素晶胞与复晶胞(体心晶胞、面心晶胞和底心晶胞)

时间:2007-04-29
 有一个真实的故事:有我的一个学生写了一份讲晶胞的讲稿,把晶胞说成晶体的“平移单位”,我读后把“”改为“基本”,指出晶胞不一定是晶体微观空间的“”平移单位,写稿人却并不体会,仍不能改掉晶胞是“”平移单位的说法。这一错误是忘记了有两类晶胞——素晶胞复晶胞。只有素晶胞才是平移单位,是不可能再小的晶胞,而且,它的内容物,即晶胞内的原子的集合是微观晶体周期性平移的单元,即结构基元;然而,人们有时并不用素晶胞来表达晶体结构,例如,氯化钠晶体,其素晶胞是一个夹角60o的菱方晶胞,可是通常人们都用比这个素晶胞大得多的面心立方晶胞来表达氯化钠结构,后者是复晶胞,其内容物是素晶胞的4倍。为什么这样呢?原来,晶胞的取用,首先必须反映晶体的微观对称性(230空间群),然后人们才选取尽可能小的体积。这两个条件是分先后满足的,于是,如果选用素晶胞不能充分反映晶体的微观对称性,就不得不选用复晶胞。为满足部分读者,我将在本文专门讨论这个问题。总之,复晶胞是素晶胞的多倍体,分体心晶胞(2倍体),符号I面心晶胞(4倍体),符号F,和底心晶胞,符号A、BC(2倍体)三种。
  体心晶胞的特征是可作体心平移;反之,不能作体心平移的晶胞不是体心晶胞。检验晶胞内的原子是否存在体心平移关系简单的方法是:将晶胞的框架(围拢晶胞的多面体)的顶角移到原晶胞的体心位置(晶胞内外原子的位置保持在原位不动),考察一下:移位的框架围拢的“新晶胞”里所有原子的位置是否与原晶胞里所有原子的位置一一对应地相等,如果相等,表明晶胞具有“体心平移”的特征,这种晶胞就是体心晶胞,若不是,这种晶胞就不是体心晶胞。在晶体学上,体心平移用+(1/2,1/2,1/2)来表示,意思是原晶胞中的半数原子与另半数原子的关系是在它们的坐标加上1/2,1/2,1/2 的向量发生“分数平移”的关系。例如,体心球是顶角球的坐标0,0,0加1/2,1/2,1/2,即发生体心分数平移的产物。上面我们移动晶胞的“框架”得到的“新晶胞”中的任一原子与原晶胞位置相同原子的关系正是这种分数平移关系。因此,体心晶胞中原子的数目等于“结构基元”的2倍。
  [讨论题] 中哪个晶体的晶胞(用实线围起)是体心晶胞?
  [答案]金属钠的晶胞是体心晶胞,可作体心平移,所得用虚线围起的新晶胞与原晶胞中所有原子的坐标相同;氯化铯的晶胞不是体心晶胞,不能作体心平移,原晶胞的“框架”移动后,所得“新晶胞”(虚线围起)里的氯原子和铯原子的原子坐标与“原晶胞”不同。
  [讨论题]的亚硝酸钠和金红石(TiO2)晶胞哪个是体心晶胞?为什么?
  [答案] 亚硝酸钠是体心晶胞,金红石是素晶胞。
  [讨论题]赤铜矿晶胞(a = 426 pm)()是否体心立方晶胞?
  [答案]不是体心立方晶胞。若将体心氧原子改为晶胞原点,原晶胞的“框架”平移后得到的新晶胞中铜原子的坐标是1/4,1/4,1/4,……,与原晶胞不同,因此不能作体心平移。该晶胞是素立方晶胞。
  [讨论题] 黄铜矿晶胞是体心四方晶胞吗()?[答案] 是体心四方晶胞。
   面心晶胞的特征是可作面心平移,将原晶胞框架的顶角平移原晶胞的任一面心位置得到的新晶胞与原晶胞无差别。说明原晶胞里的原子可以分成4等份,其中3份原子是份原子作面心平移的产物。因此,面心晶胞中的原子是结构基元的4倍。在晶体学上,面心平移的符号是+(1/2,1/2,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2)。
  [讨论题]中哪些晶体的晶胞是面心晶胞?
  [讨论题]金刚石、钙钛矿、干冰的晶胞是不是面心晶胞()?


  底心晶胞的特征是:将晶胞的框架的顶角移至晶胞的某一对面的中心所得的新晶胞与原晶胞无差别。说明晶胞里的半数原子是另半数原子作“底心平移”的产物,即该晶胞是结构基元的2倍体。在晶体学上底心平移的符号是+(1/2,1/2,0)(C底心);或+(0,1/2,1/2)(A底心);或+(1/2,0,1/2)(B底心)。底心平移是指其中之一。底心晶胞较少,的碘是底心晶胞的一个例子。
  的A、B、C编序与底心符号是一致的(参考图中的坐标系),但只有将晶胞框架的顶角移至ac面的面心,所得新晶胞才与原晶胞无差别,若移至bc面心或ab面心,得到的新晶胞中的原子坐标不同于原晶胞,因此不能作A或C平移,故碘是B底心(注意:底心符号是与坐标系匹配的,若颠倒长短轴的顺序,底心符号自然会改变,因而可能别的书上碘的底心符号与本文不同)。
  注释
  ① 单斜晶胞的取向常见有两种,一种定义β≠90o, 另一种定义γ≠90o,前者为化学家习用。“菱方”是本文作者的建议译名,其原文是“rhombohedral”,《化学化工词典》译为“菱面体”。有些国内外教科书和科学文献中把它称为“trigonal”,译为中文是“三方”,这些教材和文献的提法与晶体学权威著作《晶体学国际表》(1983)是不一致的,应予以纠正才是。
  ② 有时为说明晶胞中原子的对称关系,原子坐标常取负数,如“3/4”也可写成“-1/4”等。
  ③ 这里“等同”的英文是identical。等同原子(identical atoms)是指通过x,y,z为整数值的平移能够重复的原子。在晶体学里还常使用equivalent一词来讨论晶胞中原子的相关性,后者不应译为等同,而应译为等效或等价。等效原子(equivalent atoms)是指通过镜面反映、旋转轴旋转等等对称操作相互变换的原子。
  ④ 有的书还增加一个选取晶胞的原则:“尽可能多的直角”。其实,晶胞有多少直角,是晶体对称性决定的,不是愿意多少的问题。


  
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