晶体的内部构造

1.2.4　晶体的内部构造

我们以常见的食盐(NaCl)晶体为例，具体分析晶体内部构造的特点。

图1.6为食盐晶体结构图，其中右上前方的格子为全图的1/8。无论是氯离子还是钠离子，在晶体构造的任何方向上，都是每隔一定的距离重复出现一次。显然，当选定任意两个相邻离子连线方向以后，则在该连线方向上，同种离子都是每隔相等的距离周期性重复出现的。实际上，我们从三维空间去看食盐晶体的离子排列情况，则整个食盐晶体中的氯离子和钠离子都和右上前方的1/8排列情况相同，若把其看成是食盐晶体的一个构造单元，则整个食盐晶体的内部构造就是这种构造单元在三维空间周期性重复出现的空间构造。

图1.6　食盐晶体构造

食盐晶体的构造单元是一个立方体，立方体的八个角顶和六个面的中心分布着钠离子，在十二条棱的中点和立方体的体中心分布着氯离子。这种立方体构造单元，是组成食盐晶体结构的最小体积单位，称为晶胞。从不同的晶体构造中，都可以确定出组成各种不同晶体构造的最小体积单位——晶胞，这是晶体内部构造的普遍规律。

在食盐晶体的构造单元里，所有的钠离子周围的环境和方位都是相同的。每一个钠离子周围在其三维空间最临近处，都排列着六个氯离子。这里所说的钠离子之间的方位相同，是指在一个钠离子周围的六个氯离子和另一个钠离子周围的六个氯离子相比较，这些氯离子都相互对应地排列在钠离子周围相同的方位上。从几何学观点出发，把钠离子所处的位置(点)叫做相当点。强调几何学上的相当点，是因为相当点是从真实晶体构造中抽象出来的晶体构造单位在空间所处的位置(点)，所以相当点本身只具有几何意义。而在实际晶体构造中，例如食盐，无数个钠离子在晶体构造空间内，只不过是在相当点的位置上排列。

不同的晶胞各自在三维空间平行地无间隙地堆砌，便组成各自不同晶体的整体内部结构，从而出现了各种不同的晶体。图1.7和图1.8分别表示萤石(CaF₂)和锐钛矿(TiO₂)的晶胞。萤石的晶胞类型和食盐相同，呈立方体状，但构造单位为钙离子和氟离子。而锐钛矿不仅构造单位不同于食盐，且晶胞类型也与食盐不同。图1.7所示的萤石晶体构造中，每一个钙离子在三维空间都被最邻近的八个氟离子所包围;而且任一个钙离子周围的八个氟离子和其他的钙离子周围的八个氟离子相比较，这些氟离子都相互对应地排列在钙离子周围相同的方位上。萤石晶体构造中的所有钙离子，均处于其构造的相当点的位置上。不论何种晶体，都可以从分析实际晶体的构造入手，抽象出它们相当的构造单位在相当点的位置上的排列情况。从实际晶体中抽象出来的几何学上的相当点，在三维空间呈有规律的分布，把三维空间的相当点联系起来，发现这些相当点在三维空间呈格子状排列。

从晶体构造中抽象出来的相当点在三维空间排列的几何图形，称为空间格子。空间格子是通过对晶体内部构造分析而抽象出来的、反映晶体内部构造中相当的构造单位在三维空间周期性重复排列规律的几何图形。

图1.7　萤石(CaF₂)的晶胞

图1.8　锐钛矿(TiO₂)的晶胞

从任何晶体内部构造中都可以分析出空间格子来，这就是存在于所有内部构造中的重要的具有共性的几何规律。

空间格子上的点称为结点。任意两个结点的连线称为行列。行列中相邻的两个结点之间的距离称为结点间距(空间格子上的点，都是从真实晶体构造中抽象出来的相当的构造单位所处的位置点，所以此处的结点间距，对应于真实晶体乃是相当点间距。如NaCl晶体中，某行列的结点间距应为相邻的Na⁺和Na⁺之间的距离或Cl^－和Cl^－之间的距离，而非相邻的Na⁺和Cl^－之间的距离)。通过不在一条直线上的任意三个结点所组成的面称为面网。单位面网内结点数目称为面网密度。组成空间格子的最小体积单位，是由六个面构成的对面平行而且相等的平行六面体。从不同晶体中分析出来的空间格子，有的简单，有的复杂。简单的空间格子，结点(相当点)只分布在平行六面体的角顶，复杂的空间格子，在平行六面体中心或面中心尚有结点(相当点)存在。