第一讲晶体与结晶学

地球科学院地质系主讲：余少雄联系电话晶学与矿物学课程安排课时：36（理论课）+44（实习课）内容分为三个部分：第一部分结晶学基础（18+18学时）;第二部分矿物晶体化学（矿物学通论）（12+4学时);第三部分：矿物学各论（6+22学时）教学地点：理论；实习D6208

课程简介：本学科是地质学科中基础的中基础结晶学：以晶体为研究对象，主要研究晶体的对称规律。研究的是晶体的共同规律，不涉及到具体的晶体种类。特点：空间性、抽象性、逻辑性、共性与后续矿物学形成明显的对比：矿物学:

矿物晶体为研究对象，主要研究各具体矿物晶体的成分、物理性质、成因特点等

特点：经验性、感性、具体性、归纳分类性、个性学科主讲内容本课程是地质学专业的重要专业基础课。在结晶学部分，主要讲授：1.晶体的定义，空间格子、空间格子要素和晶胞的概念。理解晶体的基本性质。2.晶体生长的科塞尔原理、布拉维法则、面角恒等定律。3.晶体对称及对称特点。对称要素，对称定律，对称要素的组合定律，晶体的分类。4.单形和聚形的概念，单形的种类。5.晶体定向、晶面符号、单形符号、晶带及晶带符号。6.晶体的平行连生和双晶。在矿物学部分，首先介绍矿物的概念、矿物的化学成分及内部结构、矿物的形态和物理性质、形成矿物的地质作用、矿物的分类和命名，然后分别介绍自然元素大类、硫化物及其类似化合物大类、氧化物及氢氧化物大类、含氧盐大类、卤化物大类的主要矿物种（至族）的特征，掌握主要矿物的鉴定特征。

考核与纪律成绩分三部分：作业（10%）+标本考试（30%）+期末考试（60%）;

总分60分及格课堂纪律：1.不准无故缺席，有事请假；2.本课程与实习课为重，若有两次无故缺席，视作挂科处理第一讲1.晶体、非晶质体、准晶2.空间格子3.晶体的基本性质4.结晶学概况1.晶体、非晶质体、准晶

1.1晶体水晶方解石

石英（Quartz）

什么是晶体？铬铅矿（Crocoite

）

电气石(Tourmaline)石膏(Gypsum)钼铅矿(Wulfenite)祖母绿(EmeraldBrooch)钻石(Diamond)金刚石(Diamond)石榴子石(Garnet)

火蛋白石(FireOpals)紫锂辉石(Kunzite)

软玉(Nephrite)常林钻石重158.786克拉古代人对晶体的理解：古人将凡是天然具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态的固体称为晶体。如水晶、石盐。水晶我国最早称“水精”，有“几乃千年老冰”之说。在现实生活中，我们注意到：相同的物质，其所有性质都相同，但外形不同，如晶体味精与粉状味精，粗盐与精盐，前者具有几何多面体，后者则不具备。除此而外，其它性质均相同，我们就不能把前者称为晶体而将后者视为非晶体。X射线分析的方法出现，揭示了大量晶体的内部结构，让我们对晶体有了更为准确的理解。一切晶体，不论其外形如何，化学组成如何，它的内部质点（原子、离子或分子）都是作规律性排列的。也就是说，只要是晶体，其内部质点都是有规律排列的。前例提到的粗盐（具立方体外形）与细盐（粉状），仅管其外形不同，但它们内部质点Na与Cl的排列规律都是一样的。

由NaCl结构模型的观察我们会发现，晶体内部质点的规则排列表现为质点的周期重复（举Na与Cl的周期重复排列的例子）。我们将质点的这种周期性重复排列称之为格子构造。因此，凡是内部质点作规律排列，即具有格子构造的物质即为晶体。综上所述，我们对晶体作出如下定义：

晶体是具有格子构造的固体,或内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。格子构造是一切晶体最本质的特征。格子构造的形象展示石盐的晶体结构1.2非晶质体与晶体结构相反，内部质点不作周期性的重复排列的固体，即称为非晶质体。非晶质体不具格子构造，它不是真正意义上的固体，而是一种呈凝固态的过冷凝体。非晶质体如玻璃、琥珀、松香等，这些物质的内部质点的分布类似于液体，在非晶质体的各个部位上，没有任何两部分的内部结构是完全相同的，它们只是统计意义上才是均一的。因此，非晶质体不具有晶体那样的性质。

水晶玻璃很明显，水晶内部质点排列近程有序，远程同样规律有序；但玻璃则具有近程有序，远程无序。1.3准晶体

1984年发现的新现象，具有远程规律但没有重复周期。这是什么意思呢？准晶体与晶体、非晶体的关系？1.4非晶质体与晶体间的转化

晶体的格子构造是晶体实现最小内能的结果；晶体只有在得到外来能量时，发生吸热反应，从而吸收热能使之向非晶质转化；当晶体吸收热能达到开始熔化时的温度点即为晶体的熔点，故晶体具有一定的熔点。非晶质体由于内部质点不作规律排列，各部分质点分布的稀疏程度不一，因而熔化各部分的温度就有高低之分，所以，非晶质体不具有一定的熔点。实例：岩浆迅速冷凝而形成非晶质的火山玻璃，经漫长的地质年代，其内部原子进行很缓慢的扩散和调整，具自发形成规则排列的趋向，由非晶质的火山玻璃逐渐地向晶态转变，最终成为晶体。我们在古老的火山岩中常见到这种情况。这种非晶态转变为晶态的作用过程被称为晶化或脱玻化。与此相反，当晶体因内部质点的规则排列遭到破坏而向非晶质体转变的作用，则称为非晶化或玻璃化。例如一些含放射性元素的矿物，其晶格受放射性蜕变时所发出的—射线的作用破坏而转变为非晶质体，这种作用特别称为变质非晶化作用。

非晶质体中的质点位能较大，故总是趋向于达到最小内能，以便使自身趋于稳定，故非晶质体有自发地转化为晶体的趋向。实验证明，当物体由非晶态过渡到结晶状态时，都是放热反应，这些析出的热能，即为质点多出的位能。

结论：对同成分的晶体和非晶体而言，晶体是稳定的非而晶体是不稳定的，非晶质体有自发地向晶体转化的必然趋势，但晶体决不会自发地向非晶质体转变。2.空间格子2.1晶体内部结构的平移有序性

晶体内部质点在三维空间的周期性要重复排列，就体现了晶体结构的平移有序性。那么，什么是晶体结构的平移有序性呢？该模型是从NaCl晶体内部结构中割取出来的最小的一部分，而NaCl结构就是由若干这样的部分沿三度空间碓砌而成，由这最小部分的周期性重复排列就构成了NaCl的晶体结构。在1mm3的NaCl晶体内，就包含了大约7×1017个这样的立方体小块。若在NaCl晶体结构中，将一立方体小块按一定的规律移动一段距离后，便会与另一立方体小块重合，这就体现了晶体内部结构的平移有序性。晶体内部结构具有三维平移有序性。

以上从NaCl的晶体结构说明了晶体内部结构的平移有序性，对于其它任何晶体，不管原子种类有多少，也不管这些质点在空间排列的具体形式上有多么复杂，但所有这些质点在三维空间都是成周期性平移重复规则排列的。

只不过不同的晶体，其周期性重复排列的规则不同而已。所以，晶体内部结构的这种三维平移有序性是一切晶体的共同特征。为了表征和研究这种平移有序的规律（格子构造），我们引入空间格子的概念。2.2空间格子的概念和基本规律（一）空间格子是从实际晶体构造中抽象出相当点组成的一种几何图形，是晶体格子构造中质点排列规律的形象表征。（二）相当点——质点种类相同，环境也相同的点。（三）相当点的分布体现了晶体格子构造中所有质点的重复规律，并且在三度空间作无限规律重复排列，因而空间格子为抽象的无限几何图形。导出空间格子的方法：

首先在晶体结构中找出相当点，再将相当点按照一定的规律连接起来就形成了空间格子。相当点（两个条件：1、性质相同，2、周围环境相同。）空间格子与具体的晶体结构是什么关系？可以认为具体的晶体结构是多套空间格子组成的，见图。具体的晶体结构是多种原子、离子组成的，使得其重复规律不容易看出来，而空间格子就是使其重复规律突出表现出来。空间格子仅仅是一个体现晶体结构中的周期重复规律的几何图形，比具体晶体结构要简单的多。空间格子的要素：

★结点:空间格子中的点,代表具体晶体结构中的相当点.

★行列:结点在直线上的排列.（引出:结点间距）

★面网:结点在平面上的分布.

（引出:面网间距、面网密度，它们之间的关系,见下图）

面网AA’间距d1面网BB’间距d2面网CC’间距d3面网DD’间距d4面网间距依次减小,面网密度也是依次减小的.所以:面网密度与面网间距成正比.★平行六面体（晶胞）:

结点在三维空间形成的最小单位(引出:晶胞参数：a,b,c;α,β,γ,也称为轴长与轴角）

abc平行六面体对应的实际晶体中相应的范围叫晶胞。NaCl晶胞金红石晶胞平行六面体可具有各种不同的形状，各种形状的平行六面体的晶胞参数怎么样？我们以后将会看到，平行六面体的形状一共有7种，对应有7套晶胞参数的形式，也对应7个晶系。

由晶体的格子构造会导致晶体的基本性质。★自限性:晶体能够自发地生长成规则的几何多面体形态。

★均一性:同一晶体的不同部分物理化学性质完全相同。晶体是绝对均一性，非晶体是统计的、平均近似均一性。

3.晶体的基本性质

★异向性：同一晶体不同方向具有不同的物理性质。例如：

蓝晶石的不同方向上硬度不同。思考：

均一性与异向性有矛盾吗？异向性与自限性有什么联系?★对称性：同一晶体中，晶体形态相同的几个部分（或物理性质相同的几个部分）有规律地重复出现。例如下面的晶体形态是对称的：★最小内能性：晶体与同种物质的非晶体相比，内能最小。★稳定性：晶体比非晶体稳定。

﹡要学会用格子构造规律解释这些基本性质！（请同学们自己解释。）4.结晶学概况结晶学（crystallography）：是以晶体为研究对象的一门科学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是几何结晶学的基本知识。如：冰、雪、土壤、金属、矿物、陶瓷、水泥、化学药品等研究简史：★1000多年前，认识了石英和石盐具有规则的外形；★

17世纪中叶前，以外形研究为主；★

1912年，X射线晶体衍射实验成功，结晶学进入快速发展阶段；★

19世纪中叶开始对晶体内部结构探索，逐渐发展成为一门独立的学科；★

20世纪初,内部结构的理论探索。结晶学的研究意义：是矿物学的基础是材料科学的基础是生命科学的基础

…...现代结晶学的几个分支：1、晶体生成学：研究天然及人工晶体的发生、成长和变化的过程与机理，以及控制和影响它们的因素。2、几何结晶学：研究晶体外表几何多面体的形状及其规律性。3、晶体结构学：研究晶体内部结构中质点排列的规律性，以及晶体结构的不完善性。4、晶体化学：研究晶体的化学组成与晶体结构以及晶体的物理、化学性质之间关系的规律性。5、晶体物理学：研究晶体的各项物理性质及其产生的机理。晶体（远古年代的定义：自发形成规则形态的物体；（如上图）

现代的定义：内部结构具有周期重复性，即具有