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1、主讲教师：宫丽主讲教师：宫丽联系方式：联系方式：136上篇上篇 结晶学结晶学第一章第一章 晶体及结晶学晶体及结晶学第二章第二章 晶体的测量与投影晶体的测量与投影第三章第三章 晶体的宏观对称晶体的宏观对称第四章第四章 晶体定向与结晶符号晶体定向与结晶符号第五章第五章 单形和聚形单形和聚形第六章第六章 群论基础及其在晶体群论基础及其在晶体对称理论中的应用对称理论中的应用(略略)第七章第七章 晶体内部结构的微观晶体内部结构的微观对称对称第八章第八章 晶体生长简介晶体生长简介第九章第九章 晶体的规则连生晶体的规则连生第十章第十章 晶体化学简介晶体化学简介下篇下篇 矿物学矿物学第十一章第十一章 矿物及矿
2、物学矿物及矿物学第十二章第十二章 矿物的化学成分矿物的化学成分第十三章第十三章 矿物的形态矿物的形态第十四章第十四章 矿物的物理性质矿物的物理性质第十五章第十五章 矿物的成因矿物的成因第十六章第十六章 矿物的鉴定和研究方法简介矿物的鉴定和研究方法简介第十七章第十七章 矿物的分类和命名矿物的分类和命名第十八章第十八章 自然元素大类自然元素大类第十九章第十九章 硫化物及其类似化合物大类硫化物及其类似化合物大类第二十章第二十章 氧化物和氢氧化物大类氧化物和氢氧化物大类第二十一章第二十一章 含氧盐大类（一）含氧盐大类（一）-硅硅酸盐类酸盐类第二十二章第二十二章 含氧盐大类（二）含氧盐大类（二）第二十三
3、章第二十三章 卤化物大类卤化物大类第二十四章第二十四章 我国发现的新矿物概述我国发现的新矿物概述(略略)结晶学及矿物学236课程简介：课程简介：结晶学：以晶体为研究对象，主要研究晶体的对结晶学：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。的晶体种类。特点：空间性、抽象性、逻辑性、理性、共性特点：空间性、抽象性、逻辑性、理性、共性与后续矿物学形成明显的对比：与后续矿物学形成明显的对比：矿物学：以矿物学：以矿物晶体为研究对象，主要研究各具矿物晶体为研究对象，主要研究各具体矿物晶体的成分、形态、物理性质、成因特
4、点等。体矿物晶体的成分、形态、物理性质、成因特点等。特点：经验性、具体性、归纳分类性、特点：经验性、具体性、归纳分类性、感性、感性、个个性性336结晶学（晶体学）发展历史及分支学科简介：结晶学（晶体学）发展历史及分支学科简介：结晶学始于结晶学始于17世纪中叶人类的矿业活动，与天文学一世纪中叶人类的矿业活动，与天文学一起成为人类认识物质世界发展最早的两门自然科学。起成为人类认识物质世界发展最早的两门自然科学。p1718世纪：以研究晶体形态为主，也初步推测研究世纪：以研究晶体形态为主，也初步推测研究晶体内部结构的几何规律；这一阶段主要以数学为工具晶体内部结构的几何规律；这一阶段主要以数学为工具（同
5、种矿物的晶体其对应晶面夹角守恒）。（同种矿物的晶体其对应晶面夹角守恒）。p19世纪末世纪末20世纪初：世纪初：X射线的发现及其对晶体结射线的发现及其对晶体结构的测量，进入晶体内部结构研究阶段；构的测量，进入晶体内部结构研究阶段；p20世纪世纪70年代以来：透射电镜研究晶体内部超微结构年代以来：透射电镜研究晶体内部超微结构细节；细节；p20世纪世纪80年代，发现准晶体，开辟了晶体对称理论新年代，发现准晶体，开辟了晶体对称理论新领域。领域。436经典的结晶学是以几何或数学的理论研究晶体宏观形经典的结晶学是以几何或数学的理论研究晶体宏观形态中晶面分布规律、内部结构中质点分布规律，主要是态中晶面分布规
6、律、内部结构中质点分布规律，主要是对称规律。对称规律。分支学科：分支学科：（X射线）射线）晶体结构学晶体结构学 研究各原子离子占位及成键研究各原子离子占位及成键的具体规律、结构缺陷，的具体规律、结构缺陷，X射线测试晶体结构的原理与方射线测试晶体结构的原理与方法法 。晶体化学晶体化学研究晶体成分、化学键及其与晶体结构的研究晶体成分、化学键及其与晶体结构的关系。关系。晶体生长学晶体生长学研究晶体生长机理及其影响因素。研究晶体生长机理及其影响因素。晶体物理学晶体物理学研究晶体的光、电、磁等物理性质受晶研究晶体的光、电、磁等物理性质受晶体对称影响产生的各向异性规律。体对称影响产生的各向异性规律。本课程
7、以经典结晶学（几何结晶学）为主，即主要介本课程以经典结晶学（几何结晶学）为主，即主要介绍晶体形态对称规律及晶体内部结构对称规律；简介晶绍晶体形态对称规律及晶体内部结构对称规律；简介晶体化学与晶体生长。晶体物理学在体化学与晶体生长。晶体物理学在“矿物学矿物学”部分的第部分的第14章（矿物物理性质）有初步介绍。章（矿物物理性质）有初步介绍。536第一章第一章 晶体及结晶学晶体及结晶学636第一章第一章 晶体及结晶学晶体及结晶学一、晶体概念发展过程一、晶体概念发展过程一、晶体概念发展过程一、晶体概念发展过程早期定义：具有规则几何多面体形态的水晶早期定义：具有规则几何多面体形态的水晶晶体的内部本质是什
8、么？晶体的内部本质是什么？ 其他矿物其他矿物规则几何多面体形态规则几何多面体形态晶体的现代定义：晶体的现代定义： 内部质点在三维空间周期性重复排列（格子构造）内部质点在三维空间周期性重复排列（格子构造）所构成的固体物质。所构成的固体物质。 有些晶体不发育成几何多面体外形有些晶体不发育成几何多面体外形 736836非晶体（非晶态）：不具格子构造的固态物质。晶体晶体：内部结构中：内部结构中原子、离子是有规律原子、离子是有规律排列的，具格子构造；排列的，具格子构造；非晶体非晶体：内部结构：内部结构是不规律的，不具格是不规律的，不具格子构造。子构造。近程规律近程规律：非晶体：非晶体的内部结构在很小范的
9、内部结构在很小范围内具某些有序性；围内具某些有序性；远程规律远程规律：在整个：在整个结构范围的有序。结构范围的有序。晶体晶体既有近程规律也有远程规律，既有近程规律也有远程规律，非晶体非晶体只有近程规律。只有近程规律。晶体与非晶体结构（平面）示意图晶体与非晶体结构（平面）示意图（a）晶体，（）晶体，（b）玻璃（非晶体）玻璃（非晶体）936液体结构液体结构也只具有近程规律；气体既无远程规律，也只具有近程规律；气体既无远程规律，也无近程规律。也无近程规律。晶化：晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化晶化：晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化如：火山玻璃晶体脱玻化，脱玻化，自发进行自发进行晶体比非晶体稳
10、定晶体比非晶体稳定，故自然界中绝大多数物质是，故自然界中绝大多数物质是晶体。但颗粒大小悬殊，微米级几米或几十米。晶体。但颗粒大小悬殊，微米级几米或几十米。非晶体热力学能高、不稳定非晶体热力学能高、不稳定内能小、稳定内能小、稳定非晶化：晶体因内部非晶化：晶体因内部质点的点的规则排列遭到破坏排列遭到破坏转化化为非晶体。非晶化一般需要外能。非晶体。非晶化一般需要外能。例如，一些含放射性元素的矿物晶体，由于受放射性蜕变所发出例如，一些含放射性元素的矿物晶体，由于受放射性蜕变所发出的的射线的作用，晶体遭到破坏而转变为非晶体。射线的作用，晶体遭到破坏而转变为非晶体。1036准晶体(准晶态)：介于晶体与非晶
11、体之间具有近程和远程规律，没有平移周期（不具格子构造）具有近程和远程规律，没有平移周期（不具格子构造）1984年电子显微镜研究 1136具五次对称轴，具五次对称轴，无格子构造无格子构造短程有序1236晶体内部结构最基本特征：具格子构造晶体内部结构最基本特征：具格子构造二、空间格子二、空间格子二、空间格子二、空间格子质点质点(原子、离子或分子原子、离子或分子)在三维空间有规律地周期性重复排列在三维空间有规律地周期性重复排列空间格子：表示晶体内部结构中质点周期性重复排空间格子：表示晶体内部结构中质点周期性重复排列规律的几何图形。列规律的几何图形。具体晶体结构很复杂，含许多原子、离子，我们很辨清它们
12、的重复规律，具体晶体结构很复杂，含许多原子、离子，我们很辨清它们的重复规律，如果避开原子、离子，从晶体结构中找出周期重复规律性，画出空间格如果避开原子、离子，从晶体结构中找出周期重复规律性，画出空间格子，具体、复杂的晶体结构的周期重复规律性就会变得一目了然。子，具体、复杂的晶体结构的周期重复规律性就会变得一目了然。从晶体结构中画出空间格子，必须找出相当点。从晶体结构中画出空间格子，必须找出相当点。相当点相当点（满足两个条件）：（满足两个条件）：点的内容点的内容(或种类或种类)相同；相同；点点的周围环境相同。的周围环境相同。将相当点按照一定规则连接起来将相当点按照一定规则连接起来 空间格子空间格
13、子1336空间格子的导出：空间格子的导出：为简化，我们从平面结构中寻找为简化，我们从平面结构中寻找找相当点找相当点 连接相当点连接相当点二、空间格子二、空间格子二、空间格子二、空间格子1436注意相当点的选取：注意相当点的选取：不同套的相当点在空间的分布都是一样的不同套的相当点在空间的分布都是一样的 同种质点并不一定是相当点 右图中右图中0 02-2-分属几套相当点分属几套相当点? ?请同学们自己找出请同学们自己找出O O2-2-的相当点并画出空间格子。的相当点并画出空间格子。 1536几何几何结晶学研究的内容晶学研究的内容晶体内部结构晶体内部结构是主要空间格子及其对称规律，不是主要空间格子及
14、其对称规律，不涉及具体晶体结构中的离子、原子等。涉及具体晶体结构中的离子、原子等。空空间格子格子这一一简单的几何的几何图形包含了晶体形包含了晶体结构中构中最重要、最本最重要、最本质的的规律，律，它在研究晶体宏它在研究晶体宏观与微与微观对称、晶体生称、晶体生长等方面等方面起着非常重要的作用。起着非常重要的作用。 空空间格子的意格子的意义1636结点（结点（格点）：格点）：空间格子中的点空间格子中的点晶体结构中的相当点。晶体结构中的相当点。空间格子特点空间格子特点空间格子要素：空间格子要素：实际晶体中，结点的位置一实际晶体中，结点的位置一实际晶体中，结点的位置一实际晶体中，结点的位置一定是由同种质
15、点所占据；定是由同种质点所占据；定是由同种质点所占据；定是由同种质点所占据；实际晶体中的同种质点并不实际晶体中的同种质点并不实际晶体中的同种质点并不实际晶体中的同种质点并不一定只占据在同一套结点上；一定只占据在同一套结点上；一定只占据在同一套结点上；一定只占据在同一套结点上；就结点本身而言，不代表任何质点，只具几何意义，为几何点。就结点本身而言，不代表任何质点，只具几何意义，为几何点。1736空间格子要素：空间格子要素：空间格子要素：空间格子要素：行列行列结点在直线上的排列即构成行列结点在直线上的排列即构成行列。空间格子中任意两个结点联结起来就是一条行列的方向。空间格子中任意两个结点联结起来就
16、是一条行列的方向。 同一行列中结点间距相等同一行列中结点间距相等 在平行的行列上结点间距也相等；在平行的行列上结点间距也相等； 不同方向的行列，结点间距一般不等。不同方向的行列，结点间距一般不等。结点间距结点间距：行列中相邻结点间的距离：行列中相邻结点间的距离1836面网密度面网密度面网密度面网密度：面网上单位面积内结点的密度。面网上单位面积内结点的密度。面网上单位面积内结点的密度。面网上单位面积内结点的密度。面网面网结点在平面上的分布即构成面网结点在平面上的分布即构成面网结点在平面上的分布即构成面网结点在平面上的分布即构成面网。空间格子要素：空间格子要素：空间格子要素：空间格子要素：相互平行
17、的面网，面网密度必相同相互平行的面网，面网密度必相同面网间距：面网间距：面网间距：面网间距：任意两相邻面网间的垂直距离。任意两相邻面网间的垂直距离。任意两相邻面网间的垂直距离。任意两相邻面网间的垂直距离。相互平行的面网，面网密度必相同，面网相互平行的面网，面网密度必相同，面网间距也必定相等距也必定相等互不平行的面网，面网密度及面网互不平行的面网，面网密度及面网间距一般不同距一般不同面网密度大的面网，其面网面网密度大的面网，其面网间距亦大，反之，密度小，距亦大，反之，密度小，间距亦小距亦小空空间格子中任意两个相交的行列格子中任意两个相交的行列决定一个面网决定一个面网一个面网上的一个面网上的结点分
18、布点分布可以可以连接成一个一个的平行四接成一个一个的平行四边形形1936面网面网AA间距间距d1面网面网BB间距间距d2面网面网CC间距间距d3面网面网DD间距间距d4面网间距依次减小面网间距依次减小,面网密面网密度也依次减小的度也依次减小的.所以所以: 面网密度与面网间距面网密度与面网间距成正比成正比.面网间距与面网间距与 面网密度的关系：面网密度的关系： 首先要将右图看成首先要将右图看成一个立体图的投影，一个立体图的投影，即：点代表一个行列即：点代表一个行列的投影，点之间的连的投影，点之间的连线代表面网的投影。线代表面网的投影。2036空间格子要素：空间格子要素：空间格子要素：空间格子要素
19、：平行六面体平行六面体平行六面体平行六面体空间格子可以划出一个最小重复单位空间格子可以划出一个最小重复单位空间格子可以划出一个最小重复单位空间格子可以划出一个最小重复单位 平行六面体：平行六面体：平行六面体：平行六面体：由由由由6 6 6 6个两两平行而且相等的面个两两平行而且相等的面个两两平行而且相等的面个两两平行而且相等的面组组成成成成 晶胞晶胞晶胞晶胞：实际实际晶体晶体晶体晶体结结构中所划分出的相构中所划分出的相构中所划分出的相构中所划分出的相应应的的的的单单位位位位 整个晶体整个晶体整个晶体整个晶体结结构：构：构：构：晶胞在三晶胞在三晶胞在三晶胞在三维维空空空空间间平行地、无平行地、无
20、平行地、无平行地、无间间隙重复累叠。隙重复累叠。隙重复累叠。隙重复累叠。 晶胞的形状与大小：晶胞的形状与大小：晶胞的形状与大小：晶胞的形状与大小：取决取决取决取决轴长轴长(a(a(a(a，b b b b，c)c)c)c)和和和和轴轴角角角角( ( ( () ) ) )。acb2136NaCl晶胞晶胞金红石晶胞金红石晶胞平行六面体对应的实际晶体中相应的范围叫平行六面体对应的实际晶体中相应的范围叫晶胞晶胞。2236平行六面体可具有各种不同的形状，各种形状的平平行六面体可具有各种不同的形状，各种形状的平行六面体的轴长与轴角（晶胞参数）怎么样？行六面体的轴长与轴角（晶胞参数）怎么样？我们以后将会看到，
21、平行六面体的形状一共有我们以后将会看到，平行六面体的形状一共有7 7种，种，对应有对应有7 7套晶胞参数的形式，也对应套晶胞参数的形式，也对应7 7个晶系。个晶系。即：平行六面体的形状决定了晶体的所属晶系，也即：平行六面体的形状决定了晶体的所属晶系，也决定了晶体不同的对称性质。决定了晶体不同的对称性质。2336自限性自限性：是指晶体在适当条件下可以自发：是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体外形的性质。地形成几何多面体外形的性质。三、晶体的基本性质三、晶体的基本性质晶体所共有的、由格子构造所决定晶体为平的晶面所包围晶体为平的晶面所包围晶体为平的晶面所包围晶体为平的晶面所包围晶面相交成直的
22、晶棱晶面相交成直的晶棱晶面相交成直的晶棱晶面相交成直的晶棱晶棱会聚成尖的角顶晶棱会聚成尖的角顶晶棱会聚成尖的角顶晶棱会聚成尖的角顶面网面网面网面网 晶面晶面晶面晶面行列行列行列行列 晶棱晶棱晶棱晶棱结点结点结点结点 角顶角顶角顶角顶2436矿物自限性2536矿物自限性2636玻璃的不同部分折射率、膨玻璃的不同部分折射率、膨玻璃的不同部分折射率、膨玻璃的不同部分折射率、膨胀胀系数、系数、系数、系数、热导热导率等均相同。率等均相同。率等均相同。率等均相同。液体和气体也具有液体和气体也具有液体和气体也具有液体和气体也具有统计统计均一性。均一性。均一性。均一性。 三、晶体的基本性质三、晶体的基本性质均
23、一性均一性均一性均一性：晶体是具有格子状构造的固体，：晶体是具有格子状构造的固体，：晶体是具有格子状构造的固体，：晶体是具有格子状构造的固体，在同一个晶体的各个不同部分，质点的分在同一个晶体的各个不同部分，质点的分在同一个晶体的各个不同部分，质点的分在同一个晶体的各个不同部分，质点的分布是一样的，所以同一晶体的各个部分的布是一样的，所以同一晶体的各个部分的布是一样的，所以同一晶体的各个部分的布是一样的，所以同一晶体的各个部分的物理性质与化学性质完全相同。物理性质与化学性质完全相同。物理性质与化学性质完全相同。物理性质与化学性质完全相同。 晶体的均一性是绝对均一性，取决于格子构造，称晶体的均一性
24、是绝对均一性，取决于格子构造，称结晶均一性结晶均一性 非晶体的均一性是统计的、平均近似的均一，称为非晶体的均一性是统计的、平均近似的均一，称为统计均一性统计均一性2736如：如：蓝晶石（二硬石）的硬度晶石（二硬石）的硬度 平行晶体延平行晶体延平行晶体延平行晶体延长长方向：小于小刀方向：小于小刀方向：小于小刀方向：小于小刀 垂直晶体延垂直晶体延垂直晶体延垂直晶体延长长方向：大于小刀方向：大于小刀方向：大于小刀方向：大于小刀三、晶体的基本性质三、晶体的基本性质异向性异向性异向性异向性( (各向异性各向异性各向异性各向异性) ) ：同一格子构造中，在不同方向：同一格子构造中，在不同方向：同一格子构造
25、中，在不同方向：同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，所以，晶体的性质也上质点排列一般是不一样的，所以，晶体的性质也上质点排列一般是不一样的，所以，晶体的性质也上质点排列一般是不一样的，所以，晶体的性质也随着方向的不同而有所差异。随着方向的不同而有所差异。随着方向的不同而有所差异。随着方向的不同而有所差异。又如：矿物晶体的力学、光学、热学、又如：矿物晶体的力学、光学、热学、电学等性质电学等性质晶体多面体形态也是异向性的表现，无异向性的外形是球形。晶体多面体形态也是异向性的表现，无异向性的外形是球形。思考：思考： 均一性与异向性矛盾吗？均一性与异向性矛盾吗？ 异向性与自限性有何联系
26、异向性与自限性有何联系？2836三、晶体的基本性质三、晶体的基本性质晶体所共有的、由格子构造所决定对称性称性：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）在不同方向或位置上有规律地重复出现。同的几个部分）在不同方向或位置上有规律地重复出现。对称性是晶体极其重要的性质，是晶体分类的基础对称性是晶体极其重要的性质，是晶体分类的基础在晶体的外形上，常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出现在晶体的外形上，常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出现晶体的格子构造本身就是质点重复规律的体现晶体的格子构造本身就是质点重复规律的体现思考：对称性与异向性有何联
27、系？思考：对称性与异向性有何联系？2936三、晶体的基本性质三、晶体的基本性质晶体所共有的、由格子构造所决定最小内能性最小内能性：在相同的热力学条件下，晶体与同种在相同的热力学条件下，晶体与同种物质的非晶质体相比较，内能最小。物质的非晶质体相比较，内能最小。实验证明：物体由气明：物体由气态、液、液态、非晶、非晶态结晶状晶状态时析析热结晶晶态非非结晶晶态（晶格的破坏）（晶格的破坏）吸吸热。 内能包括质点的动能与势能内能包括质点的动能与势能(位能位能)。 动能与物体所处热力学条件有关动能与物体所处热力学条件有关不能比较内能大小不能比较内能大小 势能取决于质点间的距离与排列势能取决于质点间的距离与排
28、列可比较内能大小可比较内能大小晶体晶体具格子构造具格子构造内部质点有规律排列内部质点有规律排列质点间的质点间的引力与斥力达到平衡引力与斥力达到平衡破坏平衡需要能量破坏平衡需要能量3036熔熔点点时间时间时间时间温度温度温度温度晶体的晶体的稳定性是晶体具有最小内能性的必然定性是晶体具有最小内能性的必然结果果晶体具有一定的熔点，晶体具有一定的熔点，晶体具有一定的熔点，晶体具有一定的熔点，非晶体非晶体非晶体非晶体没有一定的熔点。没有一定的熔点。没有一定的熔点。没有一定的熔点。稳定性定性：在相同热力学条件下，晶体比具有相同：在相同热力学条件下，晶体比具有相同 化学成分的非晶体稳定，非晶体有自发转变为晶
29、化学成分的非晶体稳定，非晶体有自发转变为晶体的趋势，而晶体不会自发地转变为非晶体。体的趋势，而晶体不会自发地转变为非晶体。3136下面的问题请同学们思考并讨论：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？非晶体（玻璃）的定义及特点？ （引出（引出远程规律远程规律与与近程规律近程规律）2) 液体、气体的结构具有什么规律？液体、气体的结构具有什么规律？3) 晶体与非晶体的转化？晶体与非晶体的转化？32364) 准晶体的发现及定义：准晶体的发现及定义：1984年发现的新现象，年发现的新现象，具有具有近程、远程规律。近程、远程规律。但但没有重复周期没有重复周期。这是。这是什么意思呢
30、？什么意思呢？5) 准晶体与晶体、非晶体准晶体与晶体、非晶体的关系？的关系？3336请请大家将教材上图大家将教材上图12（a）的平的平面晶体结构的空间格子画出来。面晶体结构的空间格子画出来。34363536本章包括本章包括3组重要的基本概念组重要的基本概念: 1) 晶体、格子构造、空间格子、相当点；它们之间的关系。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、行列、面网、平行六面体; 结点间距、面网间距与结点间距、面网间距与面网密度的关系。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。小内能、稳定性，并解释为什么。本章概要 1.晶体、非晶体 2.空间格子抽象，难点 3.晶体6个基本性质3636
