金刚石的消光规律--晶体结构题目例
X射线衍射原理
2
I m q c 2 o d I c s q c 2 o d G s 2 F H 2m K 2 e c 4 4 R L 2 ( 1 c 2 2 2 o ) I 0 s
影响衍射强度的其它因素
• 多重性因子--PHKL 晶体中晶面间距相等的晶面(组)称为等同晶面(组)．晶体中 各面的等同晶面(组)的数目称为各自的多重性因子。
•例如的一组晶面间距从大到小的顺序：2.02Å，1.43Å，1.17Å，1.01 Å，
0.90 Å，0.83 Å，0.76 Å……当用波长为λkα=1.94Å的铁靶照射时，因
λkα/2=0.97Å，只有四个d大于它，故产生衍射的晶面组有四个。如用铜
靶进行照射， 因λkα/2=0.77Å， 故前六个晶面组都能产生衍射。
3、面心点阵
单胞中有四种位置的原子，它们的坐标分别是（0，0，0）、 （0,1/2,1/2）、 （1/2,0,1/2)、（1/2,1/2,0）
FHK2L[f1co2s(0)f2co2s(K 2L 2)f3co2s(H 2K 2)f4co2s (H 2L 2)2][fssi2n(0)f2si2n(K 2L 2)f3si2n(H 2K 2)f4si2n (HL)2]f2[1cos(KL)cos(HK)cos(HL)2]
1
d HKL
S
S0
N
由倒易矢量性质可知，（HKL）晶面对 应的倒易矢量r*HKL//N且 r*HKL=1/dHKL，引入r*HKL，则上式可
写为
SS0
rHaKbLc
衍射矢量方程
厄瓦尔德图解
• 以球的1 为倒半易径点作对球应，的得晶到面厄组瓦均尔可德参球与。衍所射有。落在厄瓦尔德
hkl
S/
第二章晶体的结构习题和答案
第二章 晶体的结构习题及答案1．晶面指数为（123）的晶面ABC 是离原点O 最近的晶面，0A ，0B 和0C 分别与基矢1a ，2a 和3a 重合，除0点外，0A ，0B ，和0C 上是否有格点？若ABC 面的指数为（234），情况又如何？[解答] 晶面家族（123）截1a ，2a ，和3a 分别为1，2，3等份，ABC 面是离原点0最近的晶面，0A 的长度等于1a 长度，0B 的长度等于2a 的长度的1/2 ，0C 的长度等于3a 的长度的1/3 ，所以只有A 点是格点。
若ABC 面的指数为（234）的晶面族，则A 、B 、和C 都不是格点。
2．在结晶学中，晶胞是按晶体的什么特性选取的？[解答] 在结晶学中，晶胞选取的原则是既要考虑晶体结构的周期性又要考虑晶体的宏观对称性。
3. 在晶体衍射中，为什么不能用可见光？[解答] 晶体中原子间距的数量级为1010-米，要使原子晶格成为光波的衍射光栅，光波的波长应小于1010-米。
但可见光的波长为7.6 — 7100.4-⨯米,是晶体中原子间距的1000倍。
因此，在晶体衍射中，不能用可见光。
4．温度升高时，衍射角如何变化？X 光波长变化时，衍射角如何变化？[解答] 温度升高时，由于热膨胀，面间距h k l d 逐渐变大，由布拉格反射公式λθn d hkl =sin 2可知，对应同一级衍射，当X 光波长不变时，面间距hkl d 逐渐变大，衍射角θ逐渐变小。
所以温度升高，衍射角变小。
当温度不变，X 光波长变大时，对于同一晶面族，衍射角θ随之变大。
5．以刚性原子球堆积模型，计算以下各结构的致密度（一个晶胞中刚性原子球占据的体积与晶胞体积的比值称为结构的致密度）分别为：（1）简立方，6π ； （2）体心立方，π83 ； （3）面心立方，π62 ； （4）金刚石结构，π163。
[解答] 该想晶体是由刚性原子球堆积而成。
一个晶胞中刚性原子球占据的体积与晶胞体积的比值称为结构的致密度。
固体化学 射线衍射系统消光
结论：
在体心点阵中，只有当H+K+L为偶数时才 能产生衍射
➢体心点阵中，只有当H+K+L=偶数时, 才 能产生衍射, ➢例: 存在110, 200, 211, 220, 310, 222…等 反射, 其指数平方和(H2+K2+L2)之比： 2:4:6:8:10:12…
➢这种在点阵消光的基础上，因结构基元 内原子位置不同而进一步产生的附加消光 现象，称为结构消光。
结构消光实例----金刚石型结构F值计算
➢每个晶胞中有8个同类原子，其坐标为:
(0, 0, 0)，(1/2, 1/2, 0)，(1/2, 0, 1/2)， (0, 1/2, 1/2)，(1/4, 1/4, 1/4)， (3/4, 3/4, 1/4) ， (3/4, 1/4, 3/4), (1/4, 3/4, 3/4)。
1:2:3:4:5:6:8…
(HKL)
I
简单立方P格子
o
40o 2
60o
(2) 计算体心点阵晶胞的FHKL与|FHKL|2 值 ➢ 每个晶胞中有2个同类原子，其坐标为
(0, 0, 0)， (1/2, 1/2, 1/2)。这两个原子散射
因子均为 f ，代入结构因子表达式:
FHKL = fj exp[2i(Hxj + Kyj + Lzj)] 得FHKL = f e2i(0+0+0) + f e2i( H/2+K/2+L/2)
= f [e2i0 + ei(H+K)]
= f [1 + (-1)(H+K)]
➢由FHKL = f [1 + (-1)(H+K)] ➢可见：对于底心C点阵：
材料科学基础典型习题助解
材料科学基础基本概念及典型习题助解前言一结晶学基础1.1为什么研究晶体结构要使用任意坐标系？晶体是构成晶体的物质基元在三维空间重复排列而形成的固态聚集体。
在研究某种晶体时，通常把那种晶体的布拉菲晶胞作为晶体的结构基元。
用数学方法研究晶体时，需要在晶体中建立坐标系以确定晶体中某指定晶胞的空间方位。
通常，以布拉菲晶胞的某个结点的空间位置来表征该晶胞的空间位置。
确定某个晶胞的一个结点作为坐标原点，以过坐标原点的三条不共面棱边作为三条坐标轴的基矢建立的坐标系，能够保证每一个晶胞的相同结点的坐标值都为整数。
这一点很重要，它能保证我们对晶体模型进行数学研究时有一个相对简捷的过程和结果。
自然界中的物质，绝大多数在微米尺度上是有序的，即所谓长程有序。
这是我们用晶体模型研究材料结构的前提。
自然界中的物质结构千变万化，用正交等长度坐标系很难甚至不能对晶态结构进行有效的描述和研究，根据每一种晶体结构建立相应的坐标系具有实用价值。
这就是我们研究和运用任意坐标系的意义所在。
三维空间可用三轴坐标系描述。
三条坐标轴的单位长度各不相同，每两条坐标轴之间的夹角也不相同的坐标系称为任意三轴坐标系。
当三条坐标轴的单位长度相等、任意两条坐标之间的夹角都等于90º时，就得到我们常用的三等轴正交坐标系——笛卡尔坐标系。
当用任意坐标系描述空间某点位置时，应该过该点作三条与坐标轴平行的直线，使这三条直线所确定的三个平面与三条坐标轴所确定的三个平面结合构成一个平行六面体。
这个平行六面体的三条共点不共面的棱边长除以相应坐标轴的单位长度后就是被描述点的坐标。
更便捷的做法是：要确定某点A在任意坐标系O-xyz中的的z坐标，就通过A点作一条平行于O-xy面的直线，使其与z轴相交，交点处的z值就是A点的z坐标；x、y坐标类推。
需要特别注意的是被描述点的各个坐标轴向长度与相应坐标值的区别。
每个坐标轴向长度除以相应的单位长度后才是该轴向的坐标值。
譬如：在一个x轴单位长度为1Å；y轴单位长度为2Å；z轴单位长度为3Å的任意坐标系O-xyz中，A（1,1,1）的三个轴向长度分别是1Å；2Å；3Å。
材料测试答案1(1)
1．名词解释：相干散射（汤姆逊散射）：入射线光子与原子内受核束缚较紧的电子（如内层电子）发生弹性碰撞作用，仅其运动方向改变而没有能量改变的散射。
又称弹性散射；不相干散射（康普顿散射）：入射线光子与原子内受核束缚较弱的电子（如外层电子）或晶体中自由电子发生非弹性碰撞作用，在光子运动方向改变的同时有能量损失的散射。
又称非弹性散射；荧光辐射：物质微粒受电磁辐射激发（光致激发）后辐射跃迁发射的光子（二次光子）称为荧光或磷光，吸收一次光子与发射二次光子之间延误时间很短（10-8~10-4s）称荧光，延误时间较长（10-4~10s）则为磷光；（有待确定）俄歇效应：如原子的退激发不以发射X射线的方式进行则将以发射俄歇电子的德方式进行，此过程称俄歇过程或俄歇效应；吸收限：当入射X射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时，产生光电效应。
与此能量阈值相应的波长称为物质的吸收限。
晶面指数与晶向指数：为了表示晶向和晶面的空间取向（方位），采用统一的标识，称为晶向指数和晶面指数；晶带：晶体中平行于同一晶向的所有晶面的总体干涉面：晶面间距为d HKL/n、干涉指数为nh、 nk、 nl的假想晶面称为干涉面X射线散射：X射线衍射：X射线反射：结构因子：晶胞沿（HKL）面反射方向的散射波即衍射波F HKL是晶胞所含各原子相应方向上散射波的合成波，表征了晶胞的衍射强度；多重因子：通常将同一晶面族中等同晶面组数P称为衍射强度的多重性因数。
罗仑兹因子：系统消光：因︱F︱2=0而使衍射线消失的现象称为系统消光。
2．讨论下列各组概念中二者之间的关系：1）同一物质的吸收谱和发射谱；答：当构成物质的分子或原子受到激发而发光，产生的光谱称为发射光谱，发射光谱的谱线与组成物质的元素及其外围电子的结构有关。
吸收光谱是指光通过物质被吸收后的光谱，吸收光谱则决定于物质的化学结构，与分子中的双键有关。
2）X射线管靶材的发射谱与其配用的滤波片的吸收谱。
全国高中生化学竞赛试题2 晶体结构(答案)
晶体结构答案第1题（6分）所有原子都是Mg （得3分）所有原子都是O （得3分）画更多原子者仍应有正确几何关系。
第2题（5分）2-1MgB 2（2分）（注：给出最简式才得分）2-2或a =b ≠c ，c 轴向上（3分）（注：任何能准确表达出Mg :B =1:2的晶胞都得满分，但所取晶胞应满足晶胞是晶体微观空间基本平移单位的定义，例如晶胞的顶角应完全相同等。
）第3题（10分）3-1①12②2③钠（各1分，共3分）3-2晶胞体积V =[2×(116pm +167pm)]3=181×106pm 3离子体积v =4×43π(116pm)3+4×43π(167pm)3=104×106pm 3v /V =57.5%（1分）（有效数字错误扣1分，V 和v 的计算结果可取4位，其中最后1位为保留数字，不扣分。
）3-3表面原子为8(顶角)+6(面心)+12(棱中心)=26总原子数为8(顶角)+6(面心)+12(棱中心)+1(体心)=27表面原子占总原子数26/27×100%=96%（1分）注：26和27均为整数值，比值26/27是循环小数0.962，取多少位小数需根据实际应用而定，本题未明确应用场合，无论应试者给出多少位数字都应按正确结果论。
3-4计算分两个步骤：步骤一：计算表面原子数。
可用n =2、3的晶胞聚合体建立模型，得出计算公式，用以计算n =10。
例如，计算公式为：[8]+[(n -1)×12]+[n ×12]+[(n -1)2×6]+[n 2×6]+[(n -1)×n ×2×6]顶角棱上棱交点棱上棱心面上棱交点面上面心面上棱心n =10，表面原子总数为2402（2分）步骤二：计算晶胞聚合体总原子数n 3×8+[8]×7/8+[(n -1)×12]×3/4+[n ×12]×3/4+[(n -1)2×6]/2+[n 2×6]/2+[(n -1)×n ×2×6]/2=8000+7+81+90+243+300+540=9261（2分）表面原子占总原子数的百分数：(2402/9261)×100%=26%（1分）（注：本题计算较复杂(还有更简单的计算方法)，若应试者用其他方法估算得出的数值在26%左右2个百分点以内可得3分，3个百分点以内可得2分，其估算公式可不同于标准答案，但其运算应无误。
材料分析测试技术-试卷及答案
制卷人签名：制卷日期：审核人签名：： 审核日期： ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………装……………………订……………………线…………………………………………………………………得二、名词解释(每题4，共20分) 分1.晶带轴[uvw]和零层倒易截面(uvw)*2.电磁透镜的景深与焦长3.明场像、暗场像和中心暗场像4.物质对X射线的线吸收系数和质量吸收系数5.荧光产额和俄歇产额得三、简答题(每题6分，共30分)分1.高能电子束与固体样品相互作用时将产生那些信号？简述其产生原理，并说明这些信号在材料的性能表征方面有何应用？2.电磁透镜的像差有哪几种，并简述其产生原因及克服方法。
3.分别说明透射电镜中成像操作与衍射操作时各级透镜(像平面与物平面)之间的相对位置关系，并画出光路图。
4.简述用X射线衍射仪对多相物质进行物相定性分析的基本程序。
2. 证明TEM 中的电子衍射基本公式)(hkl g L R L Rd G G λλ==。
3. 证明衍射分析中的厄瓦尔德球图解与布拉格方程等价。
制卷人签名：制卷日期：审核人签名：： 审核日期： ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………装……………………订……………………线…………………………………………………………………参考答案：背散射电子：背散射电子是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。
其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。
背散射电子的产生范围深，由于背散射电子的产额随原子序数的增加而增加，所以，利用背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。
(1分) 二次电子：二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。
固体物理(胡安)课后答案
第 晶体的结构及其对称性1.1石墨层中的碳原子排列成如图所示的六角网状结构，试问它是简单还是复式格子。
为什么？作出这一结构所对应的两维点阵和初基元胞。
解：石墨层中原子排成的六角网状结构是复式格子。
因为如图点A 和点B 的格点在晶格结构中所处的地位不同，并不完全等价，平移A →B,平移后晶格结构不能完全复原所以是复式格子。
1.2在正交直角坐标系中，若矢量k l j l i l R l 321++=，错误！未找到引用源。
i，j，k 为单位向量。
错误！未找到引用源。
为整数。
问下列情况属于什么点阵？（a ）当i l为全奇或全偶时； （b ）当i l之和为偶数时。
解： 112233123l R l a l a l a l i l j l k=++=++ 错误！未找到引用源。
()...2,1,0,,321±±=l l l当l 为全奇或全偶时为面心立方结构点阵，当321l l l ++错误！未找到引用源。
之和为偶数时是面心立方结构 1.3 在上题中若=++321l l l 错误！未找到引用源。
奇数位上有负离子，=++321l l l 错误！未找到引用源。
偶数位上有正离子，问这一离子晶体属于什么结构？解：是离子晶体，属于氯化钠结构。
1.4 （a ）分别证明，面心立方（fcc ）和体心立方（bcc ）点阵的惯用初基元胞三基矢间夹角相等，对fcc 为错误！未找到引用源。
，对bcc 为错误！未找到引用源。
（b ）在金刚石结构中，作任意原子与其四个最近邻原子的连线。
证明任意两条线之间夹角θ均为'1c o s109273a r c ⎛⎫-= ⎪⎝⎭'1c o s109273a r c ⎛⎫-= ⎪⎝⎭解:（1）对于面心立方()12a a j k =+ 错误！未找到引用源。
()22a a i k =+ ()32a a i j =+13222a a a a === ()1212121602a a COS a a a a ⋅⋅===()2323231602a a COS a a a a ⋅⋅===()1360COS a a ⋅=（2）对于体心立方()12a a i j k =-++ ()22a a i j k =-+ ()32a a i j k =+-12332a a a a === ()12'12121129273a a COS a a a a ⋅⋅==-=()'1313131129273a a COS a a a a ⋅⋅==-=()'2312927COS a a ⋅=（3）对于金刚石晶胞()134a i j k η=++()234a i j k η=--()2212122122314934a COS a ηηηηηη-⋅⋅===-错误！未找到引用源。
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金刚石的消光规律--晶体结构题目例
（4）金刚石的消光规律计算举例：
金刚石结构中C 的原子坐标： （000）（1/2 1/2 0）(1/2 0 1/2)(0 1/2 1/2) (1/4 1/4 1/4) (3/4 3/4 1/4) (3/4 1/4 3/4) (1/4 3/4 3/4)
F hkl =∑f j e 2πi(hxj+kyj+lzj)
=fe 2πi(0)+fe 2πi(h/2+k/2)+fe 2πi(h/2+l/2)+fe 2πi(k/2+l/2) +fe
2πi(h/4+k/4+l/4)
+fe
2πi(3h/4+3k/4+l/4)
+fe
2πi(3h/4+k/4+3l/4)
+fe
2π
i(h/4+3k/4+3l/4)
前四项为面心格子的结构因子，用F F 表示，后四项可提出公因子e πi/2(h+k+l)。
得： F hkl =F F +fe
πi/2(h+k+l)
(1+e
πi (h+k)
+e
πi (h+l)
+e
πi (k+l)
)
= F F +F F e πi/2(h+k+l)
=F F (1+ e
πi/2(h+k+l)
)
(1) 由面心格子可知，h 、k 、l 奇偶混杂时，F F =0，F=0；
(2) h 、k 、l 全为奇数，且h+k+l=2n+1时, 1+ e
πi/2(h+k+l)
=1+cosπ/2(h+k+l)+i
sinπ/2(h+k+l)
=1+cosπ/2(2n+1)+i sinπ/2(2n+1)
=1+(-1)n
i F=4f(1±i) F 2
=16f 2
(1+1)=32f
(3) h 、k 、l 全为偶数，且h+k+l=4n 时 F=4f(1+e 2niπ) = 4f(1+1) = 8f (4) h 、k 、l 全为偶数，且h+k+l≠4n，即h+k+l=2(2n+1)时 F=4f(1+e (2n+1)iπ
)=4f(1-1)=0
对于金刚石
各原子的分数坐标为
）（,0,00，）（,021,21，），（,21,021， ），，（,2
1210 ）（41,41,41，）（41,43,43，）（43,43,41，
）（4
3
,41,43
由结构因子得
)
()()(0[F l k i l h i k h i hkl e e e e f ++++++=πππ
]
)33(2
)33(2
)33(2
)(2
l k h i l k h i l k h i l k h i e
e
e
e
++++++++++++π
π
π
π
=)
()()
(1[l k i l h i k h i e e e
f ++++++πππ
)]
1()()()()(2
l h i l k i k h i l k h i e e e e
+++++++++ππππ
=]
1][1[)(2
)()()
(l k h i l k i l h i k h i e
e e e
f +++++++++π
πππ
令
]1[)()()(1l k i l h i k h i e e e F ++++++=πππ
]
1[)(2
2l k h i e
F +++=π
则有
2
1F F F hkl =
F 1是面心结构的结构因子，当h,k,l 奇偶混杂时 F 1=0
所以结金刚石结构而言，当h,k,l 奇偶混杂时
F =hkl ，即0
I
=hkl
；
对于F 2
当h,k,l 全为偶数，且h+k+l=4n+2时，由于 01e 1)12(2
=+=+=+π
πi i
n e F
从而
F =hkl ，即0
I
=hkl
；
当h,k,l 全为偶数，且h+k+l=4n 时，由于 F 1=4，F 2=2 所以，
f
8F =hkl ，2
64I
f
hkl
=
当h,k,l 全为奇数，则h+k+l 为奇数，h+k,h+l,k+l 则全为偶。
令h+k+l=2n+1 F 1=4, i
1e
1F )2
1
(n 2±=+=+i
π
i)
14F ±=（hkl ，2
232||I
f
F hkl
==
即有：
金刚石的消光规律：
h,k,l 全为奇，或h,k,l 全为偶，且k+h+l=4n 时；衍射不消光。
而当：h,k,l 奇偶混杂，或是h,k,l 全为偶，且k+h+l=4n+2时；衍射不出现，消光。
对于NaCl 晶体 各原子的分数坐标为
Na ）（,0,00，），，（,21210,）（,021,21，），（,2
1
,021，
Cl ）（,0,021，）（,0210,，）（210,0,，）
（2
1
,21,21 由结构因子得
][F )()()(0Na l k i l h i k h i hkl e e e e f ++++++=πππ]
[)(ππππl k h i il ik ih cl e e e e f ++++++
当h,k,l 奇偶混杂时, 0F =hkl
当h,k,l 全为偶数 Na
4F f hkl
=cl
f 4+
当h,k,l 全为奇数 Na
4F f hkl
=cl
f 4-
即有：
NaCL 的消光规律：
h,k,l 全为奇，Na 的衍射线，受到Cl 的衍射线干涉，抵消了一部分，衍射线较弱。
h,k,l 全为偶，Na 的衍射线，和Cl 的衍射线迭加加缋，因而衍射线较强。
h,k,l 奇偶混杂时，系统消光。
在NaCl晶体的粉末实验中，采用Cu Ka X
射线，其波长为 1.542A，照相机直径
D=2R=57.3mm。
指标化结果
线号强度2L 角度θsin2θ
h2+k2+l2 hkl a
1 w 27.45
2 13. 726 0.05630
3 111 5.628
2 s 31.802 15.901 0.07501
4 200 5.630
3 s 45.59
4 22.797 0.1501
8 220 5.629
4 w 54.04
5 27.023 0.2064
11 311 5.628
5 s 56.660 28.330 0.2252 12 222 5.628
6 s 66.454 33.22
7 0.3003
16 400 5.628
7 w 73.329 36.664 0.3566
19 331 5.628
8 s 75.561 37. 780 0.3753 20 420 5.628
由计算得到的a=5.628A，及密度2.165gcm-3，计算得Z=4.
(强度规律同上，表明其坐标分数)
用粉末法测铜的物相并指要化得到如下一套数据。
(复旦) (12分)
L（mm）22.0 25. 7 27. 7 45.2 47.8 58. 7 68.5 72.8
θ2
sin0.1403 0.1881 0.3789 0.5035 0.5488 0. 7302 0.8656 0.9126
2
2l
2
h+
+ 3 4 8 11 k
12 16 19 20
已知铜是立方晶系，密度为8.9g cm-3，x 射线为154.18pm。
求（1）铜的点阵型形式（2）晶胞参数（3）每个晶胞中的原子数。
（北大）：MnS 晶体属立方晶系。
用X-射线粉末法（154.05pm），测得各衍射线 2值如下：29.600，34.300，49.290，58.560，61.390，79.280，82.500，92.510，113.040
（1）计算确定该晶体的空间点阵型式
（2）计算给各衍射线指标化
（3）计算该晶体正当晶胞参数
（4）260C测得该晶体的密度为4.05 g cm-3，请计算一个晶胞的离子数。
（5）发现该晶体在（a+b）和a方向上有镜面，而在(a+b+c)方向向有C3轴，请写出该晶体点群的熊夫符号和国际符号。
θsinΘh2+k2+l2h k l
（北大，12分）：某立方晶系的晶体，用CuKa-
射线（154.2pm），摄取其粉末衍射图，测得各衍射线 2值如下：
44.620，51.900，76.450，93.060，98.570，122.120，145.000，156.160
（1）给各衍射线指标化
（2）确定该晶体的空间点阵型式
（3）计算该晶体晶胞参数
（4）实验测得该晶体的密度为8.908 g cm-3，若将其结构视为等径圆球密堆积结构，计算其摩尔质量。
（5）用点阵面指标表示该金属密置层的方向，计算相应的点阵面间距。
（6）用分数坐标表明该金属晶体中八面体空隙的中心位置。
θsinΘh2+k2+l2h k l
（南大，10分）用CuKa-射线（1.542A）和标准相机（直径为57.3毫米），进行NaCl晶体的衍射实验。
由粉末衍射图指标化得其衍射指标为奇偶混杂者系统消光。
在图中量得衍射指标为220的一对弧线间距为44.6毫米。
指出NaCl晶体的点阵类型，计算晶胞参数，和相邻Na离子和Cl离子间距，写出Na和Cl离子的分数坐标。