结晶矿物学 01-晶体的概念

1、主干专业基础课主干专业基础课 2014年年4月月 第一篇第一篇 结晶学基础结晶学基础 序论序论 = = 是基础课和专业基础课是基础课和专业基础课 = = 分为结晶学和矿物学两部分分为结晶学和矿物学两部分 = = 课程特点课程特点 o结晶学（结晶学（crystallographycrystallography）：）：是以是以晶体晶体为为 研究对象的一门科学研究对象的一门科学 o自然界中的绝大多数矿物都是晶体，要了解这自然界中的绝大多数矿物都是晶体，要了解这 些结晶的矿物，就必须了解和掌握结晶学特别些结晶的矿物，就必须了解和掌握结晶学特别 是几何结晶学的基本知识。是几何结晶学的基本知识。 如：冰、

2、雪、土壤、金属、矿物、陶瓷、水如：冰、雪、土壤、金属、矿物、陶瓷、水 泥、化学药品等泥、化学药品等 序论序论 0-1.结晶学及其与其它学科的关系结晶学及其与其它学科的关系 结晶学发展简史结晶学发展简史 1000多年前，认识了石英和石盐具有规则的外多年前，认识了石英和石盐具有规则的外 形；形； 17世纪中叶前，以外形研究为主世纪中叶前，以外形研究为主 ； 1912年，年，X射线晶体衍射实验成功，结晶学进入快速发展阶射线晶体衍射实验成功，结晶学进入快速发展阶 段；段； 19世纪中叶开始对晶体内部结构探索，逐渐发展成为一门世纪中叶开始对晶体内部结构探索，逐渐发展成为一门 独立的学科；独立的学科； 2

3、0世纪初世纪初, 内部结构的理论探索内部结构的理论探索 。 序论序论 结晶学的研究意义：结晶学的研究意义： 结晶学的基础是：数学、物理学、化学等结晶学的基础是：数学、物理学、化学等, , 是矿物学以及整个地球科学的基础是矿物学以及整个地球科学的基础. . 是材料科学的基础是材料科学的基础 是生命科学的基础是生命科学的基础 序论序论 矿物的概念矿物的概念 由地质作用所形成的结晶态的天然化合物或单质，它们由地质作用所形成的结晶态的天然化合物或单质，它们 具有均匀且相对固定的化学组成和确定的晶体结构；它具有均匀且相对固定的化学组成和确定的晶体结构；它 们在一定的物理化学条件范围内稳定，是组成岩石和矿

4、们在一定的物理化学条件范围内稳定，是组成岩石和矿 石的基本单元。石的基本单元。 广义的概念还包括人造矿物广义的概念还包括人造矿物, , 宇宙成因的矿物等宇宙成因的矿物等. . 序论序论 矿物学的含义矿物学的含义 矿物学具体研究矿物的化学组成，内部结构、外表形矿物学具体研究矿物的化学组成，内部结构、外表形 态、物理性质和化学性质、在地质作用过程中形成和变态、物理性质和化学性质、在地质作用过程中形成和变 化的条件等诸方面的现象和规律，以及它们相互的内在化的条件等诸方面的现象和规律，以及它们相互的内在 联系；在此基础上，为矿物原料及其合理综合利用提供联系；在此基础上，为矿物原料及其合理综合利用提供

5、必要和充分的依据。同时，也为探索并阐明地壳及壳下必要和充分的依据。同时，也为探索并阐明地壳及壳下 层以至其它天体的物质组成及演化规律，提供重要的信层以至其它天体的物质组成及演化规律，提供重要的信 息。息。 序论序论 0-2. 结晶学的主要研究内容结晶学的主要研究内容 (1) 几何结晶学几何结晶学 (geometrical crystallograpgy) (2) 晶体结构学晶体结构学 (crystallology) (3) 晶晶 体体 化化 学学 (crystallochemistry) (4) 晶体发生学晶体发生学 (crystallogeny) (5) 晶体物理学晶体物理学 (crysta

6、llophysics) . 本课程主要学习几何结晶学。晶体生长学、晶体结构学、晶体化学只 作简单介绍；晶体物理学贯穿在矿物学部分讲述。 序序 论论 第一章第一章 晶体及其基本性质晶体及其基本性质 1-1. 晶体的概念晶体的概念 1-2. 非晶质体和准晶体非晶质体和准晶体 1-3. 晶体的空间格子规律晶体的空间格子规律 1-4. 晶体的基本性质晶体的基本性质 1-1. 晶体的概念晶体的概念 Crystal 1何谓晶体？何谓晶体？ 具有格子构造的固体, 或内部质点在三 维空间成周期性平移重复排列周期性平移重复排列的固体。 什么是晶体的格子构造？ 第一章：晶体及其基本性质 第一章：晶体及其基本性质

7、(a)(b)1-2 1-1. 晶体的概念晶体的概念 蓝晶石蓝晶石 Kyanite 石英石英 Quartz from Toi Village, Waziristan, Pakistan! Measures 4.5 cm by 2.7 cm in size. 第一章：晶体及其基本性质 电气石电气石 Tourmaline 锂云母锂云母 Lepidolite 第一章：晶体及其基本性质 紫水晶紫水晶 violet tipped quartz 第一章：晶体及其基本性质 第一章：晶体及其基本性质 方解石方解石 calcite 第一章：晶体及其基本性质 1-1. 晶体的概念晶体的概念 第一章：晶体及其基本性质

8、 具有格子构造的固体具有格子构造的固体; ; 或内部质点在三维或内部质点在三维 空间成周期性平移重复排列的固体。空间成周期性平移重复排列的固体。 1-1. 晶体的概念晶体的概念 晶体是内部质点在三维空间成周期性平移重复晶体是内部质点在三维空间成周期性平移重复 排列，亦即具有三维长程平移有序的固体排列，亦即具有三维长程平移有序的固体 （罗（罗 谷风，谷风，2010）。）。 即晶体内部的原子排列具有延绵不断的有序性 (长程有序长程有序, long-range order); 在原子近邻具有的有序性, 叫短程有序短程有序 (short-range order), 液体具有短程有序; 气体既无长程,

9、也无 短程有序。 晶体的内部构造具有平移远程规律。非晶体则只有晶体的内部构造具有平移远程规律。非晶体则只有 近程规律。近程规律。 晶体是固体, 非液体或气体 近程有序规律近程有序规律, 也叫短程有序也叫短程有序 远程有序规律远程有序规律, 也叫长程有序也叫长程有序 1-1. 晶体的概念晶体的概念 第一章：晶体及其基本性质 1晶化与非晶化的概念晶化与非晶化的概念 转化, 转化条件, 脱玻化 晶体比非晶体稳定 2. 非晶体非晶体:内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体。 第一章：晶体及其基本性质 1-2. 非晶质体和准晶体非晶质体和准晶体 (noncrystal and quasicrysta

10、l) 3准晶体的概念准晶体的概念 内部质点具远程有序规律，但不具周期性平移重复的特 点，所以不具格子构造。 准晶体准晶体是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体准晶体 具有完全有序的结构具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平不具有晶体所应有的平 移对称性移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。 准晶体准晶体是一种固体，但其内部即不像非晶质体那样完 全无序的分布，又不像晶体那样的三维周期性平移有 序。准晶体是其内部结构呈自相似的配位多面体在三 维空间作长程定向有序长程定向有序分布的固体 (罗谷风，1993)。 准晶体的概念准晶体的概念 内部质点具远程有序规律，但不具周期性平移重复

11、的特 点，所以不具格子构造。 第一章：晶体及其基本性质 1-2. 非晶质体和准晶体非晶质体和准晶体 准晶体发展过程准晶体发展过程 1984年底，以色列科学家 Daniel Shechtman 等发现Al Mn合金中发现 了具有五重旋转对称。 2011年 D.Shechtman 获得了诺贝尔化学奖。 准晶体存在偏离了晶体的三维周期性结构，因为单调的周期性结构准晶体存在偏离了晶体的三维周期性结构，因为单调的周期性结构 不可能出现五重轴，但准晶体的结构仍有规律，不像非晶态物质那样的无序，不可能出现五重轴，但准晶体的结构仍有规律，不像非晶态物质那样的无序， 仍是某种有序结构。仍是某种有序结构。 国际晶

12、体学联合会最近建议把晶体定义为衍射图谱呈现明确图案的晶体定义为衍射图谱呈现明确图案的 固体（固体（any solid having an essentially discrete diffraction diagram）来代替原 先的微观空间呈现周期性平移结构的定义。 准晶体已被开发为有用的材料。 目前推导的准晶体点群共28种, 单形 42个, 5个晶系。 晶系晶系对称元素特点对称元素特点 五方有唯一的 5 次轴 八方有唯一的 8 次轴 十方有唯一的 10 次轴 十二方有唯一的 12 次轴 二十面体有 10 个 3 次轴 具有5次对称的二维准晶图形 具有5次对称的C60结构 第一章：晶体及其基

13、本性质 1-2. 非晶质体和准晶体非晶质体和准晶体 准晶体与非晶体的区别准晶体与非晶体的区别 准晶体内部质点的排列是有规律的准晶体内部质点的排列是有规律的. 准晶体与晶体的区别准晶体与晶体的区别 准晶体的规律性是配位多面体呈自相似的定向准晶体的规律性是配位多面体呈自相似的定向 有序排列有序排列, ,而非周期性平移重复排列而非周期性平移重复排列. . 晶体、非晶体、准晶体的区别晶体、非晶体、准晶体的区别 第一章：晶体及其基本性质 1-2. 非晶质体和准晶体非晶质体和准晶体 什么是晶体的格子构造？什么是晶体的格子构造？ 1. 空间格子（空间格子（Space lattice）的概念）的概念 表示晶体

14、内部结构中质点周期性平移重复排表示晶体内部结构中质点周期性平移重复排 列规律的几何图形。列规律的几何图形。 抽象：抽象： 几何图形；几何图形； 能够展示排列规律和空间概念。能够展示排列规律和空间概念。 第一章：晶体及其基本性质 1-3. 晶体的空间格子规律晶体的空间格子规律 (b)(a)(c)1-5 第一章：晶体及其基本性质 1-3. 晶体的空间格子规律晶体的空间格子规律 NaCl 的晶体结构的晶体结构 大球Cl 小球Na 第一章：晶体及其基本性质 1-3. 晶体的空间格子晶体的空间格子 规律规律 石盐晶体结构中等同点的分布（A）和由此倒出的点阵（B） NaCl 的晶体结构的晶体结构 第一章：

15、晶体及其基本性质 1-3. 晶体的空间格子规律晶体的空间格子规律 1-4(a)(b)(c)(d)(e)C l - N a + 第一章：晶体及其基本性质 1-3. 晶体的空间格子规律晶体的空间格子规律 相当点：相当点： 第一章：晶体及其基本性质 相当点（等同点）的分布可以体现晶体结构中所有质 点的重复规律。相当点在三维空间作格子状排列，我们 称为空间格子空间格子。同一晶体结构，其空间格子一定是固定 和相同的。 第一章：晶体及其基本性质 1-3. 晶体的空间格子规律晶体的空间格子规律 2相当点的概念相当点的概念 （1）晶体内任意一点，其点位所代表的性质相同； （2）该点周围的环境相同。 3. 空间

16、格子要素空间格子要素 结点结点 lattice point 行列行列 row 面网面网 net 面网密度 (reticular density)和 面网间距 (interplanar spacing) 空间格子或空间点阵 (space lattice) 平行六面体（parallel hexahedron）和 单位晶胞 (unit cell) 第一章：晶体及其基本性质 1-3. 晶体的空间格子规律晶体的空间格子规律 等同点：等同点：在晶体结构中占据相同的位置；具有相同的环境。在晶体结构中占据相同的位置；具有相同的环境。 第一章：晶体及其基本性质 1-3. 晶体的空间格子规律晶体的空间格子规律 空

17、间格子的行列空间格子的行列 (c) 第一章：晶体及其基本性质 1-3. 晶体的空间格子规律晶体的空间格子规律 空间格子的面网空间格子的面网 A B C D d1 d2 d3 d 4 b 0 A BCD 1 2 34 1-11 面网面网net,(网面密度网面密度,面网间距面网间距;网面密度与面网间距的关系网面密度与面网间距的关系 ) 第一章：晶体及其基本性质 1-3. 晶体的空间格子规律晶体的空间格子规律 平行六面体和晶体参数平行六面体和晶体参数 联接分布在三维空间内的结点就构成了空间点阵。空间点阵本身 将被三组相交行列划分成一系列平行叠置的平行六面体，结点就 分布在它们的角顶上。平行六面体的大

18、小和形状可由结点间距a、 b、c及其相互之间的交角、 表示，它们被称为点阵参数。 空间格子空间格子 第一章：晶体及其基本性质 平行六面体平行六面体 单位晶胞 (unit cell) 在实际晶体结构中，与空间格子中单位平行六 面体相对应的部分 成为单位晶胞. 第一章：晶体及其基本性质 1-3. 晶体的空间格子规律晶体的空间格子规律 1-4. 晶体的基本性质晶体的基本性质 一切晶体所共有、并能以此与其他状态的物体一切晶体所共有、并能以此与其他状态的物体 相区别的性质相区别的性质 自限性自限性 self-confinement 对称性对称性 symmetry 异向性异向性 anisotropy 均一

19、性均一性 homogeneity 内能最小性内能最小性 minimum internal energy 稳定性稳定性 stability 第一章：晶体及其基本性质 1-4. 晶体的基本性质晶体的基本性质 1. 自限性自限性 property of self-confinement 晶体在一定的物理化学条件下自发形成几何多 面体的性质。 1-13 第一章：晶体及其基本性质 2. 均一性均一性 homogeneity 晶体的各个部分的物理性质与化学性质是相同的。 非晶体的均一性是统计的、平均近似的均一 液体、气体的均一性也是统计的、平均近似的均 一。 第一章：晶体及其基本性质 1-4. 晶体的基本性质晶体的基本性质 3. 异向性异向性 anisotropy 晶体不同方向性质不同，称为 异向性. (解理、硬度的差异) 硬度 / C = 4.5 C= 67 第一章：晶体及其基本性质 C C BB 蓝晶石蓝晶石 1-4. 晶体的基本性质晶体的基本性质 4. 对称性对称性 symmetry 晶体相同的性质在不同的方向或 位置上作有规律地重复，就是对 称性. 第一章：晶体及其基本性质 1-13 1-4. 晶体的基本性