晶体和晶体的基本性质

关于晶体和晶体的基本性质课程简介：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、理性、共性

矿物学：以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、具体性、归纳分类性、感性、个性第2页,共47页，2024年2月25日，星期天分支学科：几何结晶学－研究晶体宏观形态几何规律，主要是对称规律。晶体结构学－研究晶体内部结构几何规律及缺陷。晶体化学－研究晶体成分与结构的关系。晶体生长学－研究晶体生长机理及其影响因素。晶体物理学－研究晶体物理性质及其产生机理。本课程以晶体形态对称规律及晶体内部结构对称规律为主，简介晶体化学与晶体生长。第3页,共47页，2024年2月25日，星期天第一章晶体与晶体的基本性质

1.晶体、非晶体与准晶体的概念。2.空间格子的概念，空间格子要素。3.晶体的基本性质。4.晶面发育的一般规律第4页,共47页，2024年2月25日，星期天

石英（Quartz）

什么是晶体？1.晶体、非晶体与准晶体的概念。第5页,共47页，2024年2月25日，星期天

电气石(Tourmaline)钼铅矿(Wulfenite)铬铅矿（Crocoite）

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人们常见的晶体有水晶、石盐、蔗糖等，在一般人的心目中就认为晶体就像水晶和石盐那样，具有规则的几何多面体形状。

第7页,共47页，2024年2月25日，星期天晶体—具有格子构造的固体,或内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。

homogeneoussolidcontaininglong-rangeorderinthreedimensionalspace.1.晶体、非晶体与准晶体的概念。第8页,共47页，2024年2月25日，星期天石盐的晶体结构第9页,共47页，2024年2月25日，星期天

研究表明，数以千计的不同种类晶体尽管各种晶体的结构各不相同，但都具有格子状构造，这是一切晶体的共同属性。1.晶体、非晶体与准晶体的概念。第10页,共47页，2024年2月25日，星期天石英玻璃α-石英的内部结构绿球代表Si4+,红球代表O2-玻璃的内部结构，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。第11页,共47页，2024年2月25日，星期天准晶体(quasi-crystal):

具有准周期格子构造的固体。准周期构造－不同于晶体中的平移周期,但具有自相似性(放大或缩小)。准晶体的质点排列虽具有长程有序，但不体现平移的周期重复，即不存在格子构造。具五次对称轴定向长程有序但无重复周期的图形第12页,共47页，2024年2月25日，星期天小结晶体：具有格子构造的固体,或内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。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。第13页,共47页，2024年2月25日，星期天2.空间格子的概念一切晶体都具有格子构造，寻找其格子构造的规律便引出空间格子的概念。

第14页,共47页，2024年2月25日，星期天晶体（远古年代的定义：自发形成规则形态的物体；现代的定义：内部结构具有周期重复性，即具有

格子构造的物体。）

格子构造（晶体结构的周期重复规律，这种规律是可以用格子状的图形－空间格子表示的。）

空间格子（表示晶体结构周期重复规律的简单几何图形要画出空间格子，就一定要找出相当点。）

相当点（两个条件：1、性质相同，2、周围环境相同。）第15页,共47页，2024年2月25日，星期天2.空间格子的概念相当点两个条件：1.性质相同，2.周围环境相同。第16页,共47页，2024年2月25日，星期天2.空间格子的概念

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。第17页,共47页，2024年2月25日，星期天2.空间格子的概念空间格子：由相当点排列而成的几何图形，它反映晶体质点排列的规律性。空间格子为无限图形。图2-3空间格子的一般形状第18页,共47页，2024年2月25日，星期天2.空间格子的概念空间格子要素1.结点：空间格子中的点，代表晶体构造中的等同点。2.行列：结点在直线上的排列。空间格子中任意两结点连接方向就是一条行列，行列中相邻结点间的距离称为结点间距。同一行列方向上结点间距相等；不同方向的行列，其结点间距一般不等。

第19页,共47页，2024年2月25日，星期天2.空间格子的概念3.面网：结点在平面上的分布。空间格子中任意两个相交的行列可确定一个面网。单位面积面网上结点的数目称为面网密度。任意两相邻面网间的垂直距离称为面网间距。第20页,共47页，2024年2月25日，星期天

相互平行的面网间面网密度相等，其面网间距也相等，不相平行的一般不等，且面网密度大的面网间距大，反之，网密度小的面网间距小。d1d2d3第21页,共47页，2024年2月25日，星期天2.空间格子的概念4.平行六面体：空间格子中的最小单位体积。空间格子可以被看成是由无数个平行六面体在三维空间无间隙地重复堆叠而成。

abc第22页,共47页，2024年2月25日，星期天平行六面体对应的实际晶体中相应的范围叫晶胞。2.空间格子的概念NaCl晶胞金红石晶胞第23页,共47页，2024年2月25日，星期天3.晶体的基本性质

第24页,共47页，2024年2月25日，星期天3.晶体的基本性质我们将一切晶体所共有的，并且由晶体的格子构造所决定的性质，称为晶体的基本性质。1.自限性:

晶体能够自发地生长成规则的几何多面体形态。

第25页,共47页，2024年2月25日，星期天3.晶体的基本性质2.均一性:同一晶体的不同部分物理化学性质完全相同。可以用数学公式来表示,设在晶体的x处和x+x’处取得小晶体,则

F(x)

F(x+x’)

此处F表示化学组成和性质等物理量度。

非晶质体也具有其均一性，但由于非晶质体的质点排列不具有格子构造，所以其均一性是统计的、平均近似的均一，称为统计均一性；而晶体的均一性是取决于其格子构造的，称为结晶均一性。第26页,共47页，2024年2月25日，星期天3.晶体的基本性质3.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：

AA方向，H＝45，小刀可刻动。

BB方向，H＝65，小刀不能刻动。思考：均一性与异向性有矛盾吗？第27页,共47页，2024年2月25日，星期天3.晶体的基本性质4.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：第28页,共47页，2024年2月25日，星期天3.晶体的基本性质5.最小内能性：晶体与同种物质的非晶体相比，内能最小。

内能=动能

+势能质点在平衡点质点间相对周围作无规则位置所产生振动的能量能量第29页,共47页，2024年2月25日，星期天3.晶体的基本性质6.稳定性：在相同的热力学条件下，具有相同化学成分的晶体和非晶质体相比，晶体是稳定的，而非晶质体是不稳定的。对于化学成分相同的物质，以不同的物理状态存在时，其中以结晶状态最为稳定。这一性质与晶体的内能最小是吻合的。在没有外加能量的情况下，晶体是不会自发地向其它物理状态转变的。第30页,共47页，2024年2月25日，星期天3.晶体的基本性质稳定性晶体与非晶体加热曲线第31页,共47页，2024年2月25日，星期天4.晶面发育的一般规律第32页,共47页，2024年2月25日，星期天4.晶面发育的一般规律

自然界产生的晶体，绝大部分是从液体中结晶出来的，在液体中晶体的生长，首先是由于温度降低，液体达到过饱和产生晶芽，一旦晶芽形成后，就形成了晶－液界面，在界面上就要进行生长，即组成晶体的原子、离子要按照晶体结构的排列方式堆积起来形成晶体。第33页,共47页，2024年2月25日，星期天4.晶面发育的一般规律1．层生长理论模型（科塞尔理论模型）

（Kossel1927）晶体在理想情况下生长时，先长一条行列，然后长相邻的行列；在长满一层面网后，再开始长第二层面网；晶面（最外面的面网）是平行向外推移而生长的。第34页,共47页，2024年2月25日，星期天4.晶面发育的一般规律

这一模型要讨论的关键问题是：在一个正在生长的晶面上寻找出最佳生长位置，有平坦面、两面凹角位、三面凹角位。其中平坦面只有一个方向成键，两面凹角有两个方向成键，三面凹角有三个方向成键，见图：

第35页,共47页，2024年2月25日，星期天4.晶面发育的一般规律如图，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。看动画第36页,共47页，2024年2月25日，星期天4.晶面发育的一般规律层生长理论可解释如下一些现象：1．晶体常生长成面平、棱直的多面体形态。2．在晶体生长过程中，环境会有变化，不同时刻生成的晶体在物理性质和成分等方面可能有细微的变化，因而在晶体的端面上常常可以看到带状构造，晶面是平行向外推移生长的。3．由于晶面是平行向外推移生长的，所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。第37页,共47页，2024年2月25日，星期天4.晶面发育的一般规律第38页,共47页，2024年2月25日，星期天4.晶面发育的一般规律晶面、晶棱、角顶与面网、行列、节点的关系第39页,共47页，2024年2月25日，星期天4.晶面发育的一般规律2.布拉维法则晶体上的实际晶面往往平行于面网密度大的面网。为什么？面网密度大—面网间距大—对生长质点吸引力小—生长速度慢生长速度慢—在晶形上保留—生长速度快—尖灭第40页,共47页，2024年2月25日，星期天4.晶面发育的一般规律看动画第41页,共47页，2024年2月25日，星期天4.晶面发育的一般规律3.面角守恒定律

同种晶体虽然它们的形状和大小可各不相同，但它们之间