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出版者:

作者:Clegg, William

出品人:

页数:96

译者:

出版时间:1998-7

价格:$ 45.14

装帧:

isbn号码:9780198559016

丛书系列:

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• 第一次读
• 化学
• 晶体结构分析
• X射线衍射
• 结构解析
• 材料科学
• 化学
• 物理
• 粉末衍射
• 单晶衍射
• 布拉格定律
• 空间群

晶体结构解析：解码物质的微观骨骼 晶体，以其规则的几何形状和内在的秩序感，自古以来便吸引着人类的目光。它们不仅是大自然的鬼斧神工，更是物质科学领域不可或缺的研究对象。从闪耀的宝石到构成生命蓝图的DNA，再到决定材料性能的微观结构，晶体结构扮演着至关重要的角色。然而，肉眼所见的宏伟晶体，其内在的原子排列规律却是隐匿而精密的。《晶体结构解析》 这本书，将带领我们踏上一次深入微观世界的探索之旅，揭示隐藏在晶体表面之下的原子、分子乃至离子的三维空间编织方式，从而解锁物质的内在秘密，驱动科学与技术的飞跃。 为何要解析晶体结构？ 物质的宏观性质，如硬度、导电性、光学特性、反应活性，乃至生物体的功能，都与构成物质的原子或分子在三维空间中的排列方式息息相关。就像建筑物的地基和承重墙决定了整栋建筑的稳定性和功能一样，晶体结构是决定物质性质的基石。 基础科学的基石： 了解晶体结构是理解化学键合、分子间相互作用、相变等化学基本原理的关键。它帮助我们解释为何某些原子会形成特定的键，为何某些化合物具有独特的电子或磁学性质，以及为何物质在不同温度和压力下会呈现出不同的形态。 材料科学的驱动力： 在材料科学领域，晶体结构解析是设计和开发新材料的“蓝图”。通过精确控制晶体的微观结构，我们可以定制材料的力学强度、耐腐蚀性、导热导电性能、催化活性等，从而创造出性能更优异、功能更强大的材料，应用于航空航天、电子信息、能源储存、生物医学等各个前沿领域。例如，对半导体材料晶体结构的深入理解，催生了我们今天所依赖的集成电路；对高分子晶体结构的研究，推动了塑料、纤维等材料的广泛应用。 生命科学的钥匙： 生命体由复杂的分子构成，其中许多重要的生物分子，如蛋白质、核酸（DNA和RNA）、多糖等，都以晶体或半晶体的形式存在。解析这些生物大分子的三维结构，如同绘制生命密码的精确地图，使我们能够理解其功能机制。例如，DNA双螺旋结构的发现，是分子生物学发展的里程碑，为我们揭示了遗传信息的存储和传递方式。蛋白质晶体结构的解析，则让我们得以窥探酶的催化机理，设计靶向药物，以及理解疾病的发生发展。 地质与矿物学的洞察： 地球是由各种矿物晶体组成的，它们在地壳的形成、演化以及资源的形成过程中起着关键作用。通过研究矿物晶体结构，地质学家能够推断地球内部的形成环境、岩石的生成过程，以及预测地震等地质灾害的发生规律。 《晶体结构解析》将带你深入探索什么？ 本书并非空泛的理论堆砌，而是系统性地、深入浅出地介绍了晶体结构解析的理论基础、实验技术、数据处理方法以及最终的结构解析过程。它将引导读者从最基本的概念开始，逐步掌握解析晶体结构所需的知识和技能。 第一部分：晶体学的基本概念与数学语言 在开始解析复杂的三维结构之前，我们首先需要建立坚实的理论基础。本部分将详细阐述： 晶体与非晶体： 区分晶体与非晶体各自的结构特征，理解晶体有序排列的本质。 晶格与基元： 引入晶格（Lattice）和基元（Basis）的概念，理解晶体结构的周期性是这两个要素的组合。我们将学习如何用数学向量描述晶格点在三维空间中的分布。 晶胞： 学习晶胞（Unit Cell）的概念，它是构成晶体的最小重复单元，并掌握选择不同类型晶胞（如原始晶胞、密勒晶胞）的方法。 密勒指数（Miller Indices）： 这是描述晶体平面和晶体方向的强大工具。本书将详细讲解如何根据晶向矢量和晶面截距来确定其密勒指数，以及如何理解密勒指数的几何意义，例如不同晶向平面之间的夹角和间距。 对称性： 对称性是晶体最显著的特征之一。我们将深入探讨晶体中的各种对称元素，如对称轴、对称面、对称中心，以及对称操作。在此基础上，我们将学习如何识别和分类不同的空间群（Space Group），空间群是描述晶体所有可能的对称性的集合，是理解晶体结构的关键。 第二部分：探测晶体内部的“显微镜”——衍射技术 要解析隐藏在微观世界的原子排列，我们需要借助特殊的“探针”。X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）是目前解析晶体结构最常用、最强大的技术。本书将重点介绍： X射线与物质的相互作用： 讲解X射线光子是如何与晶体中的电子发生相互作用，产生散射现象的。 布拉格定律（Bragg's Law）： 这是X射线衍射理论的核心。本书将详细推导和解释布拉格定律 $2d sin heta = nlambda$，它描述了X射线在晶体平面上发生相干衍射的条件，其中 $d$ 是晶面间距，$ heta$ 是衍射角，$lambda$ 是X射线波长，$n$ 是整数。通过测量不同衍射角下的衍射强度，我们可以获取晶体结构的信息。 粉末衍射与单晶衍射： 介绍两种主要的X射线衍射技术。粉末衍射适用于采集大量微小晶粒的衍射数据，常用于物相鉴定和晶格参数测定。单晶衍射则需要高质量的单晶样品，能够提供更丰富、更精确的结构信息，是解析未知晶体结构的首选方法。 衍射仪器的原理与操作： 介绍常用的X射线衍射仪器的基本组成和工作原理，以及样品制备、数据采集的基本步骤。 衍射图谱的解读： 学习如何从衍射图谱（Diffraction Pattern）中识别衍射峰，并初步判断晶体的晶系、晶格参数等信息。 除了X射线衍射，本书还将简要介绍其他重要的衍射技术，如中子衍射和电子衍射，它们各自具有独特的优势，适用于解析特定类型的晶体结构，例如中子衍射对轻原子（如氢原子）的探测尤为敏感，电子衍射则在材料的表面和纳米尺度结构研究中发挥重要作用。 第三部分：从衍射数据到三维结构——解析的艺术 获得衍射数据只是第一步，真正困难且充满挑战的是如何从这些“点”和“强度”中重构出原子在空间中的三维排布。这部分将深入探讨： 倒易空间（Reciprocal Space）： 衍射数据实际上是在倒易空间中获得的。本书将详细解释晶体在实空间中的晶格与在倒易空间中的倒易点阵之间的对应关系，以及衍射图样如何反映倒易点阵的结构。 结构因子（Structure Factor）： 介绍结构因子 $F(hkl)$ 的概念，它是描述晶体中所有原子对特定（hkl）晶面的衍射贡献的总和，其幅值与衍射强度相关，其相位则包含着原子的位置信息。 相位问题（Phase Problem）： 这是晶体结构解析中最棘手的问题之一。由于衍射实验只能测量衍射强度（结构因子的模平方），而无法直接测量其相位，因此如何获得精确的相位信息是结构解析的关键。本书将介绍多种解决相位问题的方法，包括： 初级相位法： 如直接法（Direct Methods），利用统计学方法和对称性来推断初始相位。 中继法（Patterson Methods）： 利用衍射强度计算帕特森函数，该函数直接反映了原子对之间的距离，可以帮助确定重原子或已知原子的位置，进而推断其他原子的位置。 同晶取代法（Isomorphous Replacement）和反常散射法（Anomalous Scattering）： 这些方法常用于解析生物大分子晶体结构，通过引入重原子或利用原子自身的反常散射效应来获得相位信息。 结构精修（Structure Refinement）： 一旦获得了初步的三维原子模型，就需要进行精修，以提高结构的精确度。本书将介绍最小二乘法等精修方法，通过不断调整原子坐标、温度因子等参数，使计算出的衍射图样与实验测量值之间的差异最小化，最终得到最优的晶体结构模型。 模型评估与可视化： 学习如何通过R因子、GOF等指标来评估结构的质量，以及如何使用专业软件将解析出的三维原子模型进行可视化展示，直观地理解晶体结构。 第四部分：晶体结构解析的应用与展望 掌握了晶体结构解析的方法，我们将进一步了解其在各个领域的广泛应用，以及未来的发展趋势。 新材料的理性设计： 如何根据目标性能，设计出具有特定晶体结构的化合物，并指导实验合成。 药物研发的支撑： 蛋白质晶体结构解析在理解药物与靶点相互作用、设计高效低毒药物方面的重要性。 功能材料的探索： 如新型催化剂、能源材料、电子材料的晶体结构与性能之间的关系。 纳米科学与界面研究： 解析纳米材料和晶体表面的原子结构，理解其独特的性质。 自动化与高通量技术： 介绍自动化衍射数据采集和结构解析技术的发展，提高效率。 人工智能在结构解析中的应用： 展望AI在预测晶体结构、解决相位问题等方面的潜力。 《晶体结构解析》的价值所在 本书不仅是一本技术手册，更是一本引领思考的书籍。它将引导读者： 培养严谨的科学思维： 从理论推导到实验操作，再到数据分析，每一个环节都需要严谨细致的态度。 提升解决复杂问题的能力： 晶体结构解析本身就是一个充满挑战的复杂过程，学习如何克服困难，找到解决方案，将极大地锻炼读者的分析和解决问题的能力。 激发跨学科的探索热情： 晶体结构解析的知识和方法贯穿物理、化学、材料、生物、地质等多个学科，本书将为读者打开一扇通往更广阔科学世界的大门。 无论您是化学、物理、材料科学、药学、地质学等专业的学生，还是对物质世界充满好奇的科研人员，亦或是希望了解科学前沿的爱好者，《晶体结构解析》都将是您不可或缺的宝贵财富。它将帮助您拨开迷雾，洞悉物质的内在奥秘，从而在各自的领域中取得突破性的进展，为人类文明的进步贡献力量。

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这本书的价值，我认为很大程度上体现在它对现代计算方法的整合与评价上。在解析流程的后期，关于结构精修和模型优化的讨论，体现了作者紧跟时代脉搏的视野。它细致地比较了不同最小二乘法在处理高分辨率数据时的收敛性和鲁棒性。更重要的是，书中对如何验证和论证所得结构的合理性，提出了非常严格的标准。这包括但不限于几何约束的满足程度、热运动参数的物理意义，以及与已有文献的对比分析。作者反复强调，结构解析的终点并非得到一组坐标参数，而是要能够从这些参数中解读出真实的分子间相互作用和宏观性能的微观根源。这种以“理解”为最终目标的叙事方式，极大地提升了这本书的学术价值，使其成为一本值得反复研读的案头工具书。

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如果要用一个词来形容这本书的阅读体验，我会选择“坚实”。它给人的感觉是极其可靠和可信赖的。书中对晶体化学基础的阐述，尤其是在对称性和群论的应用方面，显得尤为扎实。不同于一些偏重应用层面的手册，这本书真正做到了溯本清源。它详尽解释了如何利用对称性来简化复杂的衍射图谱分析，以及如何通过不可约表示来理解晶体学中的守恒定律。这种对理论根基的深挖，使得读者在面对前沿研究中出现的非正交、高对称性或超结构等复杂情况时，能够拥有更强的分析和应对能力。书中引用的案例大多是教科书级别的经典体系，这些案例的重复出现，起到了温故而知新的作用，帮助读者将新学的知识点与已有的知识体系紧密联系起来，构建起一个稳固的知识框架。

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我不得不说，这本书的叙事节奏把握得相当到位，它并非那种将所有内容一股脑灌输给读者的“百科全书式”著作。相反，它更像是一位经验丰富的老教授，带着你一步步走进晶体结构解析的复杂世界。开篇部分对单晶生长的艺术性描述，就颇具感染力。作者没有止步于讨论如何获得高质量的晶体，而是深入探讨了影响晶体形态和有序性的环境因素，这使得整个过程不再是冰冷的实验操作，而更像是一种对物质世界微观规律的探索与调和。在数据采集和处理的章节，它着重强调了实验仪器的局限性与数据质量评估的重要性。我尤其欣赏它对误差分析的细致讲解，这在很多入门书籍中常常被一带而过。书中关于如何识别和修正系统误差的部分，提供了许多实用的操作建议，这对于实际操作中遇到的各种疑难杂症，提供了可靠的指导方针，避免了许多不必要的试错成本。

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这本书的封面设计着实吸引人，一种深邃的蓝色调搭配着精致的晶体结构图，给人的感觉非常专业和沉稳。初次翻阅时，我就被其中对基础概念的梳理所折服。作者似乎非常擅长将那些看似枯燥的晶体学原理，通过清晰的图示和循序渐进的论述，变得易于理解。例如，书中关于点群和空间群的介绍，不同于我之前接触的教材那样堆砌公式，而是结合了大量的实例和视觉化的解释，让我这个非科班出身的读者也能大致把握其核心逻辑。当然，书中深入探讨了X射线衍射的物理基础，从布拉格定律的精妙推导到倒易空间的几何意义，每一步都力求详尽。那种对物理图像的精准把握，让我在阅读过程中，仿佛亲眼看到了光子与晶体内部电子的相互作用。这种对基础物理背景的重视，对于想要真正理解后续实验技术的读者来说，无疑是宝贵的财富。整本书的排版也十分考究，注释和参考文献的标注都做得恰到好处，显示出作者在学术严谨性上的不懈追求。

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这本书的深度，在于它对“结构解析”这一过程的全面覆盖，而不仅仅局限于理论推导。它跨越了从样品准备到最终结构模型的建立和精修的完整链条。在涉及相位问题和电子密度图解析的部分，作者展现了高超的沟通技巧。那些常被认为是“黑箱操作”的步骤，在这里被层层剥开，揭示了其背后的数学逻辑和统计学基础。例如，对SAYRE方程的介绍和应用，不是简单的公式罗列，而是结合了实际的结构因子计算，让读者能直观地感受到理论是如何指导实验解析的。此外，书中对一些经典解析方法的历史发展和局限性的对比分析，也让人受益匪浅。它没有盲目推崇最新的技术，而是强调对不同方法的适用范围和内在机制的理解，培养读者批判性思维的能力，避免“工具至上”的倾向。

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