简介

晶体结构即晶体的微观结构，是指晶体中实际质点（原子、 离子或分子）的具体排列情况。 自然界存在的 固态物质可分为晶体和 非晶体两大类，固态的金属与合金大都是晶体。晶体与非晶体的最本质差别在于组成晶体的 原子、 离子、分子等 质点是规则排列的（长程序），而非晶体中这些质点除与其最相近外，基本上无规则地堆积在一起（短程序）。金属及合金在大多数情况下都以 结晶状态使用。晶体结构是决定固态金属的 物理、 化学和 力学性能的基本因素之一。

晶体结构

点阵及其周期性

晶体是 各向异性的均匀物体。生长良好的晶体，外观上往往呈现某种 对称性（图1）。从 微观来看，组成晶体的原子在空间呈周期 重复排列（图2）。即以晶体中的原子或其集合为基点，在空间中三个不共面的方向上，各按一定的 点阵周期，不断重复出现。如从重复出现的每个基元中各取某一相当点，则这些点合在一起形成一个 空间点阵的一部分，图3a为其示意图。确切地说，点阵是一组按连接其中任何两点的 矢量进行平移后而能复原的点的 重复排列。

空间点阵是认识 晶体结构基本特征的关键之一，用它可以方便而又清楚地说明晶体的微观结构在 宏观中所表现出的面角 守恒、有理指数等定律以及 X射线衍射的 几何关系。各点分布在同一直线上的点阵称为直线点阵，分布在同一平面中者称为平面点阵，而分布在 三维空间中者称为 空间点阵。如图3a所示， 空间点阵可以分解为各组平行的直线点阵或平面点阵，并可划分成并置的平行六面体单位。规定这个单位的矢量为 、 和 ，如图3b所示。 空间点阵划分成一个个并置的平行六面体单位后，若点阵中各点都位于各平行六面体的顶点处，则此单位只摊到一个点，称为素单位。 平行六面体单位也可在面上或体内带心，摊到一个以上的点，成为复单位。按照空间点阵的平行六面体单位，可划分成晶体结构的单位，这样的单位称为 晶胞。

晶体的一些宏观规律性反映了它微观结构中具有长程序的 空间点阵形式。晶体之所以不同于一般具有短程序的 非晶态固体和液体而成为各向异性体，与此有关。晶体外形为 晶面构成的 多面体，而晶面必与 空间点阵中一组平面点阵平行， 晶棱则与某一直线点阵组平行。在同一种晶体上两个给定 晶面之间的交角是两组相应的点阵平面之间的交角，从而是常数。

点阵平面和直线点阵方向的表示方法在任何晶体中，可根据空间点阵的基向量 、 和 来取晶轴系。若任一点阵平面与它们交于A、B和C，则这个面在这三个晶轴上的倒易截之比，必可通约成三个互质数之比，即 : : ，这是“有理指数定律”， , , 称为点阵平面指数，而（ ）是该晶面的符号。晶棱或与一组直线点阵平行的方向可用记号【 】来代表，其中 、 和 也是三个互质的整数，称点阵方向指数。而这个方向与 矢量 + + 平行。例如直线点阵方向【100】必与 平行，【010】与 平行，等等；而点阵平面（100）必与 和 平行，（010）与 和 平行，等等。

有了点阵概念就可以将晶体结构用下述所谓公式来简单表示：

晶体结构= 点阵+ 结构基元

晶体对称性

在晶体的外形以及其他宏观表现中还反映了晶体结构的对称性。晶体的理想外形或其结构都是对称图象。这类图象都能经过不改变其中任何两点间距离的操作后复原。这样的操作称为对称操作，平移、旋转、反映和倒反都是对称操作。能使一个图象复原的全部不等同操作，形成一个对称操作群。在晶体结构中空间点阵所代表的是与平移有关的对称性，此外，还可以含有与旋转、反映和倒反有关并能在宏观上反映出来的对称性，称为宏观对称性，它在晶体结构中必须与空间点阵共存，并互相制约。制约的结果有二：①晶体结构中只能存在1、2、3、4和6次 对称轴，②空间点阵只能有 14种形式。 次对称轴的基本旋转操作为旋转360°/ ，因此，晶体能在外形和宏观中反映出来的轴对称性也只限于这些轴次。

空间点阵的类型

根据晶体的宏观对称性，布喇菲(Bravais）在1849年首先推导出14种空间点阵，它们的晶轴关系即 晶轴的单位长度及夹角（即单胞参量 、 、 、 、 、 ）间的关系，分别属于立方、四方、三方、六方、正交、单斜、三斜共7个晶系（见表）。其中 立方晶系的对称性最高，晶胞的三个边等长（ = = ）并正交（ = = =90°）。 三斜晶系的对称性最低 ( ≠ ≠ ， ≠ ≠ ≠90°）。在四方晶系中，晶胞的两个边等长并正交；而在正交晶系中三个边皆不等长。在 六方晶系中，两个边等长（ = ≠ ），它们的夹角 =120°，而在 三方晶系的菱面体晶胞中，三个边等长，三个夹角相等，但无正交关系（三方晶系中也可取六方点阵的晶胞），在 单斜晶系，三个边不等长，三个夹角中有两个是90°。在这7个晶系中，除了由素单位构成的简单点阵（P）外，还可能有体心（I）、底心（C）、面心（F）点阵。在这些有心的点阵中，晶胞分别有2个或4个阵点。

晶体键力和金属晶体类型

晶体可以由原子、离子或分子结合而成。例如非金属的 碳原子通过共价键可以形成金刚石晶体。金属的钠原子与非金属的氯原子可以先分别形成Na和Cl离子，然后通过离子键结合成氯化钠晶体，每个离子周围是异号离子。离子结合而成的晶体称为 离子晶体。在有些晶体中原子可以先结合成分子，然后通过分子间键或 范德华(Van der Waals）力结合成晶体。如非金属的硫原子先通过共价键形成王冠状的S8分子，然后再通过范德华力形成硫黄晶体。又如在 石墨中碳原子先通过共价键形成层型分子，然后通过 范德华力结合成晶体。在层型分子内部，化学键是连亘不断的。矿物主要以 金属氧化物、 硫化物以及硅酸盐晶体的形式存在，它们一般为离子晶体。金属原子通过 金属键结合而成 金属晶体。典型结构有A1、A2和A3型等三种。晶体中每一原子周围所具有的，与其等距离的最近邻的原子数目叫配位数。