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Essentials of Crystallography
发布日期:2015-12-24  浏览

Essentials of Crystallography

[Book Description]

ESSENTIALS OF CRYSTALLOGRAPHY presents a comprehensive study of the essential aspects of crystallography. The topics include a detail discussion of geometry and symmetry of crystals, a simplified approach to derive the point groups and space groups, methods of crystal growth and related theories, imperfections in crystalline solids, various diffraction methods, procedures for solving crystal structures and computing methods in crystallography. Keeping in view the diverse nature of readers, the treatments and the mathematics used in the book have been kept as simple as possible. This book will serve as a textbook to any crystallographic course at Postgraduate and M. Phil. level. In addition, this will be helpful for all researchers in physics, chemistry, biology, mineralogy etc. who are working with crystallography related problems.

[Table of Contents]
Preface to the Second Edition                      v
Preface to the First Edition                       vii
    1 Bravais Lattices in Two Dimensions           1  (15)
      1.1 Introduction                             1  (1)
      1.2 Development of One and Two               2  (1)
      Dimensional Lattices
      1.3 Basis and the Crystal Structure          3  (1)
      1.4 Choice of a Unit Cell                    4  (1)
      1.5 Wigner-Seitz Unit Cell                   4  (2)
      1.6 Primitive Lattice Types and Crystal      6  (2)
      Systems
      1.7 Centering of Plane Lattices              8  (2)
        1 Oblique Lattice                          8  (1)
        2 Rectangular Lattice                      9  (1)
        3 Square and Hexagonal Lattices            9  (1)
      1.8 Two Dimensional Bravais Lattices         10 (1)
      (Plane Lattices)
      1.9 Unit Cell Calculations                   10 (4)
        Distance between Two Lattice Points        10 (2)
        (Oblique System)
        Linear and Planar Atomic Density           12 (1)
        Planar Packing Efficiency                  13 (1)
      1.10 Summary                                 14 (1)
      1.11 Definitions                             14 (2)
        Review Questions and Problems              15 (1)
    2 Bravais Lattices in Three Dimensions         16 (25)
      2.1 Introduction                             16 (1)
      2.2 Development of Three-dimensional         16 (1)
      Lattices
      2.3 Choice of Axes and Unit Cells            17 (2)
      2.4 Derivation of Seven Primitive            19 (2)
      Lattices/Unit Cells
        (i) Oblique Lattice                        19 (1)
        (ii) Rectangular Lattice                   19 (1)
        (iii) Square Lattice                       19 (2)
        (iv) Rhombic Lattice                       21 (1)
        (v) Hexagonal Lattice                      21 (1)
      2.5 Types of Lattice Centering               21 (4)
        1 Body Centering (I)                       21 (1)
        2 Face Centering (F)                       22 (1)
        3 Base Centering (A--, B--, C--)           22 (1)
        4 Rhombohedral Centering                   23 (2)
      2.6 Derivation of Non-primitive              25 (5)
      (Centered) Lattices
        Monoclinic System                          26 (1)
        Orthorhombic System                        27 (2)
        Tetragonal System                          29 (1)
        Cubic System                               29 (1)
      2.7 Number of Lattice Points Per Unit Cell   30 (1)
      2.8 Fractional Coordinates (Oblique          30 (1)
      System)
      2.9 Unit Cell Calculations                   31 (6)
        1 Volume of the Unit Cell                  31 (1)
        2 Distance Between Two Lattice Points      32 (3)
        (Oblique System)
        3 Linear, Planar and Volume Atomic         35 (1)
        Density in Crystals
        4 Volume Packing Efficiency                36 (1)
      2.10 Interplanar Spacing                     37 (2)
      2.11 Summary                                 39 (1)
      2.12 Definitions                             39 (2)
        Review Questions and Problems              39 (2)
    3 Symmetry Elements in Two Dimensions          41 (19)
      3.1 Introduction                             41 (1)
      3.2 Symmetry Elements                        41 (2)
        1 Translation                              42 (1)
        2 Proper Rotation                          42 (1)
        3 Reflection (Mirror Line)                 43 (1)
      3.3 Consistent Combinations of Symmetry      43 (1)
      Operations
      3.4 Combinations of Macroscopic Symmetry     44 (2)
      Operations
        (i) Rotation with a Translation t          44 (1)
        (ii) Rotation and Reflection (Two          44 (2)
        Reflections)
      3.5 Point Groups in Two Dimensions           46 (1)
      3.6 Plane Lattice Consistent with            47 (7)
      Rotational Symmetry
      3.7 Plane Lattice Consistent with Mirror     54 (1)
      Symmetry
      3.8 Combinations of Microscopic Symmetry     55 (1)
      Operations
      3.9 Space Group in Two Dimensions (Plane     55 (2)
      Groups)
      3.10 Summary                                 57 (1)
      3.11 Definitions                             58 (2)
        Review Questions and Problems              59 (1)
    4 Symmetry Elements in Three Dimensions        60 (19)
      4.1 Introduction                             60 (1)
      4.2 Symmetry Elements                        60 (2)
      4.3 Macroscopic Symmetry Elements            62 (1)
      4.4 Combinations of Macroscopic Symmetry     62 (1)
      Operations
      4.5 Rotation at a Point                      62 (2)
      4.6 Axial Combinations (Two Proper           64 (3)
      Rotations)
      4.7 Rotation and Reflection                  67 (1)
      (Rotoreflection)
      4.8 Rotation and Inversion (Rotoinversion)   68 (1)
      4.9 Proper and Improper Rotations            69 (4)
        (a) Monoaxial Combinations                 70 (1)
        (b) Polyaxial Combinations                 70 (2)
        (c) Coexistence of Proper and Improper     72 (1)
        Polyaxials
      4.10 Reflection and Inversion                73 (3)
      4.11 Classification of Symmetry Operations   76 (1)
      4.12 Summary                                 76 (1)
      4.13 Definitions                             77 (2)
        Review Questions and Problems              77 (2)
    5 Derivation of Point Groups                   79 (35)
      5.1 Introduction                             79 (1)
      5.2 Derivation of Point Groups               79 (4)
      (Conventional Method)
        Rotoreflection Channel                     79 (1)
        1 Proper Rotation: X                       80 (1)
        2 Reflection (Mirror Plane): m             80 (1)
        3 Rotoreflection (≡                  80 (1)
        Rotoinversion): X
        4 Axial Combinations: XXX                  80 (1)
        5 Mirror to Rotation Axis: X/m             80 (1)
        6 Mirror || to Rotation Axis: Xm           81 (1)
        7 Mirror to Axial Combinations XXX/m       81 (1)
        8 Mirror || to Axial combinations: XXXm    81 (1)
        Rotoinversion Channel                      81 (2)
      5.3 Point Group Notations                    83 (5)
        Schoenflies Notation                       85 (2)
        Hermann-Mauguin (International) Notation   87 (1)
      5.4 Linear Orthogonal Transformation         88 (2)
      5.5 Symmetry Operations and Group Theory     90 (2)
        Group                                      90 (1)
        Order of the Group                         91 (1)
        Cyclic Group                               92 (1)
        Generators of a Finite Group               92 (1)
        Subgroups and Super Groups                 92 (1)
      5.6 Matrix Representation of Symmetry        92 (5)
      Operations
        (i) Orthogonal Axes                        93 (3)
        (ii) Crystallographic Axes                 96 (1)
      5.7 Derivation of Point Group (Matrix        97 (8)
      Method)
        1 Triclinic Crystal System                 97 (1)
        2 Monoclinic Crystal System                98 (1)
        3 Orthorhombic Crystal System              99 (1)
        4 Tetragonal Crystal System                100(2)
        5 Trigonal Crystal System                  102(2)
        6 Hexagonal Crystal System                 104(1)
        7 Cubic Crystal System                     104(1)
      5.8 Equivalent Positions in Point Groups     105(2)
      5.9 Laue Symmetry                            107(1)
      5.10 Point Groups, Crystal Classes and       107(1)
      Crystal Systems
      5.11 Summary                                 108(1)
      5.12 Definitions                             109(5)
        Review Questions and Problems              110(2)
        Appendix 1                                 112(1)
        Appendix 2                                 112(2)
    6 Derivation of Space Groups                   114(13)
      6.1 Introduction                             114(1)
      6.2 Microscopic Symmetry Elements            114(1)
      6.3 Combination of Microscopic Symmetry      114(3)
      Operations
        Glide Planes                               114(1)
        Axial Glide                                115(1)
        Diagonal Glide                             115(1)
        Diamond Glide                              116(1)
        Screw Axes                                 116(1)
      6.4 General Equivalent Positions and         117(2)
      Special Positions
      6.5 Systematic Absences                      119(2)
        Systematic Absences Due to Lattice         119(1)
        Centering
        Systematic Absences Due to Microscopic     119(2)
        Symmetries
      6.6 Space Groups                             121(1)
      6.7 Classification of Space Groups           121(1)
        The Symmorphic Space Groups                121(1)
        The Non-symmorphic Space Groups            122(1)
      6.8 Derivation of Space Groups               122(3)
        Triclinic Crystal System                   123(1)
        Monoclinic Crystal System                  123(1)
        Orthorhombic Crystal System                123(1)
        Tetragonal Crystal System                  123(2)
        Trigonal Crystal System                    125(1)
        Hexagonal Crystal System                   125(1)
        Cubic Crystal System                       125(1)
      6.9 Summary                                  125(1)
      6.10 Definitions                             125(2)
        Review Questions and Problems              126(1)
    7 Crystal Planes, Directions and Projections   127(23)
      7.1 Crystal Planes and Zones                 127(1)
      7.2 Crystal Directions and Zone Axes         128(3)
        1 The Zone Law                             130(1)
        2 Zone Axis at the Intersection of two     130(1)
        Planes
        3 Plane Parallel to Two Directions         130(1)
        4 The Addition Rule                        131(1)
      7.3 Miller-bravais Indices                   131(1)
      7.4 Transformation of Indices                132(6)
        Transformation of Indices of Crystal       133(1)
        Planes (Unit Cell)
        (i) Rhombohedral and FCC                   133(1)
        (ii) Hexagonal and Orthorhombic            134(1)
        (iii) Rhombohedral and Hexagonal           135(2)
        Transformation of Indices of Direction     137(1)
        (Zone Axes)
        Hexagonal (4-index System) and Trigonal    137(1)
        (3-index System)
      7.5 Crystal Projections                      138(4)
        (i) Projection of Atoms/ions in the        138(1)
        Unit Cell
        (ii) Projection of Crystal Faces           139(1)
        (Miller Planes)
        Spherical Projection                       140(1)
        Gnomonic Projection                        141(1)
        Stereographic Projection                   141(1)
      7.6 The Reciprocal Lattice                   142(5)
        Some Geometrical Relationships             145(1)
        1 The Zone Law                             145(1)
        2 Zone Axis at the Intersection of Two     146(1)
        Planes
        3 A Plane (hkl) Containing Two             146(1)
        Directions [w1v1w1] and [u2v2w2]
      7.7 Summary                                  147(1)
      7.8 Definitions                              148(2)
        Review Questions and Problems              149(1)
    8 Experiment and Theory of Crystal Growth      150(38)
      8.1 Introduction                             150(1)
      8.2 Methods of Crystal Growth                150(1)
      8.3 Solution Growth                          151(6)
        (a) Aqueous Solution Method                152(1)
        (b) Flux Method                            152(2)
        (c) Hydrothermal Method                    154(3)
      8.4 Melt growth                              157(4)
        (a) Bridgman-Stockbarger Method            157(1)
        (b) Czochralski Method                     158(2)
        (c) Zone Refining Method                   160(1)
        (d) Float Zone Method                      161(1)
      8.5 Nucleation                               161(1)
      8.6 Energy of Formation of a Nucleus         162(8)
        (i) Homogeneous Nucleation                 162(5)
        (ii) Hetrogeneous Nucleation               167(1)
        Cap Shaped Nucleus                         167(2)
        Disc--shaped (Cylinderical) Nucleus        169(1)
      8.7 Velocity of Growth                       170(2)
      8.8 Theories/Model of Crystal Growth         172(1)
      8.9 Theories Based on Atomic Model           172(3)
        1 Kossel's Theory                          172(2)
        2 Screw Dislocation Theory                 174(1)
      8.10 Theories Based on Thermodynamics        175(9)
      Considerations
        1 The Diffusion Theory                     175(3)
        2 Bulk Diffusion Model                     178(1)
        3 BCF Bulk Diffusion Model                 179(1)
        (i) Hemi-spherical Force Field             180(1)
        (ii) Semi-cylinderical Force Field         181(1)
        (iii) Plane Force Field                    182(2)
      8.11 Concentration of Kinks and Mobility     184(1)
      of Adsorbed Molecules
      8.12 Summary                                 185(1)
      8.13 Definitions                             186(2)
        Review Questions and Problems              186(2)
    9 Crystal Imperfections                        188(24)
      9.1 Introduction                             188(1)
      9.2 Concentration of Point Imperfections     188(4)
        Schottky Imperfection (Monoatomic Solid)   188(2)
        Frenkel Imperfection (Monoatomic Solid)    190(1)
        Schottky Imperfection (Ionic solid)        191(1)
      9.3 The Geometry of Dislocations             192(1)
      9.4 Burgers Vector and Burgers Circuit       193(1)
      9.5 Energy of a Dislocation                  194(2)
      9.6 Slip Planes and Slip Directions          196(1)
      9.7 Dislocation Reactions                    196(3)
      9.8 Density of Dislocations                  199(1)
      9.9 Observation of Dislocations              200(3)
        (a) Method Based on Growth Spirals         200(1)
        (b) Method Based on Etch Pits              200(1)
        (c) Optical and Electron-optical Methods   201(1)
        (d) Decoration Method                      201(1)
        (e) X-ray Diffraction Topography           201(2)
      9.10 Surface Imperfections                   203(5)
        Grain Boundary                             203(1)
        Tilt and Twist Boundary                    203(2)
        Stacking Faults                            205(1)
        (i) Stacking Faults in FCC Crystals        205(1)
        (ii) Stacking Faults in HCP Crystals       206(2)
      9.11 Summary                                 208(1)
      9.12 Definitions                             208(4)
        Review Questions and Problems              210(2)
    10 Diffraction Methods                         212(46)
      10.1 Introduction                            212(1)
      10.2 Production of X-rays                    212(3)
      10.3 X-ray Diffraction                       215(5)
        Bragg's Law215(2)
        The Laue Equations                         217(3)
      10.4 Diffraction Condition and Bragg's Law   220(2)
      10.5 The X-ray Diffraction Experiments       222(1)
      10.6 The Powder Method                       222(5)
        Indexing of Powder Lines                   223(4)
      10.7 The Laue Method                         227(3)
        Indexing of Laue Photographs               228(2)
      10.8 The Rotation/Oscillation Method         230(6)
        Interpretation of Rotation/Oscillation     231(2)
        Photographs (Formation of Layer Lines)
        Indexing of Rotation/Oscillation           233(3)
        Photographs
      10.9 The Weissenberg Method                  236(10)
        Equi-inclination Setting                   241(1)
        Indexing of Weissenberg Photographs        242(4)
      10.10 The Precession Method                  246(1)
      10.11 X-ray Diffractometers                  247(3)
        Powder X-ray Diffractometer                248(1)
        Single Crystal X-ray Diffractometer        248(2)
      10.12 Other Diffraction Methods              250(3)
        Neutron Diffraction                        250(2)
        Electron Diffraction                       252(1)
      10.13 Summary                                253(2)
      10.14 Definitions                            255(3)
        Review Questions and Problems              255(3)
    11 Factors Affecting X-ray Intensities         258(14)
      11.1 Introduction                            258(1)
      11.2 The Structure Factor                    258(2)
      11.3 The Lorentz Factor                      260(2)
      11.4 The Polarization Factor                 262(2)
      11.5 The Temperature Factor                  264(1)
      11.6 The Multiplicity Factor                 264(1)
      11.7 The Absorption Factor                   265(1)
      11.8 Extinction                              266(2)
      11.9 The R-factor                            268(1)
      11.10 Summary                                268(1)
      11.11 Definitions                            269(3)
        Review Questions and Problems              270(2)
    12 Structure Factors and Fourier Synthesis     272(17)
      12.1 Introduction                            272(1)
      12.2 Waves Motion                            272(1)
      12.3 Superposition of Waves                  273(2)
      12.4 Phase of a Wave in Three Dimensions     275(1)
      (Unit Cell)
      12.5 The Structure Factor of a Crystal       276(1)
      12.6 The Fourier Synthesis                   277(2)
      12.7 Special Structure Factors Due to        279(3)
      Symmetry
        Case I Center of Symmetry                  280(1)
        Case II 2-fold Rotation (z-axis)           280(1)
        Case III m z-axis                          280(1)
        Case IV 2-fold Screw Axis Along [001],     281(1)
        21
        Case V a-glide Oriented Along [010]        281(1)
      12.8 Special Structure Factors Due to        282(2)
      Lattice Centering
        Case /Body Centering in a Cubic Lattice    282(1)
        Case II Face Centering in a Cubic          283(1)
        Lattice
      12.9 Anomalous Scattering                    284(1)
      12.10 Summary                                285(1)
      12.11 Definitions                            286(3)
        Review Questions and Problems              287(2)
    13 Crystal Structure Analysis                  289(12)
      13.1 Introduction                            289(1)
      13.2 Trial and Error Method                  289(1)
      13.3 The Patterson Function                  290(2)
      13.4 The Heavy Atom Method                   292(1)
      13.5 Isomorphous Replacement                 293(1)
      13.6 Superposition Method                    294(1)
      13.7 Direct Methods                          294(5)
        Inequality Relationship                    295(1)
        Case I Center of Symmetry                  296(1)
        Case II 2-fold Axis (|| to z)              297(1)
        Statistical Method                         297(2)
      13.8 Summary                                 299(1)
      13.9 Definitions                             299(2)
        Review Questions and Problems              300(1)
    14 Crystal Structure Refinements               301(10)
      14.1 Introduction                            301(1)
      14.2 Successive Fourier Syntheses            301(1)
      14.3 Difference Fourier Synthesis            302(3)
        (i) Position Error                         303(1)
        (ii) Missing Atoms                         303(1)
        (iii) Errors in the Thermal Parameters     304(1)
      14.4 Least-squares Refinement                305(2)
      14.5 Constrained Least-squares Refinement    307(1)
      14.6 Automation of Structure Analysis        307(2)
      14.7 Summary                                 309(1)
      14.8 Definitions                             309(2)
        Review Questions and Problems              310(1)
    15 Groups, Matrices and Representation of      311(20)
    Symmetry Operations
      15.1 Introduction                            311(1)
      15.2 Elements of Group Theory                311(2)
        Group                                      312(1)
        Cycle Group                                312(1)
        Order of the Group                         312(1)
        Finite Group                               312(1)
        Classes                                    313(1)
      15.3 Construction of Group Multiplication    313(3)
      Table
      15.4 Elements of Matrices                    316(3)
        Matrix                                     316(1)
        Diagonal Matrix                            317(1)
        Unit/Identity Matrix                       317(1)
        Unitary Matrix                             317(1)
        Singular Matrix                            317(1)
        Inverse of a Matrix                        317(1)
        Skew-symmetric/Anti-symmetric Matrix       318(1)
        Transpose of a Matrix                      318(1)
        Orthogonal Matrix                          318(1)
        Trace/Character of a Matrix                318(1)
        Property of Trace/Character                319(1)
      15.5 Representation                          319(1)
      15.6 Orthogonality Theorem                   320(1)
      15.7 Properties of Irreducible               321(1)
      Representations
      15.8 Mulliken Symbols                        322(1)
      15.9 Construction of Character Tables for    323(4)
      Point Groups
      15.10 Summary                                327(1)
      15.11 Definitions                            328(3)
        Review Questions and Problems              329(2)
Bibliography                                       331(2)
Subject Index                                      333
 

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