晶体基本性质

晶体基本性质第1页，共61页，2023年，2月20日，星期五结晶学矿物学岩石学晶体光学参考书目：1、《结晶学及矿物学》，潘兆橹主编，地质出版社，1993年。2、《硅酸盐岩相学》，邵国有主编，武汉工业大学出版社，1991年。第2页，共61页，2023年，2月20日，星期五第一篇几何结晶学基础绪论第一章晶体的基本性质第二章晶体的投影第三章晶体的对称第四章单形和聚形第五章晶体定向和结晶符号第六章晶体构造的几何理论第七章晶体的规则连生结晶学基础第3页，共61页，2023年，2月20日，星期五一、矿物的概念矿物是指地质作用和天体作用中形成的单质或化合物；具有一定的化学成分；具有一定的内部结构；在一定的物化条件下稳定；是组成岩石和矿石的基本单元。地壳中的矿物约3000种矿物形式:固态（绝大多数是晶质体）、液态（汞、水）、气态（火山喷气中的二氧化碳、水蒸气）人造矿物、合成矿物、陨石矿物、月岩矿物、宇宙矿物矿物的用途广泛：直接利用矿物本身的特性（物化性质）；从矿物中提取有用元素（化学成分）绪论绪论第4页，共61页，2023年，2月20日，星期五二、晶体和非晶质体的概念

1、晶体晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特征开始在古代，无论中外，都把具有规则的几何多面体形态的水晶称为晶体凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态的固体都称之为晶体（石盐、方解石、磁铁矿等）以上两种定义都是不正确的自然界的矿物一般都是天然晶体。研究矿物将涉及晶体许多固有的特性和结晶学法则与定律。因此，学习矿物学必须具备结晶学的基础。绪论第5页，共61页，2023年，2月20日，星期五无色水晶绪论第6页，共61页，2023年，2月20日，星期五水晶晶簇水晶晶簇绪论第7页，共61页，2023年，2月20日，星期五绪论第8页，共61页，2023年，2月20日，星期五黄铁矿石盐绪论第9页，共61页，2023年，2月20日，星期五冰州石绪论第10页，共61页，2023年，2月20日，星期五石榴石绪论第11页，共61页，2023年，2月20日，星期五长石绪论第12页，共61页，2023年，2月20日，星期五绪论第13页，共61页，2023年，2月20日，星期五绿柱石绪论第14页，共61页，2023年，2月20日，星期五钻石原石绪论第15页，共61页，2023年，2月20日，星期五金刚石绪论第16页，共61页，2023年，2月20日，星期五绪论第17页，共61页，2023年，2月20日，星期五绪论第18页，共61页，2023年，2月20日，星期五绪论第19页，共61页，2023年，2月20日，星期五绪论第20页，共61页，2023年，2月20日，星期五绪论第21页，共61页，2023年，2月20日，星期五常林钻石常林钻石绪论第22页，共61页，2023年，2月20日，星期五绪论第23页，共61页，2023年，2月20日，星期五绪论第24页，共61页，2023年，2月20日，星期五石墨绪论第25页，共61页，2023年，2月20日，星期五萤石绪论第26页，共61页，2023年，2月20日，星期五钙沸石绪论第27页，共61页，2023年，2月20日，星期五1912年，X射线晶体衍射实验成功，对晶体的研究从晶体的外部进入到晶体的内部，使结晶学进入一个崭新的发展阶段。现已证明，一切晶体不论其外形如何，它的内部质点（原子、离子或分子）都是在三维空间有规律排列，主要表现为同种质点的周期重复，构成了所谓的“格子构造”。所有晶体都具有格子构造——晶体的共同特点。绪论第28页，共61页，2023年，2月20日，星期五Cl-Na+石盐晶体结构绪论晶体的正确的定义：晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体；或者说晶体就是具有格子构造的固体。第29页，共61页，2023年，2月20日，星期五绪论第30页，共61页，2023年，2月20日，星期五2、非晶质体

有些状似固体的物质如玻璃、琥珀、松香等，它们的内部质点不作规则排列，不具有格子构造，称为非晶质体或非晶体。从内部结构看，非晶体中质点的分布颇似于液体，严格地说，它们不是固体，是过冷液体。只有晶体才能称为真正的固体。绪论第31页，共61页，2023年，2月20日，星期五1985年电子显微镜研究发现了一种新的物态，其内部结构的具体形式虽然仍在探索之中，但从其对称性可见，其质点的排列应是长程有序，但不体现周期重复，不存在格子构造，人们把它称为准晶体。3、准晶体绪论第32页，共61页，2023年，2月20日，星期五三、结晶学的主要研究内容晶体生长学：研究晶体发生、成长机理和晶体的合成。几何结晶学：研究晶体外形的几何规律。晶体结构学：研究晶体结构的几何规律、结构型式和构造的缺陷。晶体化学：主要研究晶体的化学成分和结构的关系，并进而探讨成分、结构与其性能和生成条件的关系。晶体物理学：研究晶体的物理性质及其产生机理。绪论第33页，共61页，2023年，2月20日，星期五四、矿物学主要研究内容主要研究对象：地壳中产出的、无机的、晶质矿物。主要研究内容：矿物化学成分、内部构造、形态、物理性质及其相互关系，并阐明地壳中矿物的形成和变化历史，探讨其时间和空间分布的规律及其实际用途。绪论第34页，共61页，2023年，2月20日，星期五晶体的空间格子构造规律第一章晶体的基本性质

晶体的基本性质

晶体发育的一般规律第35页，共61页，2023年，2月20日，星期五1、空间格子2、空间格子要素一、晶体的空间格子构造规律

晶体的基本性质第36页，共61页，2023年，2月20日，星期五1、空间格子兹以氯化铯（CsCl）的晶体结构为例。无论Cl-

或Cs＋在晶体结构的任何一方向上都是每隔一定的距离重复出现一次。晶体的基本性质第37页，共61页，2023年，2月20日，星期五为进一步揭示质点周期性重复规律，我们可对它作某种抽象。先在结构中选出任一几何点，该点可以取在阴或阳离子中心，也可取它们之间的任意一点，然后在结构中找出与此点相当的几何点，称为“相当点”。相当点的条件是：⑴若原始几何点取在质点中心，则相当点所占的质点种类应相同，即占据同种质点的中心；⑵质点周围的环境以及方位应是相同的，也就是说这些质点周围相同的方向上要有相同的质点。晶体的基本性质第38页，共61页，2023年，2月20日，星期五晶体的基本性质第39页，共61页，2023年，2月20日，星期五晶体的基本性质相当点可以简单的定义为晶体结构中物质环境和几何环境完全相同的点，也称“等同点”。在氯化铯晶体结构中，无论原始点选在Cl－还是Cs＋的中心，或其它任何地方，找出的相当点的分布相同。相当点的分布可体现晶体结构中所有质点的重复规律。第40页，共61页，2023年，2月20日，星期五为研究晶体内部质点的重复规律不受晶体大小限制，设想空间格子为无限图形。空间格子晶体的基本性质例如：1mm3的NaCl晶体结构中包含大约7×1017个相当于一个晶胞的小立方体，这样的图形，完全可以看成是无限的。相当点在三维空间作规则排列而成的格子状几何图形称为空间格子。第41页，共61页，2023年，2月20日，星期五2、空间格子要素

⑴结点：空间格子中的点，代表晶体结构中的相当点，只具几何意义，不代表任何质点。但在实际晶体中，结点的位置可以被同种质点所占据。⑵行列：结点在直线上的排列即构成行列。行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距。同一行列或彼此平行的行列上结点间距相等；不同方向的行列，其结点间距一般不等。行列晶体的基本性质第42页，共61页，2023年，2月20日，星期五面网晶体的基本性质⑶面网：结点在平面上的分布构成面网。面网上单位面积内结点的数目称为网面密度。互相平行的面网，网面密度相同；不平行的面网，网面密度一般不等。相互平行的相邻两面网之间垂直距离称为面网间距。

第43页，共61页，2023年，2月20日，星期五由八个结点、六个两两平行而且相等的面组成。在实际晶体结构中所划分出这样的相应的单位称为晶胞。整个晶体可以视为晶胞在三维空间平行地、毫无间隙地重复堆砌而成。平行六面体晶体的基本性质⑷平行六面体：是空间格子在三维空间上可划出的最小重复单位。第44页，共61页，2023年，2月20日，星期五二、晶体的基本性质

晶体通常被平的晶面所包围，晶面相交成直的晶棱，晶棱汇聚成尖的角顶。晶体多面体形态，是其格子构造在外形上的直接反映。晶面、晶棱与角顶分别与格子构造中面网、行列及结点相对应。一切晶体所共有的，并且是由晶体的格子构造所决定的性质，称为晶体的基本性质。晶体的基本性质1、自限性：是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。第45页，共61页，2023年，2月20日，星期五3、异向性：同一晶体的格子构造中，在不同方向上质点的排列一般不同，晶体的性质也就随着方向的不同而有所差异。如蓝晶石的硬度、云母的解理、石英折射率等。4～4.56～7蓝晶石晶体的硬度晶体的基本性质2、均一性：由于晶体是具有格子构造的固体，在同一晶体的各个不同部分，质点的分布一样，故晶体的各部分的物理化学性质相同。非晶体也具均一性，因不具格子构造，其均一性是统计的、平均近似的均一，称为统计均一性；而晶体均一性取决于格子构造，称为结晶均一性。两者有本质区别。第46页，共61页，2023年，2月20日，星期五6、稳定性：由于晶体具有最小内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态，质点只在其平衡位置上振动。非晶体不稳定，有自发地向晶体转化的趋向。晶体和非晶体在一定条件下是可以相互转化的。非晶体转化为晶体称为晶化或脱玻化；反之称为非晶化或玻璃化。晶体的基本性质4、对称性：是指某种相同的性质在不同的方向或位置上作有规律地重复。对称性是晶体非常重要的性质，也是晶体分类的基础。5、最小内能：在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小。第47页，共61页，2023年，2月20日，星期五三、晶体发育的一般规律晶体的发生和成长，实质上是在一定条件下组成物质的质点按照格子构造规律排列的结果。1、晶体的形成方式⑴由液相转变为晶体

a、从熔体中结晶：熔体过冷却b、从溶液中结晶：溶液过饱和（温度降低、水分蒸发）、通过化学反应生成难溶物质。⑵由气相转变为晶体⑶由固相再结晶为固相：如由细粒方解石晶体组成的石灰岩与岩浆岩接触时，受热后可以形成由粗粒方解石晶体组成的大理岩。再如玻璃转化为结晶质。晶体的基本性质第48页，共61页，2023年，2月20日，星期五晶体的基本性质2、晶核的形成

晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。一般认为晶体从液或气相中生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；③生长阶段。某种介质体系中，过饱和、过冷却状态的出现，并不意味着整个体系的同时结晶，体系内各处首先出现瞬时的微细粒结晶粒子，我们把这种最先形成的微晶粒称为晶核（晶芽，籽晶）。然后，溶液中的质点向晶核上粘附而使结晶格子逐渐扩大，晶体围绕着晶核生长。第49页，共61页，2023年，2月20日，星期五

Kossel在1927年首先提出，后经斯特兰斯基（Stranski）加以发展的晶体层生长理论。

晶核表面可能有三种不同的位置，即三面凹角1、二面凹角2和一般位置3。介质中的质点被晶核吸附后，向晶核堆积时优先粘附在三面凹角，其次是二面凹角，最后才在一般位置上堆积。3、晶体的生长理论⑴层生长理论（科塞尔－斯特兰斯基理论）晶体的基本性质第50页，共61页，2023年，2月20日，星期五晶体的基本性质层生长理论:晶体在理想情况下生长时，先长成一条行列，然后再长相邻的行列；在长满一层面网后，再开始长第二层面网、第三层面网……。晶面（晶体最外层的面网）是平行向外推移生长的。第51页，共61页，2023年，2月20日，星期五层生长理论可以解释：晶体生长为面平、棱直的几何多面体形态。晶体断面上的带状构造。反之表明晶面是平行向外推移生长的。面角恒等定律。晶体由小长大，许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体，称“生长锥”或“砂钟状构造”。宝塔飞檐晶体的基本性质第52页，共61页，2023年，2月20日，星期五①实际情况复杂很多，一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度常可达几万或几十万个分子层。同时也不一定是逐层堆积，而是一层尚未长完，又一新层开始生长，结果可能使晶面不平坦，成为阶梯状称为“晶面阶梯”。②已长好的面网对溶液中的质点的引力较小，不易克服质点的热振动使质点就位。因此在过饱和度或过冷却度较低时，晶体的生长需要用其它理论解释。层生长理论的不足：主要是把晶体生长过程简单化。晶面的阶梯状生长晶体的基本性质第53页，共61页，2023年，2月20日，星期五晶体的基本性质第54页，共61页，2023年，2月20日，星期五（2）螺旋生长理论（弗朗克等，1949、1951，简称“BCF理论”）

在晶体生长界面上螺旋位错露头点所出现的凹角可作为晶体生长的永不消失的台阶源，晶体就围绕着螺旋位错露头点旋转生长。随着晶体的不断长大，最终表现在晶面上形成能提供生长条件信息的各种样式的螺旋纹。成功解释了晶体在很低的过饱和度下生长的实际现象。晶体的基本性质第55页，共61页，2023年，2月20日，