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1、结晶学与矿物学CrystallographyandMineralogy 课前的话 课程说明教材和参考书考试方式其他 教材和参考书 教材矿物学简明教程 戈定夷 地质出版社 1989参考书基础结晶学与矿物学 罗谷风 南京大学出版社 1993结晶学及矿物学 上 下 潘兆橹 地质出版社 1993结晶学及矿物学 赵珊茸 高等教育出版社 2004 考试方式 平时成绩占20 包括出勤 上课 作业和实验情况 考试成绩占80 其他 准备一个作业本我的办公地点 地科院2楼地质系办公室课程中有问题随时解决 1 理解要点 一 矿物的概念 绪论 一般认为矿物是在地壳中各种地质作用综合作用下形成的天然单质或化合物 人工制
2、作的 地球以外的应与之区别 矿物绝大多数为固态无机物 少量是液态 自然汞 水等 和气态 二氧化碳 水蒸气等 的 有机矿物较少 琥珀等 化学上均匀 具有相对固定的化学成分 可用化学式表示 但可在一定范围内变化 固体矿物绝大多数是晶质体 其内部的原子或离子作规律的排列而具有一定的结构 少数 固态 矿物是非晶质的 其内部原子或离子不作规律排列 矿物不是固定不变的 一 矿物的概念 2 矿物的定义 绪论 矿物是指地质作用中形成的单质或化合物 具有相对固定的化学成分 晶质矿物还具有确定的内部结构 稳定于一定的物理化学条件 是组成岩石和矿石的基本单元 二 晶体的概念 1 晶体 绪论 晶体是具格子构造的固体
3、2 非晶质 绪论 二 晶体的概念 内部质点不做格子状规则排列的物质叫作非晶质 除气体和液体外 那些看起来是固体 而内部质点不做格子状排列的物质 如玻璃 松香等也是非晶质 应属过冷液体 只有晶体才能称为真正的固体 由图可见 晶体的内部结构中原子 离子是有规律排列的 具格子构造 非晶体的内部结构是不规律的 不具格子构造 但是 非晶体的内部结构在很小的范围内也具有某些有序性 如一个小红点周围分布着三个小蓝点 这种有序性与晶体结构中的一样 我们将这种局部的有序称为近程规律 而在整个结构范围的有序称为远程规律 显然 晶体既有近程规律也有远程规律 非晶体则只有近程规律 液体的结构与非晶态结构相似 也只具有
4、近程规律 在气体中无远程规律也无近程规律 晶体与非晶体结构 平面 示意图 a 晶体 b 玻璃 非晶体 晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的 例如 岩浆迅速冷凝而成的火山玻璃 在漫长的地质年代中 其内部质点进行着很缓慢的扩散 调整 趋于规则排列 即由非晶态转化为晶态 这一过程称为晶化 crystallizing 或脱玻化 devitrification 晶化过程可以自发进行 因为非晶态内能高 不稳定 而晶态内能小 稳定 相反 晶体也可因内部质点的规则排列遭到破坏而转化为非晶态 这个过程称为非晶化 non crystallizing 非晶化一般需要外能 例如一些含放射性元素矿物晶体 由于受放射
5、性蜕变所发出的 射线的作用 晶体遭到破坏而转变为非晶态 3 准晶体 1984年在电子显微镜研究中 发现了一种新的物态 其内部质点排列具有远程规律 但没有平移周期 即不具格子构造 左图就是一种具有远程规律 但没有平移周期的图形 这种物态是介于晶体与非晶体之间的一种状态 人们称之为准晶态或准晶体 quasicrystal 三 矿物学和结晶学的概念及其学习意义 1 矿物学的内容 绪论 研究矿物的化学成分 内部构造 外表形态 物理性质及其相互关系 并阐述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的科学 其研究的主要对象为地壳中产出的 无机的 晶质矿物 矿物学是一门很古老的学科
6、它的产生和发展是人类长期生产实践的结果 早在我国史前的旧石器时代 人们即开始认识了矿物和岩石 并用来制作生产工具 石器 和装饰品 古代人们用矿物作器具 世界上比较系统描述矿物原料的最早著作应首推我国春秋末战国初 即公元前475年 的 山海经 比西方的 似金属论 石头论 等问世要早得多 且内容更丰富 明代李时珍的医药专著 本草纲目 1596年 全面可靠地描述了38种药用矿物的成分 形态 性质 鉴定特征 产状 产地及药用等 而战国时期 公元前475年 公元前221年 的 管子 地数 中之 管子六条 则系最早揭示矿物共生的客观规律及自然界中某些有用矿产的指示矿物 是成因矿物学 geneticmine
7、ralogy 的萌芽思想之一 德国人阿格里科拉 GeorgiusAgricola 在著作 论矿物的起源 1556年 中首先将矿物与岩石分开 并引入 矿物 这个名词 三 矿物学和结晶学的概念及其学习意义 2 结晶学的内容 绪论 研究晶体发生 生长 外部形态 内部结构及物理性质的科学 早期主要研究对象是自然界中生长的矿物晶体 为矿物学的一部分 到了十九世纪后半叶 成为一门独立的科学 但仍然为矿物学中的重要组成部分 三 矿物学和结晶学的概念及其学习意义 3 在地质专业中的地位 绪论 重要的专业基础课 直接为后继课程 岩石学 构造地质学 石油地质学等打基础 一 表示晶体构造规律性的几何图形 空间格子
8、1 空间格子的概念 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 用以表示晶体内部质点排列的规律性 是从实际晶体构造中抽象出来的一种由相当点排列而成的几何图形 氯化铯的晶体构造 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 一 表示晶体构造规律性的几何图形 空间格子 质点 Cl Cs 在晶体构造中的任一方向上的相同部分呈等间距 周期性的重复出现 排列成三度空间的立体格子 相当点 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 一 表示晶体构造规律性的几何图形 空间格子 为晶体构造中的一系列几何点 这些点周围的环境是完全相同的 即各相当点在相同的方向上隔相同的距离 有相同的质点分布 3 空间格子 lat
9、tice 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 一 表示晶体构造规律性的几何图形 空间格子 从具体的晶体构造中抽象出空间格子 就是通过在晶体构造中选取相当点来实现的 不管相当点选在Cl 离子的中心 还是选在Cs 离子的中心或其他任何地方 抽象出来的空间格子都是一样的 由相当点排列而成的几何图形叫做空间格子 相当点的分布体现了晶体构造中所有质点的重复规律 为了研究晶体内部构造中质点重复的规律而不受晶体大小的限制 可以设想相当点在三度空间是做无限排列的 图a为一晶体的平面结构图 我们在结构中任意选择一个点 例如选在灰色的点 然后在结构中找出此点的相当点 将这套相当点抽取出来 如图b所示 在有
10、些书籍中 将晶体结构中的相当点抽取出来所形成的一系列点的分布图案 称为点阵 再将相当点按一定规则相连就形成了空间格子 如图c所示 我们也可以选择红点或绿点或蓝点作为相当点 可以得到与灰点同样的空间格子 即 晶体结构中的任一点都可以找到与之满足条件的相当点 画出空间格子 同一晶体中以不同套相当点画出的空间格子是完全相同的 如图 2 空间格子的要素 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 一 表示晶体构造规律性的几何图形 空间格子 结点 是空间格子中的点 代表晶体构造中的相当点 在实际晶体构造中 结点可以为相同的离子 原子或分子占据 但结点本身不代表任何质点 是只具有几何意义的几何点 行列 第
11、一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 一 表示晶体构造规律性的几何图形 空间格子 由结点在直线上排列而成 空间格子中任意二结点联结起来的直线就是一条行列 行列中相邻结点之间的距离称为该行列的结点间距 同一行列中结点间距相等 彼此平行的行列结点间距也是相等的 不平行的行列 结点间距一般不等 面网 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 一 表示晶体构造规律性的几何图形 空间格子 由结点在平面上排列而成 空间格子中任意三个不在同一行列上的结点就可联结成一个面网 面网上单位面积内的结点数目称为面网密度 互相平行的面网 面网密度相等 不平行的面网 面网密度一般不等 互相平行的相邻两面网之间的垂
12、直距离称为面网间距 相互平行的面网 面网密度必相同 且任二相邻面网间的垂直距离 面网间距 interplanarspacing 也必定相等 互不平行的面网 面网密度及面网间距一般不同 面网密度大的面网其面网间距亦大 反之 密度小 间距亦小 如左图所示 其中AA BB CC DD 的面网密度依次减小 它们的面网间距d1 d2 d3 d4也依次减小 平行六面体 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 一 表示晶体构造规律性的几何图形 空间格子 是空间格子的最小单位 由三对平行而且相等的面构成 在实际晶体中 这样划分出来的最小单位称为晶胞 空间格子可以看成是平行六面体在三度空间平行 无间隙地重复
13、堆砌而成的 而整个晶体结构可以视为晶胞在三度空间平行 无间隙的重复堆砌 二 晶面发育的一般规律 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 晶体的多面体外形是其格子构造在晶体形态上的反映 晶体多面体为晶面 相当于格子构造的最外层面网 所包围 晶面相交成晶棱 相当于最外边的行列 晶棱汇聚成角顶 相当于结点 晶面 晶棱 角顶与面网 行列 结点的关系示意图 1 科塞尔原理 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 二 晶面发育的一般规律 自然界的晶体 绝大部分是从液体中结晶出来的 温度降低 溶液过饱和 产生晶芽 溶液中的质点向晶芽上粘附 使结晶格子逐渐扩大 科塞尔提出地晶面生长规律 如图所示 1
14、三面凹角位置 2 两面凹角位置 3 新的一层的起点 即先长完一条行列 然后再长相邻行列 长满一层面网或再长第二层面网 晶面是平行地向外推移的 2 布拉维法则 晶体为面网密度大的晶面所包围 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 二 晶面发育的一般规律 生长速度大的晶面逐渐缩小 消失 速度小的扩大 保留 生长速度主要受面网本身的性质 密度 影响 即与晶面的面网密度成反比关系 质点间的吸引力与它们之间距离的平方成反比 密度最小的晶面对介质中的质点的吸引力最大 具有最大的生长速度 3 面角恒等定律 二 晶面发育的一般规律 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 在理想条件下 相同面网密度的晶
15、面生长速度相同 应是同形等大的 但在外界条件影响下 这些晶面得不到相等的发育 形成偏离理想晶体的歪晶 使这些晶面大小悬殊 形状各异 但是 成分和构造相同的所有晶体 其对应晶面间的夹角恒等 称为面角恒等定律 可用格子构造解释 成分和构造相同的晶体 其对应晶面的面网相同 其夹角必然相等 晶体生长时晶面又是平行向外推移的 因此 不论晶体生长的形态如何 其晶面间的夹角是不会改变的 三 晶体的基本性质 1 自限性 selfconfinement 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 晶体具有自发的形成几何多面体形态的性质 即自限性 非晶质是无定形的 不能自发的形成几何多面体形态 如玻璃 2 均一性
16、和异向性 homogeneity anisotropy 三 晶体的基本性质 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 晶体的均一性和异向性是格子构造在晶体性质上的反映 同一晶体的各个部分的性质是一样的 即均一性 主要指各部分的成分 比重等 同一格子构造中 在不同方向上质点排列一般是不一样的 因此 晶体的性质也随方向的不同而有所差异 这就是晶体的异向性 如矿物蓝晶石 又名二硬石 的硬度 随方向的不同而有显著的差别 平行晶体延长的方向的 AA 可用小刀刻动 而垂直于晶体延长的方向的 BB 则小刀不能刻动 晶体具有异向性 但并不排除在某些特定的方向上性质相同 这些方向上质点的排列是一样的 即可具有对称性 非晶质体一般不具有异向性 而表现为等向性 3 最小内能和稳定性 三 晶体的基本性质 第一篇几何结晶学基础 第一章晶体的基本性质 最小内能 minimuminternalenergy 晶体与同种物质的非晶体 液体 气体比较 具有最小内能 晶体结晶时 温度保持恒定 是因为液相组分由无规则状态状为规律排列的结晶格子时 伴有能量的析出 反映在一定温度压力条件下 晶体与成分相同但处于其它状态的物体相
