第二章 晶体的形成

第二章晶体的形成第一页，共二十六页，编辑于2023年，星期四一、晶体形成的方式

形成晶体的作用，称为结晶作用。晶体的形成过程就是由任一种物相转变为结晶固相的过程。晶体有下列四种主要形成方式：（1）由液相→结晶固相。（2）由气相→结晶固相。

例如火山喷出硫蒸气，在火山口附近因温度降低而结晶出自然硫晶体；水蒸汽遇冷凝结雪花。

可分为①由溶液(过饱和)→开始结晶。例如盐湖因蒸发作用达到过饱和而结晶出石盐、钾盐、石膏等晶体。

②由熔体(过冷却)→开始结晶。例如铁水冷凝成铁晶体。第二页，共二十六页，编辑于2023年，星期四（3）由非晶质固相→结晶固相。

自然界的非晶质固相物质

例如火山玻璃

→石英、长石的微晶（晶化或脱玻化）；

非晶质胶体矿物蛋白石→隐晶质玉燧→石英晶体。（4）由一种结晶固相→另一种结晶固相。

①同质多象转变。如石墨(C)

金刚石(C).

②再结晶。如石灰岩(细粒方解石)

大理岩(粗粒方解石).

火山喷发出的熔岩流迅速冷却，固结为非晶质的火山玻璃。胶体溶液脱水，形成非晶质固相物质。如蛋白石等。高T高PT↑在地质作用过程中,绝大多数矿物晶体都是从液相中结晶形成的。第三页，共二十六页，编辑于2023年，星期四二、晶核的形成(晶体的发生)

②晶体的成长。

晶核(亦称晶芽):

是晶体生长最原始的胚胎(生长点),

是极微小的微晶粒，是晶体成长的中心。

外来晶核，非自成的。例如人工合成水晶，就是在溶液中放入一个石英晶粒(籽晶)作为晶核。

当过冷却或过饱和度很高时,产生的晶核数目多;反之则少.

晶体形成全过程包括两个阶段形成晶核的条件

自发晶核(质点聚合)①溶液过饱和②熔体过冷却①形成晶核。第四页，共二十六页，编辑于2023年，星期四三、晶体的成长

实际上是晶核形成后，质点按格子构造规律在晶核上不断地堆积过程。

晶体生长的两种主要理论：

1.层生长理论:

要讨论的关键问题是:

在一个面尚未生长完全前,在这一界面上找出最佳生长位置。晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图解123位置1-三面凹角;位置2-两面凹角;位置3-一般位置第五页，共二十六页，编辑于2023年，星期四,(h)孔第六页，共二十六页，编辑于2023年，星期四

图表示质点往晶芽上堆积时，在其表面只有三种可能的堆积位置1、2和3,分别称为三面凹角、两面凹角和一般位置.每种位置上因成键数目不同,新质点就位后的稳定程度亦不同。

因此，最佳生长位置是三面凹角位，其次是两面凹角位,最不容易生长的位置是平坦面。

这样，最理想的晶体生长方式就是:先在三面凹角上生长成一行，以至于三面凹角消失，再在两面凹角处生长一个质点，以形成三面凹角，再生长一行，重复下去。

位置

最近质点间的成键数

新质点就位后的稳定程度1-三面凹角2-两面凹角3-一般位置3(释放出能量最大)2(释放出能量较大)1(释放出能量最小)最稳定(最有利的生长位置)次稳定(次有利的生长位置)不稳定(最不利的生长位置)第七页，共二十六页，编辑于2023年，星期四层生长过程第八页，共二十六页，编辑于2023年，星期四

结论:

晶体在理想情况下生长时,一旦有三面凹角存在,质点则优先沿三面凹角位置生长一条行列;而当这一条行列长满后,就只有两面凹角了,质点就只能在两面凹角处生长,这时又会产生三面凹角位置,然后将重复上述过程生长相邻行列;在长满一层面网后,质点就只能在任意的一般位置上生长,接着就会有两面凹角产生,随后又会有三面凹角的形成,再开始生长第二层面网。晶面(最外层面网)是平行向外推移生长的。这就是晶体的层生长理论。第九页，共二十六页，编辑于2023年，星期四

层生长理论可以解释如下一些生长现象：

（1）晶体的自限性—

晶体常生长为面平、棱直的几何多面体形态。

（2）晶体断面上的环带构造—各个环带代表了在晶体成长的不同阶段中，由于介质性质或环境条件的某种变化,在晶体内留下的当时晶形轮廓的痕迹。它表明晶体是平行向外推移生长的。

（3）面角守恒定律—

由于晶面是向外平行推移生长的，所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。

（4）生长锥或沙钟构造—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。第十页，共二十六页，编辑于2023年，星期四普通辉石的沙钟构造α-石英晶体横断面上烟灰色和乳白色相间的环带构造α-石英晶体的带状构造合成红宝石的六方色带有什么现象可以证明层生长理论?第十一页，共二十六页，编辑于2023年，星期四第十二页，共二十六页，编辑于2023年，星期四

实际晶体生长也可能一层还没有完全长满，另一层又开始生长了，这叫阶梯状生长，最后可在晶面上留下生长层纹或生长阶梯。

阶梯状生长是属于层生长理论范畴的。

总之，层生长理论的中心思想是：晶体生长过程是晶面层层外推的过程。

但是，层生长理论有一个缺陷：当将这一界面上的所有最佳生长位置都生长完后，如果晶体还要继续生长，就必须在这一平坦面上先生长一个质点，由此来提供最佳生长位置。这个先生长在平坦面上的质点就相当于一个二维核，形成这个二维核需要较大的过饱和度，但许多晶体在过饱和度很低的条件下也能生长，为了解决这一理论模型与实验的差异，弗兰克(Frank)于1949年提出了螺旋位错生长机制。

第十三页，共二十六页，编辑于2023年，星期四2．螺旋生长理论（BCF理论）

该模型认为晶面上存在螺旋位错露头点可以作为晶体生长的台阶源,可以对平坦面的生长起着催化作用,这种台阶源永不消失，因此不需要形成二维核，这样便成功地解释了晶体在很低过饱和度下仍能生长这一实验现象。第十四页，共二十六页，编辑于2023年，星期四螺旋生长过程第十五页，共二十六页，编辑于2023年，星期四第十六页，共二十六页，编辑于2023年，星期四有什么现象可证明螺旋生长理论？

SiC晶体表面的生长螺纹第十七页，共二十六页，编辑于2023年，星期四这两个理论有什么联系与区别？联系：都是层层外推生长；区别：生长新的一层的成核机理不同第十八页，共二十六页，编辑于2023年，星期四四、晶面的发育

在晶体生长过程中，不同晶面的相对生长速度不同。晶体的形态取决于晶面的相对生长速度。

所谓晶面生长速度：是指晶面在单位时间内沿其法线方向所增长的速度。

生长速度慢，晶面扩大，最后包围整个晶体。

生长速度快，晶面缩小，最终消失。

晶体是被生长速度慢的晶面所包围。

布拉维法则指出：晶体上的实际晶面平行于面网密度大的面网；且面网密度越大，相应晶面的重要性也越大。若第十九页，共二十六页，编辑于2023年，星期四晶面的重要性可由晶面本身的大小,在各个晶体上出现的频数，以及是否平行解理面来衡量。第二十页，共二十六页，编辑于2023年，星期四阐述：右图为一晶体格子构造的一个切面,

AB，BC,CD为三个晶面的迹线，相应面网的面网密度是AB＞CD＞BC，面网密度大的晶面,面网间距大也,对外的质点吸引力就小,质点就不易生长上去，

如图所示。当晶体继续生长，质点将优先堆积1位置，其次是2，最后是3位置。于是,晶面BC将优先生长，CD次之，而AB则落在最后。晶面生长速度是：AB＜CD＜BC。ABCDabABCD213晶体构造中面网密度与生长速度关系图解面网密度是AB＞CD＞BC；晶面生长速度是

AB＜CD＜BC。(b)(a)a>b第二十一页，共二十六页，编辑于2023年，星期四结论：在一个晶体上，各晶面间相对的生长速度与它们本身面网密度的大小成反比，即面网密度越大的晶面，其生长速度越慢；反之则快。

保留下来的实际晶面便将是面网密度大的晶面,而且面网密度越大,被保留下来的几率也越大，晶面本身的面积相应也大。

解释了从小晶体成长为大晶体时晶面数目趋于减少,晶形趋于简单的原因。

不足之处：不能解释有时同一种矿物在不同的生长环境中形态不同。即没有考虑外界温度、压力、溶液溶度、所含杂质及晶体内部缺陷对晶面生长速度的影响。

第二十二页，共二十六页，编辑于2023年，星期四五、决定晶体生长形态的外因(P133)温度杂质粘度结晶速度涡流

所有这些外因是通过内因起作用的。第二十三页，共二十六页，编辑于2023年，星期四六、面角守恒定律：实际晶体形态（歪晶）：偏离理想晶体形态。

尽管形态各不相同,看似无规律,但对应的晶面面角相等,即“面角守恒定律”。

同种矿物的晶体，其对应晶面间角度守恒。面角守恒定律的意义：结晶学发展的奠基石。α-石英晶体的理想形态(A)和歪晶(B)

均由六方柱m{1010}及菱面体r{1011}和菱面体z{0111}组成AB---第二十四页，共二十六页，编辑于2023年，星期四本章重点总结:形成晶体的四种方式成