结晶学及其发展简史

结晶学 ( crystallography) 亦称晶体学，它是以晶体为研究对象的一门自然科学。但近 20 多年来，由于准晶体的发现以及由此引起的对晶体中某些现象认识的演变，晶体的内涵也相应有所变化。对此虽然目前尚未达成完全的***识，但肯定无疑的是包括准晶体及其他所谓的非周期晶体 ( 参见 10. 3 节) 都在内的、广义的各类 “晶体”，都是现代结晶学研究的对象。

晶体虽然早在史前时代就已以其天然多面体之晶莹瑰丽、万姿千态、鬼斧神工、浑然天成的特质而为人类所知晓，然而直至 1669 年，由于在同种结晶多面体中对应晶面间夹角守恒规律的发现，人们才打开了对晶体本质之科学认识的大门，并为之后结晶学的诞生奠定了第一块基石。基于当时人们以为只有那些存在于岩石中且具有天然多面体外形的矿物才是晶体，因而在其后的大约 200 年内，在对晶体外形规律的研究和由表及里地对内部结构的探索工作中，结晶学曾长期作为矿物学的一个主要分支而在其中发育和成长。其间随着人们对晶体认识的不断深化，发现晶体的分布范围日益超越了矿物的范畴，从而使结晶学从矿物学中逐渐脱颖而出，最终成为涉及众多学科领域的一门独立学科。

在 18 世纪末到 19 世纪初期间，人们取得了大量晶体测角的实际资料，从而促使结晶学进入了一个快速发展的时期。到了 19 世纪上半叶，关于晶体外形之种种宏观几何性质及其理论的全面研究，即几何结晶学 ( geometrical crystallography) 的发展已臻于成熟。在此基础上，兴起了对晶体内部结构规律的新一波深入探究。在化学理论知识和数学方法的融合之下，到 19 世纪 80 年代末，有关晶体结构的格子构造几何理论和原子分布的空间群对称理论都已发展成为完整的经典理论，只待实际检验了。

1912 年，以 X 射线照射硫酸铜晶体使之产生衍射的实验取得了预期的结果和巨大的成功。它既完全证实了早先关于晶体内部结构理论的正确性，并确证了 X 射线乃是波长很短之电磁辐射的本质，更开拓了实际测定晶体以及其他凝聚态物体之微观结构的广阔途径，具有划时代的里程碑意义; 同时也为经典结晶学向现代结晶学的过渡创造了必要的前提条件。1913 年，一门全新的分支学科———X 射线晶体学 ( X-ray crystallography) 宣告诞生; 同时，NaCl 晶体作为历史上的首例，其具体的晶体结构也被成功地实际测定。由此又使晶体结构学 ( crystallology) 和晶体物理学 ( crystallophysics) 都获得了迅猛的发展，并在晶体中发现了诸如半导体性能等一系列特异的现象，并将它们作为晶体功能材料广泛地应用于各种高科技中。

与此同时，正是在以上结晶学分支学科及其他相关学科蓬勃发展所取得巨大成果的基础上，使得曾长期在结晶学中孕育着的另一个主要分支，以研究晶体的化学组成与晶体结构及晶体的化学、物理性质间关系之规律性为任务的晶体化学 ( crystallochemistry) ，得以在 20 世纪初以崭新的面貌正式问世，且迅速取得了长足的进展。而在继 X 射线衍射技术之后发展起来的电子衍射和中子衍射，还有以可达纳米量级之超微区、高分辨能力为特点的各种电子显微术，除可弥补 X 射线衍射方法的某些不足外，更能揭示在晶体实际结构中相当普遍地存在的种种晶格缺陷和其他许多超微结构现象，而且由它们还可解读出有关晶体生长和变化过程中的许多信息。正是运用这些高新技术，在 20 世纪 80 年代先后发现了两种新的凝聚态物体———准晶体和介观晶体，并开创了全新的准晶体学和介观结晶学( 参见 1. 4 小节) 新领域。

此外，对于晶体生成的研究，虽早在发现对应晶面间夹角守恒关系的同时就已开始了，但晶体生成学 ( crystallogeny) 作为结晶学的又一个主要分支学科则始于 19 世纪中叶。而晶体生长理论的问世则是结晶学与热力学及物理化学相结合的结晶。另一方面，随着现代科技生产的快速发展，对于晶体材料的需求剧增，因而也推动了晶体人工合成方法的进步和创新，以及对新晶体材料的研究和开发。显然，以上两方面也是促进结晶学各分支全面发展的重要因素。

总之，结晶学是有着悠久的历史，而且在近100年来发展特别迅速的一门自然科学。由于晶体的分布十分广泛，使得结晶学与化学、物理学、地球科学、生物学、数学以及材料科学等学科间都有着广泛深入的相互交融、促进、协作和贡献，并在现代科学中发挥着日益重要的作用。

当前，开发具有重大实用意义的晶体(指包括准晶体等在内的广义上的晶体)，综合研究它们的成分、结构、物性和形成条件，发展新的晶体合成技术，已成为当代科学的重大课题之一和科学技术进步的一个重要因素，而这更是时代赋予结晶学的重任。