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1、结晶学与矿物学Crystallography and Mineralogy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、个性分支学科：v几何结晶学研究晶体宏观形态几何规律，主要 是对称规律。v晶体结构学研究晶体内部结构几何规律及缺陷 。v晶体化学研究晶体成分与结构的关系。v晶体生长学研究晶体生长机理及其影响因素。v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
2、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石英（Quartz）什么是晶体？1.晶体、非晶体与准晶体的概念。电气石(Tourmaline)钼铅矿(Wulfenite)铬铅矿（Crocoite ） 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。晶体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。 homogeneous solid conta
3、ining long-range order in three dimensionalspace.1.晶体、非晶体与准晶体的概念。石盐的晶体结构研究表明， 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。石英 玻璃-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。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
4、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小结小结晶体晶体：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。2.空间格子的概念v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。 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
5、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。）2.空间格子的概念v相当点 两个条件：1.性质相同，2.周围环境相同。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。2.空间格子的概念v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。v空间格子为无限图形。图2-3空间格子的一般形状2.空间格子的概念v空间格子要素v1.结点：空间格子中的点，代表晶体构造中 的等同点。v2.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
6、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。 2.空间格子的概念v3.面网：结点在平面上的分布。v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。v 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。d1d2d32.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 。v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。 a bc平行六面体对应的实际晶体中相应的范围叫晶
7、胞 。2.空间格子的概念NaCl晶胞金红石晶胞3.晶体的基本性质3.晶体的基本性质v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。v1.自限性: 晶体能够自发地生长成规则的几 何多面体形态。3.晶体的基本性质v2.均一性:同一晶体的不同部分物理化学性质完全相 同。v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
8、为结晶均一性。3.晶体的基本性质v3.异向性：同一晶体不同方向具有不同的物理性质 。v例如：蓝晶石的不同方向上硬度不同：AAAA方向，方向，HH4545，小刀可刻动。小刀可刻动。BBBB方向，方向，HH6565，小刀不能刻动。小刀不能刻动。v思考：均一性与异向性有矛盾吗？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 ：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3.晶体的基本性质6.
9、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。3.晶体的基本性质v稳定性晶体与非晶体加热曲线4.晶面发育的一般规律4.晶面发育的一般规律v 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
10、堆积起来 形成晶体。4.晶面发育的一般规律v1层生长理论模型（科塞尔理论模型） （Kossel 1927）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。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：4.晶面发育的一般规律v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。v这样，最理想的晶体生长
11、 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。4.晶面发育的一般规律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4.晶面发育的一般规律v2.布拉维法则
12、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4.晶面发育的一般规律看动画4.晶面发育的一般规律v3.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，但它们之间各相对应的晶面夹角是 相等的，由此提出了面角守恒定律：在相同 的温度、压力条件下，成分和构造相同的所 有晶体，其对应晶面的夹角恒等。面角是指晶面法线之间的夹角。4.晶面发育的一般规律4.晶面发育的一般规律v面角守恒定律的发现，对结晶学的发展起到 了深远的影响:v1.使人们能从实际晶体各种变化的形态中， 找到它们在外形上所固有的基本
13、规律，得以 根据面角关系来恢复晶体的理想形态，从而 奠定了几何结晶学的基础。 v2.通过晶体测角，可鉴定出该晶体的种别。 下面的问题请同学们思考并讨论： 1) 非晶体（玻璃）的定义及特点？（远程规律与近程规律）2) 液体、气体的结构具有什么规律？3) 晶体与非晶体的转化？4) 准晶体的发现及定义： 1984年发现的新现象， 具有远程规律但没有重 复周期。这是什么意思 呢？5) 准晶体与晶体、非晶体 的关系？本章重点总结：本章包括4组重要的基本概念:1) 晶体、格子构造、空间格子、相当点；它们之间 的关系。2) 结点、行列、面网、平行六面体; 结点间距、面 网间距与面网密度的关系.3) 晶体的基本性质：自限性、均一性、异向性、对 称性、最小内能、稳定性，并解释为什么。4) 晶体的层生长理论、布拉维法则及面角守恒定律 。
