(tài)，介于上述的晶體與非晶體之間。準晶具有完全有序的結構，然而又不具有一般晶體所應有的平移對稱性，因而具有一般晶體所不允許的宏觀對稱性。因此，準晶是具有準周期平移格子構造的固體，其中的原子常呈定向有序排列，但不作周期性平移重復，其對稱要素包含與一般晶體空間格子不相容的對稱(如5次和6次以上對稱軸)。 準晶由D.Shechtman等于1982年發(fā)現(2011年獲諾貝爾化學獎)，他們在急冷凝固的 Al-Mn合金中發(fā)現了具有5次旋轉對稱但無平移周期性的合金相，即二十面體準晶或五次準晶。以后人們又陸續(xù)發(fā)現了具有8次、10次、12次對稱的準晶結構。準晶的發(fā)現，是20世紀80年代晶體學研究的重大突破。 已知的準晶都是人工合成的金屬互化物，2000年以前發(fā)現的幾百種準晶體中至少含有3種金屬元素，如 Al65Cu23Fe12、Al70Pd21Mn9等。但后來發(fā)現2種金屬元素也可形成準晶，如Cd57Yb10。 2009年，科學家在俄羅斯的一塊鋁鋅銅礦上發(fā)現了組成為Al63Cu24Fe13的天然準晶，與實驗室中合成的準晶一樣，這些準晶的結晶程度都非常好。之后一系列天然形成的準晶被報道。 準晶被發(fā)現后，其不具有平移對稱的結構成為研究熱點。事實上，20世紀之前不具平移對稱的結構就已經被建筑師熟知，如伊朗伊斯法罕清真寺瓷磚上的圖案就是一種不具有平移對稱的圖形。 數學家們很早就已經知道可以通過平移用單一形狀的拼圖如任意形狀的四邊形或者正六邊形拼滿一個平面。但是當增加拼圖單元的種類時，拼滿一個平面的方法就很多。1961年，數學家王浩提出了用不同形狀的拼圖單元鋪滿平面的拼圖問題。兩年后，王浩的學生 Robert Berger構造了一系列不具有平移周期性的拼圖。之后鋪滿平面(不具有平移周期性)所需要的拼圖單元種類越來越少。1976年， Roger Penrose構造了一系列只需要兩種拼圖單元鋪滿平面的方法，稱為 Penrose拼圖。二維空間的 Penrose拼圖由內角為36°、144°(長)和72°、108°(扁)的兩種菱形組成，能夠無縫隙、無交疊地拼滿二維平面。這種拼圖沒有平移對稱性，但具有長程有序性，并且具有一般晶體所不允許的5次旋轉對稱性，與5次準晶的電子衍射圖吻合，其中相鄰結點間距之比為黃金中值1.618(或0.618)。與二維空間的 Penrose拼圖對應，三維 Penrose模型由相應的兩種菱面體堆砌而成，即長菱面體和扁菱面體。這兩種菱面體數目之比等于黃金中值。 有關準晶的組成與結構規(guī)律尚未完全闡明，它的發(fā)現在理論上對經典晶體學產生了很大沖擊，國際晶體學聯合會因此將晶體的定義修改為：晶體是衍射圖譜呈現明確圖案的固體(any solid having an essentially discrete diffraction diagram)。 此外，近年還出現了光子晶體、聲子晶體等與“晶體”概念有關的新型材料。 光子晶體(photonic crystal)于1987年由 S. John和 E. Yablonovitch分別獨立提出，它是指由不同折射率的介質周期性排列而成的、在光學(光波波長)尺度上具有周期性結構的人工設計和制造的晶體。與半導體晶格(電子波長尺度)對電子波函數的調制相類似，光子晶體能夠調制具有相應波長的電磁波。當電磁波在光子晶體中傳播時，由于存在布拉格散射而受到調制，電磁波能量形成能帶結構，能帶與能帶之間出現帶隙，即光子帶隙，能量處在光子帶隙內的光子不能進入該晶體。光子晶體和半導體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過設計和制造光子晶體及其器件，達到控制光子運動的目的。光子晶體(又稱光子禁帶材料)的出現，使人們操縱和控制光子的夢想成為可能。按照光子禁帶在空間中存在的維數，可以將光子晶體分為一維、二維和三維光子晶體。 可見，光子晶體是在高折射率材料的某些位置周期性地出現低折射率(如空氣空穴)的材料，正如晶體中在晶格結點周期性地出現離子一樣，因此得名“光子晶體”，但光子晶體并非嚴格意義上的晶體。 與光子晶體類似，彈性常數及密度周期分布的材料或結構被稱為聲子晶體(phononic crystal)。聲子晶體是由彈性固體周期排列在另一種固體或流體介質中形成的一種新型功能材料。人們發(fā)現彈性波在周期彈性復合介質中傳播時，也會產生類似于光子帶隙的彈性波帶隙。 即使對于經典意義上的晶體，其結構基元的排列也并非理想地、完整地長程有序，而是或多或少地存在不同類型的結構缺陷，使長程有序結構在不同程度上被破壞，也使實際晶體的各種性質在一定程度上偏離了理想晶體。但結構缺陷不會從根本上破壞長程有序的特點，晶體的各種性質也不會發(fā)生根本的改變。 由于結構上具有長程有序的特點，晶體具有如下的共同特性。 (1)均勻性：即晶體不同部位的宏觀性質相同。 (2)各向異性：即晶體中不同方向上具有不同的物理性質。 (3)自限性：即晶體具有自發(fā)形成規(guī)則幾何外形的特點。 (4)對稱性：即晶體在某些特定方向上所表現出的物理、化學性質完全相同以及具有固定熔點等。 (5)*小內能性：即相較于同成分的氣體、液體及非晶體，晶體的內能*小。 (6)穩(wěn)定性：即在相同的熱力學條件下，晶體與同成分的非晶體、液體、氣體相比*為穩(wěn)定。 (7)衍射效應：即晶體對 X射線、電子束、中子束等產生衍射的現象。 晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉化。退玻璃化就是玻璃內部結構基元的排列向長程有序發(fā)展演變的晶化過程。與之相反，玻璃化就是晶體內部結構長程有序遭到破壞而向非晶體轉變的過程。含放射性的某些晶質礦物就經常由于受到放射性蛻變時所發(fā)出的α射線的作用而轉化為非晶質礦物。 具有均勻、連續(xù)周期結構的晶體稱為單晶。兩個或兩個以上的同種單晶彼此間按一定的對稱關系相互結合在一起的晶體稱為孿晶(或雙晶)。多晶則指許多取向不同的小單晶的集合體。多晶也具有 X射線衍射效應，也有固定的熔點，但不具有單晶體的各向異性。多晶的物理性質不僅取決于所包含的晶粒的性質，還與晶粒大小以及相互間的取向有關。 當單晶體晶粒小到相當于幾個至幾十個晶胞大小時，晶體向非晶體過渡，此時已很難觀察到它的 X射線衍射效應。 不僅地球上的大部分物質是晶體(包括有機晶體、無機晶體)，而且其他天體也存在大量的晶體物質(隕石中存在大量礦物晶體)。晶體不僅廣泛存在于無生命世界中，在生命世界中也有舉足輕重的位置，如蛋白質晶體，蛋白質是生命的存在形式。 晶體化學和晶體物理學都是晶體學的重要分支，晶體化學是研究晶體的化學組成與晶體結構之間關系的一門學科，晶體物理學則是研究晶體結構與晶體物理性質間關系的一門學科。具體而言，晶體化學研究各種元素在晶體中的含量和賦存狀態(tài)(如類質同象雜質、機械混入物等)；研究各種質點(原子、離子或分子)在晶體內部的排布、相互結合和作用(如晶體空間群、晶胞參數、質點排布與配位、離子價態(tài)、化學鍵類型及鍵長、鍵角等)；研究晶體的不完整性(如各種晶體缺陷和晶體有序-無序、調幅結構等結構現象)；研究晶體成分、晶體結構與晶體形成條件間的關系等。晶體物理學研究晶體的各種物理性質以及晶體結構、晶體形成條件對晶體物理性質的影響等。可見晶體化學與晶體物理學都以晶體為研究對象，只是側重點有所不同。它們的研究內容有許多相同或相似之處，如晶體結構、晶體結構的不完整性等。實際上，因為晶體的化學成分與晶體的物理性質密切相關，所以晶體化學與晶體物理學聯系緊密。 1.2 晶體化學和晶體物理學的形成與發(fā)展 晶體化學和晶體物理學是晶體學的重要分支，它們的形成與發(fā)展離不開整個晶體學的形成與發(fā)展。晶體學的誕生與礦物學分不開，因為晶體學*早的研究對象是自然產出的礦物晶體，因此，*初晶體學只是礦物學的一個分支。當晶體學的研究對象超出了礦物學的范疇，研究內容不斷增多以后，晶體學開始脫離礦物學而成為一門獨立的學科。對晶體學的建立有重要貢獻的首先是丹麥學者斯丹諾(Nicolaus Steno，1638—1686)，他于1669年通過對石英等晶體的研究發(fā)現了晶面(面角)恒等定律，這一定律使人們能從晶體千變萬化的復雜外形中找到反映晶體結構的內在規(guī)律，奠定了晶體幾何學的基礎。其后，法國晶體學家赫羽依(Rene Just Haüy，1743—1822)基于對方解石(CaCO3)晶體沿解理面破裂現象的觀察，提出了有理指數定律，較圓滿地解釋了晶體外形與其內部結構之間的聯系，推動了晶體結構理論的發(fā)展。18世紀末(1780年)，法國學者阿諾德 克蘭喬(Arnold Carangeot，1742—1806)發(fā)明了接觸測角儀，使晶體測角工作得以開展，1809年英國學者沃拉斯頓(William Hyde Wollaston，1766—1828)發(fā)明反射測角儀使測角精度大為提高。在大量礦物晶體測角的實際資料基礎上，1805～1809年，德國學者韋斯(Christian Samuel Weiss，1780—1856)總結出了晶體對稱定律，并提出晶體分為六大晶系。1815年，韋斯提出了結晶軸的概念和結晶軸與三維空間中對稱軸的關系，并確定了晶體學中的重要定律之一——晶帶定律，闡明了晶面與晶棱間的關系。1825年，德國礦物學家摩斯(Friedrich Mohs，1773—1839)則證明了單斜和三斜晶系的存在，從而為晶體的科學分類奠定了基礎。1818～1839年，韋斯和英國學者米勒(William Hallowes Miller，1801—1880)先后創(chuàng)立了用于表示晶面空間方位的晶面符號。1830年，德國學者赫塞爾(J. F. C. Hessel，1792—1872)用幾何方法推導出描述晶體外形對稱性的32種點群，并認為只有二、三、四、六次旋轉對稱軸才與平移相容。1867
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