倒晶格

倒晶格的建構(reciprocal lattice construction)

倒晶格的建構,就是把真實晶格轉成它的倒晶伴侶的實際逐步作法。它有兩種給出相同答案的版本:一種是你能拿尺畫出來的動手幾何作法,另一種是你會在電腦裡用的代數作法。兩種都學是值得的,因為幾何圖像建立直覺,而代數做真正的計算。

幾何作法讀起來像手工指示。對晶體中每一族晶面 (hkl),做三件事:從選定的原點畫出該晶面的法線(垂直方向);量出晶面間距 d_hkl;在那條法線上、離原點恰好 1/d_hkl 的地方放一個點。把那個點標記為 (hkl)。對每一族晶面重複。你得到的那團點——每族晶面一個——就是倒晶格,而且了不起的是,它自己總是恰好構成一個完美的晶格。代數作法則跳過作圖:由真實晶胞算出三個星向量 a* = (b x c)/V、b* = (c x a)/V、c* = (a x b)/V,然後每個倒晶格點就是 g = h a* + k b* + l c*,其中 h、k、l 為整數。

這個建構值得親手做一次,因為它把三件原本神祕的事變得顯而易見。第一,「為什麼」每個倒晶格點代表一族晶面:你根本就是用那族晶面的法線與間距把它放上去的。第二,「為什麼」間距密的晶面給出遠處的點:d 小意味著 1/d 大。第三,「為什麼」倒晶格的倒晶格就是原本的直接晶格:把同一套作法用兩次,兩次反轉互相抵消。給初學者一個提醒:你必須用晶面間距 d,對有心晶格而言它可能比天真的晶胞面間距還小——把 d 弄對,這個建構就萬無一失;弄錯,你的倒晶格就會差一個有心因子。

替 a = 4 埃的立方晶體建構倒晶格點 (110)。它的晶面間距是 d_110 = 4/sqrt(1^2+1^2) = 2.83 埃,法線沿 [110],你就在沿 [110] 離原點 1/2.83 = 0.354 埃^-1 處放一個點。用代數驗算:|g_110| = sqrt(1+1)/4 = 0.354 埃^-1。兩種作法一致。

幾何作法(先法線,再往外 1/d)與代數作法(h a* + k b* + l c*)給出同一個點。

要用真正的晶面間距 d_hkl,而不是晶胞邊除以某個指數。對有心晶格,有些 (hkl) 晶面比天真的幾何所暗示的還要密,把 d 弄對就是這件事的全部關鍵。

又稱
building the reciprocal latticenormal-and-1/d recipe倒晶格的作圖