晶體基本性質(zhì)

晶體基本性質(zhì)第一頁，共六十一頁，2022年，8月28日結(jié)晶學(xué)礦物學(xué)巖石學(xué)晶體光學(xué)參考書目：1、《結(jié)晶學(xué)及礦物學(xué)》，潘兆櫓主編，地質(zhì)出版社，1993年。2、《硅酸鹽巖相學(xué)》，邵國有主編，武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1991年。第二頁，共六十一頁，2022年，8月28日第一篇幾何結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)緒論第一章晶體的基本性質(zhì)第二章晶體的投影第三章晶體的對稱第四章單形和聚形第五章晶體定向和結(jié)晶符號第六章晶體構(gòu)造的幾何理論第七章晶體的規(guī)則連生結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)第三頁，共六十一頁，2022年，8月28日一、礦物的概念礦物是指地質(zhì)作用和天體作用中形成的單質(zhì)或化合物；具有一定的化學(xué)成分；具有一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；在一定的物化條件下穩(wěn)定；是組成巖石和礦石的基本單元。地殼中的礦物約3000種礦物形式:固態(tài)（絕大多數(shù)是晶質(zhì)體）、液態(tài)（汞、水）、氣態(tài)（火山噴氣中的二氧化碳、水蒸氣）人造礦物、合成礦物、隕石礦物、月巖礦物、宇宙礦物礦物的用途廣泛：直接利用礦物本身的特性（物化性質(zhì)）；從礦物中提取有用元素（化學(xué)成分）緒論緒論第四頁，共六十一頁，2022年，8月28日二、晶體和非晶質(zhì)體的概念

1、晶體晶體的研究首先是從研究晶體幾何外形的特征開始在古代，無論中外，都把具有規(guī)則的幾何多面體形態(tài)的水晶稱為晶體凡是具有（非人工琢磨而成）幾何多面體形態(tài)的固體都稱之為晶體（石鹽、方解石、磁鐵礦等）以上兩種定義都是不正確的自然界的礦物一般都是天然晶體。研究礦物將涉及晶體許多固有的特性和結(jié)晶學(xué)法則與定律。因此，學(xué)習(xí)礦物學(xué)必須具備結(jié)晶學(xué)的基礎(chǔ)。緒論第五頁，共六十一頁，2022年，8月28日無色水晶緒論第六頁，共六十一頁，2022年，8月28日水晶晶簇水晶晶簇緒論第七頁，共六十一頁，2022年，8月28日緒論第八頁，共六十一頁，2022年，8月28日黃鐵礦石鹽緒論第九頁，共六十一頁，2022年，8月28日冰州石緒論第十頁，共六十一頁，2022年，8月28日石榴石緒論第十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日長石緒論第十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日緒論第十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日綠柱石緒論第十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日鉆石原石緒論第十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日金剛石緒論第十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日緒論第十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日緒論第十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日緒論第十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日緒論第二十頁，共六十一頁，2022年，8月28日緒論第二十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日常林鉆石常林鉆石緒論第二十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日緒論第二十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日緒論第二十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日石墨緒論第二十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日螢石緒論第二十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日鈣沸石緒論第二十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日1912年，X射線晶體衍射實驗成功，對晶體的研究從晶體的外部進入到晶體的內(nèi)部，使結(jié)晶學(xué)進入一個嶄新的發(fā)展階段?，F(xiàn)已證明，一切晶體不論其外形如何，它的內(nèi)部質(zhì)點（原子、離子或分子）都是在三維空間有規(guī)律排列，主要表現(xiàn)為同種質(zhì)點的周期重復(fù)，構(gòu)成了所謂的“格子構(gòu)造”。所有晶體都具有格子構(gòu)造——晶體的共同特點。緒論第二十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日Cl-Na+石鹽晶體結(jié)構(gòu)緒論晶體的正確的定義：晶體是內(nèi)部質(zhì)點在三維空間呈周期性重復(fù)排列的固體；或者說晶體就是具有格子構(gòu)造的固體。第二十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日緒論第三十頁，共六十一頁，2022年，8月28日2、非晶質(zhì)體

有些狀似固體的物質(zhì)如玻璃、琥珀、松香等，它們的內(nèi)部質(zhì)點不作規(guī)則排列，不具有格子構(gòu)造，稱為非晶質(zhì)體或非晶體。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，非晶體中質(zhì)點的分布頗似于液體，嚴(yán)格地說，它們不是固體，是過冷液體。只有晶體才能稱為真正的固體。緒論第三十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日1985年電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)了一種新的物態(tài)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體形式雖然仍在探索之中，但從其對稱性可見，其質(zhì)點的排列應(yīng)是長程有序，但不體現(xiàn)周期重復(fù)，不存在格子構(gòu)造，人們把它稱為準(zhǔn)晶體。3、準(zhǔn)晶體緒論第三十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日三、結(jié)晶學(xué)的主要研究內(nèi)容晶體生長學(xué)：研究晶體發(fā)生、成長機理和晶體的合成。幾何結(jié)晶學(xué)：研究晶體外形的幾何規(guī)律。晶體結(jié)構(gòu)學(xué)：研究晶體結(jié)構(gòu)的幾何規(guī)律、結(jié)構(gòu)型式和構(gòu)造的缺陷。晶體化學(xué)：主要研究晶體的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并進而探討成分、結(jié)構(gòu)與其性能和生成條件的關(guān)系。晶體物理學(xué)：研究晶體的物理性質(zhì)及其產(chǎn)生機理。緒論第三十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日四、礦物學(xué)主要研究內(nèi)容主要研究對象：地殼中產(chǎn)出的、無機的、晶質(zhì)礦物。主要研究內(nèi)容：礦物化學(xué)成分、內(nèi)部構(gòu)造、形態(tài)、物理性質(zhì)及其相互關(guān)系，并闡明地殼中礦物的形成和變化歷史，探討其時間和空間分布的規(guī)律及其實際用途。緒論第三十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日晶體的空間格子構(gòu)造規(guī)律第一章晶體的基本性質(zhì)

晶體的基本性質(zhì)

晶體發(fā)育的一般規(guī)律第三十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日1、空間格子2、空間格子要素一、晶體的空間格子構(gòu)造規(guī)律

晶體的基本性質(zhì)第三十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日1、空間格子茲以氯化銫（CsCl）的晶體結(jié)構(gòu)為例。無論Cl-

或Cs＋在晶體結(jié)構(gòu)的任何一方向上都是每隔一定的距離重復(fù)出現(xiàn)一次。晶體的基本性質(zhì)第三十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日為進一步揭示質(zhì)點周期性重復(fù)規(guī)律，我們可對它作某種抽象。先在結(jié)構(gòu)中選出任一幾何點，該點可以取在陰或陽離子中心，也可取它們之間的任意一點，然后在結(jié)構(gòu)中找出與此點相當(dāng)?shù)膸缀吸c，稱為“相當(dāng)點”。相當(dāng)點的條件是：⑴若原始幾何點取在質(zhì)點中心，則相當(dāng)點所占的質(zhì)點種類應(yīng)相同，即占據(jù)同種質(zhì)點的中心；⑵質(zhì)點周圍的環(huán)境以及方位應(yīng)是相同的，也就是說這些質(zhì)點周圍相同的方向上要有相同的質(zhì)點。晶體的基本性質(zhì)第三十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日晶體的基本性質(zhì)第三十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日晶體的基本性質(zhì)相當(dāng)點可以簡單的定義為晶體結(jié)構(gòu)中物質(zhì)環(huán)境和幾何環(huán)境完全相同的點，也稱“等同點”。在氯化銫晶體結(jié)構(gòu)中，無論原始點選在Cl－還是Cs＋的中心，或其它任何地方，找出的相當(dāng)點的分布相同。相當(dāng)點的分布可體現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)中所有質(zhì)點的重復(fù)規(guī)律。第四十頁，共六十一頁，2022年，8月28日為研究晶體內(nèi)部質(zhì)點的重復(fù)規(guī)律不受晶體大小限制，設(shè)想空間格子為無限圖形?？臻g格子晶體的基本性質(zhì)例如：1mm3的NaCl晶體結(jié)構(gòu)中包含大約7×1017個相當(dāng)于一個晶胞的小立方體，這樣的圖形，完全可以看成是無限的。相當(dāng)點在三維空間作規(guī)則排列而成的格子狀幾何圖形稱為空間格子。第四十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日2、空間格子要素

⑴結(jié)點：空間格子中的點，代表晶體結(jié)構(gòu)中的相當(dāng)點，只具幾何意義，不代表任何質(zhì)點。但在實際晶體中，結(jié)點的位置可以被同種質(zhì)點所占據(jù)。⑵行列：結(jié)點在直線上的排列即構(gòu)成行列。行列中相鄰結(jié)點間的距離稱為該行列的結(jié)點間距。同一行列或彼此平行的行列上結(jié)點間距相等；不同方向的行列，其結(jié)點間距一般不等。行列晶體的基本性質(zhì)第四十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日面網(wǎng)晶體的基本性質(zhì)⑶面網(wǎng)：結(jié)點在平面上的分布構(gòu)成面網(wǎng)。面網(wǎng)上單位面積內(nèi)結(jié)點的數(shù)目稱為網(wǎng)面密度。互相平行的面網(wǎng)，網(wǎng)面密度相同；不平行的面網(wǎng)，網(wǎng)面密度一般不等。相互平行的相鄰兩面網(wǎng)之間垂直距離稱為面網(wǎng)間距。

第四十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日由八個結(jié)點、六個兩兩平行而且相等的面組成。在實際晶體結(jié)構(gòu)中所劃分出這樣的相應(yīng)的單位稱為晶胞。整個晶體可以視為晶胞在三維空間平行地、毫無間隙地重復(fù)堆砌而成。平行六面體晶體的基本性質(zhì)⑷平行六面體：是空間格子在三維空間上可劃出的最小重復(fù)單位。第四十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日二、晶體的基本性質(zhì)

晶體通常被平的晶面所包圍，晶面相交成直的晶棱，晶棱匯聚成尖的角頂。晶體多面體形態(tài)，是其格子構(gòu)造在外形上的直接反映。晶面、晶棱與角頂分別與格子構(gòu)造中面網(wǎng)、行列及結(jié)點相對應(yīng)。一切晶體所共有的，并且是由晶體的格子構(gòu)造所決定的性質(zhì)，稱為晶體的基本性質(zhì)。晶體的基本性質(zhì)1、自限性：是指晶體在適當(dāng)條件下可以自發(fā)地形成幾何多面體的性質(zhì)。第四十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日3、異向性：同一晶體的格子構(gòu)造中，在不同方向上質(zhì)點的排列一般不同，晶體的性質(zhì)也就隨著方向的不同而有所差異。如藍(lán)晶石的硬度、云母的解理、石英折射率等。4～4.56～7藍(lán)晶石晶體的硬度晶體的基本性質(zhì)2、均一性：由于晶體是具有格子構(gòu)造的固體，在同一晶體的各個不同部分，質(zhì)點的分布一樣，故晶體的各部分的物理化學(xué)性質(zhì)相同。非晶體也具均一性，因不具格子構(gòu)造，其均一性是統(tǒng)計的、平均近似的均一，稱為統(tǒng)計均一性；而晶體均一性取決于格子構(gòu)造，稱為結(jié)晶均一性。兩者有本質(zhì)區(qū)別。第四十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日6、穩(wěn)定性：由于晶體具有最小內(nèi)能，因而結(jié)晶狀態(tài)是一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，質(zhì)點只在其平衡位置上振動。非晶體不穩(wěn)定，有自發(fā)地向晶體轉(zhuǎn)化的趨向。晶體和非晶體在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的。非晶體轉(zhuǎn)化為晶體稱為晶化或脫?；?；反之稱為非晶化或玻璃化。晶體的基本性質(zhì)4、對稱性：是指某種相同的性質(zhì)在不同的方向或位置上作有規(guī)律地重復(fù)。對稱性是晶體非常重要的性質(zhì)，也是晶體分類的基礎(chǔ)。5、最小內(nèi)能：在相同的熱力學(xué)條件下晶體與同種物質(zhì)的非晶質(zhì)體、液體、氣體相比較，其內(nèi)能最小。第四十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日三、晶體發(fā)育的一般規(guī)律晶體的發(fā)生和成長，實質(zhì)上是在一定條件下組成物質(zhì)的質(zhì)點按照格子構(gòu)造規(guī)律排列的結(jié)果。1、晶體的形成方式⑴由液相轉(zhuǎn)變?yōu)榫w

a、從熔體中結(jié)晶：熔體過冷卻b、從溶液中結(jié)晶：溶液過飽和（溫度降低、水分蒸發(fā)）、通過化學(xué)反應(yīng)生成難溶物質(zhì)。⑵由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)榫w⑶由固相再結(jié)晶為固相：如由細(xì)粒方解石晶體組成的石灰?guī)r與巖漿巖接觸時，受熱后可以形成由粗粒方解石晶體組成的大理巖。再如玻璃轉(zhuǎn)化為結(jié)晶質(zhì)。晶體的基本性質(zhì)第四十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日晶體的基本性質(zhì)2、晶核的形成

晶體生成的一般過程是先生成晶核，而后再逐漸長大。一般認(rèn)為晶體從液或氣相中生長有三個階段：①介質(zhì)達(dá)到過飽和、過冷卻階段；②成核階段；③生長階段。某種介質(zhì)體系中，過飽和、過冷卻狀態(tài)的出現(xiàn)，并不意味著整個體系的同時結(jié)晶，體系內(nèi)各處首先出現(xiàn)瞬時的微細(xì)粒結(jié)晶粒子，我們把這種最先形成的微晶粒稱為晶核（晶芽，籽晶）。然后，溶液中的質(zhì)點向晶核上粘附而使結(jié)晶格子逐漸擴大，晶體圍繞著晶核生長。第四十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日

Kossel在1927年首先提出，后經(jīng)斯特蘭斯基（Stranski）加以發(fā)展的晶體層生長理論。

晶核表面可能有三種不同的位置，即三面凹角1、二面凹角2和一般位置3。介質(zhì)中的質(zhì)點被晶核吸附后，向晶核堆積時優(yōu)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積。3、晶體的生長理論⑴層生長理論（科塞爾－斯特蘭斯基理論）晶體的基本性質(zhì)第五十頁，共六十一頁，2022年，8月28日晶體的基本性質(zhì)層生長理論:晶體在理想情況下生長時，先長成一條行列，然后再長相鄰的行列；在長滿一層面網(wǎng)后，再開始長第二層面網(wǎng)、第三層面網(wǎng)……。晶面（晶體最外層的面網(wǎng)）是平行向外推移生長的。第五十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日層生長理論可以解釋：晶體生長為面平、棱直的幾何多面體形態(tài)。晶體斷面上的帶狀構(gòu)造。反之表明晶面是平行向外推移生長的。面角恒等定律。晶體由小長大，許多晶面向外平行移動的軌跡形成以晶體中心為頂點的錐狀體，稱“生長錐”或“砂鐘狀構(gòu)造”。寶塔飛檐晶體的基本性質(zhì)第五十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日①實際情況復(fù)雜很多，一次沉淀在一個晶面上的物質(zhì)層的厚度?？蛇_(dá)幾萬或幾十萬個分子層。同時也不一定是逐層堆積，而是一層尚未長完，又一新層開始生長，結(jié)果可能使晶面不平坦，成為階梯狀稱為“晶面階梯”。②已長好的面網(wǎng)對溶液中的質(zhì)點的引力較小，不易克服質(zhì)點的熱振動使質(zhì)點就位。因此在過飽和度或過冷卻度較低時，晶體的生長需要用其它理論解釋。層生長理論的不足：主要是把晶體生長過程簡單化。晶面的階梯狀生長晶體的基本性質(zhì)第五十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日晶體的基本性質(zhì)第五十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日（2）螺旋生長理論（弗朗克等，1949、1951，簡稱“BCF理論”）

在晶體生長界面上螺旋位錯露頭點所出現(xiàn)的凹角可作為晶體生長的永不消失的臺階源，晶體就圍繞著螺旋位錯露頭點旋轉(zhuǎn)生長。隨著晶體的不斷長大，最終表現(xiàn)在晶面上形成能提供生長條件信息的各種樣式的螺旋紋。成功解釋了晶體在很低的過飽和度下生長的實際現(xiàn)象。晶體的基本性質(zhì)第五十五頁，共六十一頁，2022年，8月28