查看“︁晶体学”︁的源代码

[[File:Stohrem.jpg|thumb|结晶固体：[[钛酸锶]]的原子分辨率图像。 较亮的原子是[[锶]]，而较暗的原子是[[钛]]。]]

'''晶体学'''，又称'''结晶学'''（{{lang-en|Crystallography}}），是一门以确定[[固体]]中[[原子]]（或[[离子]]）排列方式为目的的[[实验科学]]。“晶体学”一词原先仅指对各种晶体性质的研究，但随着人们对[[微观]]尺度上的认识加深，其词义已大大扩充。

在[[X射线]][[衍射]]晶体学提出之前（介绍见下文），人们对[[晶体]]的研究主要集中于晶体的[[点阵]]几何上，包括测量各[[晶面]]相对于理论参考[[坐标系]]（晶体坐标轴）的夹角，以及建立晶体点阵的[[对称性|对称]]关系等。夹角的测量用[[测角仪]]完成。每个晶面在三维空间中的位置用它们在一个立体球面坐标“网”上的投影点（一般称为投影“[[极(晶体学)|极]]”）表示。坐标网的又根据不同取法分为<U>Wolff网</U>和<U>Lambert网</U>。将一个晶体的各个晶面对应的极点在坐标网上画出，并标出晶面相应的[[密勒指数]]，最终便可确定晶体的对称性关系。  

现代晶体学研究主要通过分析晶体对各种[[电磁波]]束或[[粒子]]束的衍射图像来进行。辐射源除了最常用的X射线外，还包括[[电子]]束和[[中子]]束（根据[[德布罗意]]理论，这些基本粒子都具有'''波动性'''，参见条目[[波粒二象性]]），可以表现出和光波类似的性质）。晶体学家直接用辐射源的名字命名各种标定方法，如'''[[X射线衍射]]'''（常用英文缩写XRD），'''[[中子衍射]]'''和'''[[电子衍射]]'''。

以上三种辐射源与晶体学试样的作用方式有很大区别：X射线主要被原子（或离子）的最外层[[价电子]]所[[散射]]；电子由于带负电，会与包括[[原子核]]和[[核外电子]]在内的整个空间电荷分布场发生相互作用；中子不带电且质量较大，主要在与原子核发生碰撞时（碰撞的概率非常低）受到来自原子核的作用力；与此同时，由于中子自身的[[自旋]][[磁矩]]不为零，它还会与原子（或离子）[[磁场]]相互作用。这三种不同的作用方式适应晶体学中不同方面的研究。

==基本理论==
{{凝聚体物理学}}
普通显微成像的原理是利用[[光学]]透镜组汇聚来自待观测的物体的[[可见光]]，进行多次成像放大。然而，可见光的[[波长]]通常要远大于固体中[[化学键]]的[[键长]]和[[原子]]尺度，难以与之发生[[物理光学]]作用，因此晶体学观测学要选择波长更短的辐射源，如X射线。但一旦使用短波长辐射源，就意味着传统的“显微放大”和“实像拍摄”方法将不能（或难以）应用到晶体学研究中，因为自然界没有材料能制造出可以汇聚短波长射线的[[透镜]]。所以要研究固体中原子或离子（在晶体学中抽象成[[点阵]]）的排列方式，需要使用间接的方法——利用晶格点阵排列的空间周期性。

晶体具有高度的[[有序性]]和[[周期性]]，是分析固体微观结构的理想材料。以X射线衍射为例，被某个固体原子（或离子）的外层电子散射的X射线[[光子]]太少，构成的辐射强度不足以被仪器检测到。但由晶体中满足一定条件（[[布拉格定律]]的多个晶面上的原子（或离子）散射的X射线由于可以发生相长[[干涉]]，将可能构成足够的强度，能被照相[[底片]]或[[感光]]仪器所记录。

==各种表示方法==

{{main|密勒指数}}

* 晶体中的'''[[晶向]]'''用'''方括号'''括起的三个最小[[互质]][[坐标]]值来标出，譬如：'''<nowiki>[100]</nowiki>'''；

* 在对称操作中等价的一组晶向称为'''[[晶向族]]'''，用'''尖括号'''括起的三个最小互质坐标值来标出，譬如<math> <100> </math>。在[[正方晶系]]中，上述晶向族中包含的晶向有<math>[100], [010], [001], [\bar{1}00], [0\bar{1}0], [00\bar{1}]</math>六个晶向；

* '''[[晶面]]'''的密勒指数用'''圆括号'''括起，如'''(100)'''。在正方晶系中，(hkl) 晶面垂直于 [hkl] 晶向；

* 与晶向族的定义类似，在对称操作中等价的一组晶面称为'''[[晶面族]]'''，用'''花括号'''括起，如'''<nowiki>{100}</nowiki>''' 。

==实验技术==

晶体学研究的某些材料，如[[蛋白质]]，在自然状态下并非晶体。培养蛋白质或类似物质晶体的典型过程，是将这些物质的水[[溶液]]静置数天、数周甚至数月，让它通过[[蒸发]]、[[扩散]]而结晶。通常将一滴溶有待结晶物质分子、[[缓冲剂]]和[[沉淀剂]]的水溶液置于一个放有[[吸湿剂]]的密封容器内，随着水溶液中的水慢慢蒸发，被吸湿剂吸收，水溶液浓度缓慢增加，[[溶质]]就可能形成较大的结晶。如果溶液的浓度增加速度过快，析出的溶质则为大量取向随机的微小颗粒，难以进行研究。

晶体获得后，便可以通过衍射方法对其进行研究。尽管当今许多大学和科研单位均使用各种小型X射线源进行晶体学研究，但理想的X射线源却是通常体积庞大的[[同步加速器]]（[[同步辐射]]光源）。同步辐射X射线[[波谱]]宽、强度和准直度极高，应用于晶体学研究可大大提高精确度和研究效率。 

从晶体的衍射花样推测晶体结构的过程称为'''衍射花样的标定'''，涉及较繁琐的数学计算，常常要根据和衍射结果的比较对模型进行反复的修改（该过程一般称为modeling and refinement）。在这个过程中，晶体学家要计算出可能晶格结构的衍射花样，并与实际得到的花样进行对比，综合考虑各种因素后进行多次筛选和修正，最终选定一组（通常不止一种）与实验结果最大程度吻合的猜测作为推测的结果。这是一个异常繁琐的过程，但如今由于[[电脑]]的广泛应用，标定工作已经大大简化了。  

除上述针对晶体的衍射分析方法外，[[纤维]]和[[粉末]]也可以进行衍射分析。这类试样虽然没有单晶那样的高度周期性，但仍表现出一定的有序度，可利用衍射分析得到其内部分子的许多信息。譬如，[[DNA]]分子的双螺旋结构就是基于对纤维试样的X射线衍射结果的分析而提出，最终得到验证的。

==应用==
===在材料科学中的应用===

晶体学是[[材料科学]]家常常使用的研究工具。若所要研究物质为单晶体，则其原子排布结构直接决定了晶体的外形。另外，结晶材料的许多[[物理]]性质都极大地受到晶体内部[[晶格缺陷|缺陷]]（如杂质原子、[[位错]]等等）的影响，而研究这些缺陷又必须以研究晶体结构作为基础。在多数情况下，研究的材料都是多晶体，因此[[粉末衍射]]在确定材料的微观结构中起着极其重要的作用。

除晶体结构因素外，晶体学还能确定其他一些影响材料物理性质的因素。譬如：[[黏土|粘土]]中含有大量细小的鳞片状矿物颗粒。这些颗粒容易在自身平面方向作相对滑动，但在垂直自身平面的方向则极难发生相对运动。这些机制可以利用晶体学中的[[织构]]测量进行研究。

晶体学在材料科学中的另一个应用是'''[[相态|物相]]分析'''。材料中不同[[化学成分]]或同一种化学成分常常以不同[[相态|物相]]的形式出现，每一相的原子结构和物理性质都不相同，因此要确定或涉及材料的性质，相分析工作十分重要。譬如，纯[[铁]]在加热到912℃时，晶体结构会发生从[[体心立方]]（body-centered cubic，简称bcc）到[[面心立方]]（face-centered cubic，简称fcc）的相转变，称为[[奥氏体]]转变。由于面心立方结构是一种密堆垛结构，而体心立方则较松散，这解释了铁在加热过912℃后体积减小的现象。典型的相分析也是通过分析材料的X射线衍射结果来进行的。

晶体学理论涉及各种空间点阵对称关系的枚举，因此常需借助[[数学]]中的[[群论]]进行研究。参见[[对称群]]。

===在生物学中的应用===

[[X射线晶体学]]是确定[[生物大分子]]，尤其是[[蛋白质]]和[[核酸]]（如[[DNA]]、[[RNA]]）[[构象]]的主要方法。DNA分子的双螺旋结构就是通过晶体学实验数据发现的。1958年，科学家（Kendrew, J.C. et al.）首次通过研究生物大分子的[[晶体结构]]，利用X射线分析方法得到了[[肌红蛋白]]分子的空间模型（Nature 181, 662–666）。 如今，研究人员已建立起了[[蛋白质数据库]]（[[蛋白質資料庫]]，PDB），将已测明的蛋白质和其他生物大分子的结构供人们免费查询。利用[[蛋白质结构]]分析[[软件]][[RasMol]]或[[Pymol]]，还可对生物分子结构数据进行可视化。

[[中子衍射技术|中子射线晶体学]]可以与[[X射线晶体学]]互补，获得[[X射线晶体学]]中经常缺失的生物大分子[[氢原子]]位置的信息。

{{le|电子晶体学|Electron crystallography}}应用在某些蛋白质，如[[膜蛋白]]和[[衣壳|病毒壳体蛋白]]结构的研究中。

==相关科学家==
* [[威廉·阿斯特伯里]]（1898-1961）
* [[J·D·伯纳尔|约翰·德斯蒙德·伯纳尔]]（1901-1971）
* [[唐·克雷格·威利]]（{{lang|en|Don Craig Wiley}}）
* [[勒内·朱斯特·阿维]]（1743—1822）
* [[威廉·哈洛斯·密勒]]（{{lang|en|William Hallowes Miller}}）
* [[奥古斯特·布拉菲]]
* [[威廉·亨利·布拉格]]
* [[威廉·劳伦斯·布拉格]]
* 格伦·h·布朗（{{lang|en|Glenn H. Brown}}）
* [[罗伯特·胡贝尔]]
* [[多萝西·克劳福特·霍奇金]]
* [[马克斯·佩鲁茨]]
* [[伊莎贝拉·卡乐]]（Isabella Karle，1921-2017）

==参见==
{{Portal|地球科学}}
{{colbegin}}
* [[原子堆垛因子]]
* [[晶体]]
* [[晶体光学]]
* [[雏晶]] 
* [[结晶过程]]
* [[晶体学群]] 
* [[衍射]]
* [[衍射的动力学理论]]
* [[粉末衍射]]
* [[电子晶体学]]
* [[对称群]]
* [[X射线晶体学]]
{{colend}}

==参考资料==
* 冯端、丘第荣编，《金属物理学》第一卷《结构与缺陷》，科学出版社，北京，1987，ISBN 7-03-006431-3
* 周玉、武高辉编，《材料分析测试技术》，哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨，1998，ISBN 7-5603-1338
* 刘孝敏编著，《工程材料的微细观结构和力学性能》，中国科学技术大学出版社，合肥，2003，ISBN 7-312-01572-7
*新药发现开发技术平台，2007年版，高等教育出版社, ISBN 978-7-04-022039-1
* 罗谷风编，《结晶学导论》, 地质出版社，2010，ISBN 978-7-116064881

==外部链接==
{{commonscat|Crystallography}}
* [https://web.archive.org/web/20060826015700/http://www.rockhounds.com/rockshop/xtal/index.html 晶体学和矿物结晶系统介绍（英文）]
* [https://web.archive.org/web/20080417001743/http://www.iucr.ac.uk/iucr-top/comm/cteach/pamphlets.html 晶体学教学小册子（英文）]
* [https://web.archive.org/web/20080324193801/http://cst-www.nrl.navy.mil/lattice/spcgrp/ 晶体的点阵结构（英文）]
* [https://web.archive.org/web/20060830065044/http://www.ccp14.ac.uk/ 免费的晶体学软件]
* [http://www.ccp4.ac.uk/ 蛋白质晶体学软件包] {{Wayback|url=http://www.ccp4.ac.uk/ |date=20070623055237 }}
* [http://sourceforge.net/projects/tclab/ 相变晶体学计算软件PTCLab] {{Wayback|url=http://sourceforge.net/projects/tclab/ |date=20140714153255 }}

{{地质学}}

{{Authority control}}
{{DEFAULTSORT:J}}
[[Category:化学分支]]
[[Category:凝聚体物理学]]
[[Category:晶体学|*]]
[[Category:仪器分析]]
[[Category:材料科学]]