晶体矿物学结晶学基础

关于晶体矿物学结晶学基础

第一节晶体的概念

一、多样的晶体世界

1.晶体是自然界广泛存在的一类物体。2.晶体常呈一定形状的几何多面体产出。水晶绿柱石辰砂铁铝石榴子石白铁矿石盐第2页,共28页，2024年2月25日，星期天

第一节晶体的概念

二、晶体的概念1.概念：晶体是具有格子构造的固体。2.格子构造：晶体内部的质点（分子、原子、离子、络阴离子等）在三维空间作周期性重复排列构成格子构造。Cl-Na+晶面晶棱石盐的晶体结构第3页,共28页，2024年2月25日，星期天二、晶体的概念

3.晶体与非晶体

4.准晶体：介于晶体与非晶体之间的凝聚态物体。

1984年，ShechtmanandCahn及我国学者叶恒强和国可信在快速冷却的Al12Mn和(Ti0.9V0.1)Ni合金中各自独立发现的。

第一节晶体的概念第4页,共28页，2024年2月25日，星期天

第二节晶体的空间格子一、空间格子（空间点阵）

1.空间格子：表示晶体内部质点重复规律的几何图形。

2.相当点：在晶体结构中，性质、环境和方位相同的点。

NａCl晶体中的结构微粒：（Cｌ－）（Na+）第5页,共28页，2024年2月25日，星期天二、空间格子要素

1.结点

2.行列

3.面网

4.平行六面体

第二节晶体的空间格子A0A1B1C1a0b0c0(a)(b)(c)平行六面体是空间格子的最小组成单位。晶体结构中，把最小组成单位称为晶胞。晶胞在三维空间无间隙的重复排列形成晶体。第6页,共28页，2024年2月25日，星期天三、十四种空间格子

1.平行六面体的几何特征：大小；形态；结点的分布等。

1）平行六面体的形态和大小由格子常数决定的。三个棱长：a0、b0、c0

格子常数夹角：α、β、γ2）格子常数组合关系有七种，相应有七种不同的空间格子。2.七种空间格子

第二节晶体的空间格子a0a0c0立方格子a0=b0=c0Α=β=γ=90°四方格子a0=b0≠c0Α=β=γ=90°第7页,共28页，2024年2月25日，星期天

第二节晶体的空间格子三、十四种空间格子

2.七种空间格子

a0c0120°六方格子a0=b0≠c0α=β=90°γ=120°三方格子a0=b0=c0α=β=γ≠90°αa0斜方格子a0≠b0≠c0α=β=γ=90°单斜格子a0≠b0≠c0α=γ=90°β≠90°三斜格子a0≠b0≠c0α≠β≠γ≠90°a0b0c0a0b0c0βa0b0c0αβγ第8页,共28页，2024年2月25日，星期天

第二节晶体的空间格子三、十四种空间格子

3.结点在平行六面体中分布情况不同，将空间格子分为以下四种：

原始格子（P）底心格子（C）体心格子（I）面心格子（F）4.布拉维格子：14种第9页,共28页，2024年2月25日，星期天原始格子底心格子体心格子面心格子三斜晶系单斜晶系斜方晶系四方晶系三方晶系六方晶系等轴晶系第10页,共28页，2024年2月25日，星期天晶系原始格子（P）底心格子（C）体心格子（I）面心格子（F）三斜

C=II=FF=P单斜

I=F

F=C斜方四方C=P

F=I

三方与本晶系对称不符I=FF=P六方与本晶系对称不符与空间格子的条件不符与空间格子的条件不符等轴与本晶系对称不符第11页,共28页，2024年2月25日，星期天理论：由7种平行六面体和4种结点分布规律应有7×4=28种格子类型实际：只有14种格子类型原理：将重复者和不存在者去掉实例：四方底心格子等于四方原始格子；三斜面心格子等于三斜原始格子。第12页,共28页，2024年2月25日，星期天一、自限性二、均一性和异向性

1.均一性：同一晶体的各个部分性质相同。

2.异向性：同一晶体（格子构造），不同方向上质点的排列特征不同，晶体的性质随着方向不同有所差异。如：云母、方解石等在解理性之上存在的差异；蓝晶石的硬度（如图）。三、对称性四、一定的熔点五、最小热力学能和稳定性

相同热力学条件下，晶体与同种物质的气体、液体和非晶质相比，其热力学能最小。

第三节晶体的基本性质AA１B１BAA1方向硬度为4~5，小刀能刻动；BB1方向硬度为6.5~7，小刀不能刻动；第13页,共28页，2024年2月25日，星期天一、晶体的形成方式1.由气相转变为晶体凝华作用；条件：过冷或过饱和蒸汽压事例：在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯化钠的晶体。雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体。2.由液相转变为晶体1).从熔体中结晶，即熔体过冷却时发生结晶现象，出现晶体；2).从溶液中结晶，即溶液达到过饱和时，析出晶体；3).水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，盐类矿物结晶出来；4).通过化学反应生成难溶物质。

第四节晶体的形成第14页,共28页，2024年2月25日，星期天石盐第15页,共28页，2024年2月25日，星期天

第四节晶体的形成一、晶体的形成方式3.由固相变为晶体：

1).同质多象转变是某种晶体在热力学条件改变的时候，转变为另一种在新条件下稳定的晶体；

2).原矿物晶粒逐渐变大，如由细粒方解石组成的石灰岩与岩浆接触时，受热再结晶成为由粗粒方解石组成的大理岩；

3).固溶体分解，在一定温度下固溶体可以分离成为几种独立矿物；

4).变晶，矿物在定向压力方向上溶解，而在垂直于压力方向上结晶，因而形成一向延长或二向延展的变质矿物，如角闪石、云母晶体等；

5).由固态非晶质结晶，火山喷发出的熔岩流迅速冷却，固结成为非晶质的火山玻璃，这种火山玻璃经过千百年以上的长时间以后，可逐渐转变为结晶质。

细粒方解石大理岩第16页,共28页，2024年2月25日，星期天

第四节晶体的形成二、晶体的生长理论1.科塞尔理论（层生长理论）

科塞尔(Kossel，1927)首先提出，后经斯特兰斯基(Stranski)加以发展的晶体的层生长理论亦称为科塞尔—斯特兰斯基理论。

它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时，质点在界面上进入晶格“座位”的最佳位置是具有三面凹入角的位置。质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最大。因为每一个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的晶格上就位时，最可能结合的位置是能量上最有利的位置，即结合成键时应该是成键数目最多，释放出能量最大的位置。质点在生长中的晶体表面上所可能有的各种生长位置（如图）：

k为曲折面，具有三面凹人角，是最有利的生长位置；其次是S阶梯面，具有二面凹入角的位置；最不利的生长位置是A。由此可以得出如下的结论即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(最外的面网)是平行向外推移而生长的。第17页,共28页，2024年2月25日，星期天

第四节晶体的形成科塞尔理论可以解释如下的一些生长现象：

1)晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。

2)在晶体生长的过程中，环境可能有所变化，不同时刻生成的晶体在物性(如颜色)和成分等方面可能有细微的变化，因而在晶体的断面上常常可以看到带状构造。它表明晶面是平行向外推移生长的。

3)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)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为生长锥或砂钟状构造。在薄片中常常能看到。第18页,共28页，2024年2月25日，星期天显晶质赤铁矿第19页,共28页，2024年2月25日，星期天晶体生长的实际情况要比简单层生长理论复杂得多。往往一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度可达几万或几十万个分子层。同时亦不一定是一层一层地顺序堆积，而是一层尚未长完，又有一个新层开始生长。这样继续生长下去的结果，使晶体表面不平坦，成为阶梯状称为晶面阶梯。科塞尔理论虽然有其正确的方面，但实际晶体生长过程并非完全按照二维层生长的机制进行的。因为当晶体的一层面网生长完成之后，再在其上开始生长第二层面网时有很大的困难，其原因是已长好的面网对溶液中质点的引力较小，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的情况下，晶的生长就需要用其它的生长机制加以解释。

第四节晶体的形成第20页,共28页，2024年2月25日，星期天

第四节晶体的形成二、晶体的生长理论2.螺旋生长理论

弗朗克等人(1949，1951)研究了气相中晶体生长的情况，估计二维层生长所需的过饱和度不小于25—50％。然而在实验中却难以达到与过饱和度相应的生长速度，并且在过饱和度小于1％的气相中晶体亦能生长。这种现象并不是层生长理论所能解释的。他们根据实际晶体结构的各种缺陷中最常见的位错现象，提出了晶体的螺旋生长理论，即征晶体生长界面上螺旋位错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面四角可作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。这样便成功地解释了晶体在很低的过饱和度下能够生长的实际现象。晶体的位错第21页,共28页，2024年2月25日，星期天

第四节晶体的形成二、晶体的生长理论2.螺旋生长理论印度结晶学家弗尔麻(Verma，1951)对SiC晶体表面上的生长螺旋纹及其他大量螺旋纹的观察，证实了这个理论在晶体生长过程中的重要作用。位错的出现，在晶体的界面上提供了一个永不消失的台阶源。晶体将围绕螺旋位错露头点旋转生长。螺旋式的台阶并不随着原子面网一层层生长而消失，从而使螺旋式生长持续下去。螺旋状生长与层状生长不同的是台阶并不直线式地等速前进扫过晶面，而是围绕着螺旋位错的轴线螺旋状前进。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。

SiC晶体表面上的生长螺旋纹S螺旋生长模式第22页,共28页，2024年2月25日，星期天

第四节晶体的形成三、布拉维法则

1855年，法国结晶学家布拉维(A．Bravis)从晶体具有空间格子构造的几何概念出发，论述了实际晶面与空间格子构造中面网之间的关系，即实际晶体的晶面常常平行网面结点密度最大的面网，这就是布拉维法则。布拉维的这一结论系根据晶体上不同晶面的相对生长速度与网面上结点的密度成反比的推论引导而出的。所谓晶面生长速度是指单位时间内晶面在其垂直方向上增长的厚度。晶面AB的网面上结点的密度最大，网面间距也最大，网面对外来质点的引力小，生长速度慢，晶面横向扩展，最终保留在晶体上；CD晶面次之；BC晶面的网面上结点密度最小，网面间距也就小，网面对外来质点引力大，生长速度最快，横向逐渐缩小以致晶面最终消失；因此，实际晶体上的晶面常是网面上结点密度较大的面。第23页