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1、结晶学与矿物学结晶学与矿物学Crystallography and Mineralogy1课程简介：课程简介：结晶学：以晶体为研究对象，主要研究晶体的对称规结晶学：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律。研究的是晶体的共同规律，不涉及到具体的晶体种类。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 矿物学：以矿物晶体为研究对象，主要研究各具体矿物学：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。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
2、特点：经验性、具体性、归纳分类性、感性、个性2分支学科：分支学科：v几何结晶学研究晶体宏观形态几何规律，主要几何结晶学研究晶体宏观形态几何规律，主要是对称规律。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。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。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。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。晶体物理学研究晶体物理性质及其产生机理。 本课程以晶体形态对称规律及晶体本课程以晶体形态对称规律及晶体内部结构对称规律为主，简介晶体化学内部结构对称
3、规律为主，简介晶体化学与晶体生长。与晶体生长。3第一章第一章 晶体与晶体的基本性质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4 石英（Quartz）什么是晶体？什么是晶体？1.1.晶体、非晶体与准晶体的概念。晶体、非晶体与准晶体的概念。5 电气石(Tourmaline)钼铅矿(Wulfenite)铬铅矿（Crocoite ） 6 人们常见的晶体有水晶、石盐、蔗水晶、石盐、蔗糖糖等，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。 7晶体晶体具有格子构造的固体具有格子构造的固体, ,
4、或内部质点在或内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。三维空间成周期性重复排列的固体。 homogeneous solid containing homogeneous solid containing long-range order in three dimensional long-range order in three dimensional space. space.1.1.晶体、非晶体与准晶体的概念。晶体、非晶体与准晶体的概念。8石盐的晶体结构9 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。1.1.晶体、非晶体与准晶体
5、的概念。晶体、非晶体与准晶体的概念。10石英石英 玻璃玻璃-石英的内部结构石英的内部结构 绿球代表绿球代表Si4+,红球代表红球代表O2- 玻璃的内部结构，玻璃的内部结构，非晶质体：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，即称为非晶质体非晶质体。11准晶体准晶体(quasi-crystal):(quasi-crystal): 具有准周期格子构造的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固体。准周期构造不同于晶体中的平移周期, 但但具有自相似性具有自相似性 (放大或缩小放大或缩小) 。准晶体的质点排列虽准晶体的质点排列虽具有长程有序，但不体现平移的周期重复
6、，即不存具有长程有序，但不体现平移的周期重复，即不存在格子构造。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12小结小结小结小结晶体晶体晶体晶体：具有格子构造的固体：具有格子构造的固体, 或内部质点在三或内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。维空间成周期性重复排列的固体。 非晶质体：非晶质体：与晶体结构相反，内部质点不作周与晶体结构相反，内部质点不作周期性的重复排列的固体，即称为期性的重复排列的固体，即称为非晶质体非晶质体。132.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。 14晶体 （远古年代的定义：远古年代的定义：自发形成规则形态的物体
7、；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，即具有现代的定义：内部结构具有周期重复性，即具有 格子构造格子构造 的物体。）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 用格子状的图形用格子状的图形空间格子空间格子表示的。表示的。） 空间格子（表示晶体结构周期重复规律的简单几何图形（表示晶体结构周期重复规律的简单几何图形 要画出空间格子，就一定要找出要画出空间格子，就一定要找出相当点相当点。）。） 相当点相当点 （两个条件：两个条件：1 1、性质相同，、性质相同，2 2、周围环境相同。）、周围环境相同。）152.空间格子的
8、概念v相当点 两个条件：1.性质相同，2.周围环境相同。162.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首先在晶体结构中找出相当点相当点，再将相当点按照，再将相当点按照一定的规律连接起来就形成了空间格子。一定的规律连接起来就形成了空间格子。172.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。图图2-3空间格子的一般形状空间格子的一般形状182.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，行列中相邻结点间的距离
9、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。 192.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。20v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。d1d2d3212.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。 abc22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
10、实际晶体中相应的范围叫晶胞。晶胞。2.空间格子的概念NaCl晶胞晶胞金红石晶胞金红石晶胞233.晶体的基本性质晶体的基本性质243.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。 253.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可以用数学公式来表示, , 设在晶体的设在晶体的x x处和处和x x + + x x处取得小处取得小晶体晶体, , 则则 F F( (x x) ) F F ( (x x + + x x) ) 此处此处F F表示化学组
11、成和性质等物理量度。表示化学组成和性质等物理量度。 非非晶晶质质体体也也具具有有其其均均一一性性，但但由由于于非非晶晶质质体体的的质质点点排排列列不不具具有有格格子子构构造造，所所以以其其均均一一性性是是统统计计的的、平平均均近近似似的的均均一一，称称为为统统计计均均一一性性；而而晶晶体体的的均均一一性性是是取取决决于于其其格格子子构构造造的的，称为称为结晶均一性结晶均一性。263.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：例如：蓝晶石的不同方向上硬度不同： AAAAAAAA方向，方向，方向，方向，H H H H45454545，小刀可
12、刻动。，小刀可刻动。，小刀可刻动。，小刀可刻动。 BB BB BB BB方向，方向，方向，方向，H H H H65656565，小刀不能刻动。，小刀不能刻动。，小刀不能刻动。，小刀不能刻动。v思考：思考：均一性与异向性有矛盾吗？均一性与异向性有矛盾吗？273.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：283.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293.晶体的基本性质 6.稳定性
13、：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。303.晶体的基本性质v稳定性晶体与非晶体加热曲线晶体与非晶体加热曲线314.晶面发育的一般规律晶面发育的一般规律324.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
14、子要按照晶体结构的排列方式堆积起来形成晶体。334.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。344.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：354.晶面发育的一般规律v如图，最佳生长位置是三如图，最佳生长位置是三面凹角位，其次是两面凹面凹角位，其次是两面
15、凹角位，最不容易生长的位角位，最不容易生长的位置是平坦面。置是平坦面。v这样，最理想的晶体生长这样，最理想的晶体生长方式就是方式就是:先在三面凹角先在三面凹角上生长成一行，以至于三上生长成一行，以至于三面凹角消失，再在两面凹面凹角消失，再在两面凹角处生长一个质点，以形角处生长一个质点，以形成三面凹角，再生长一行，成三面凹角，再生长一行，重复下去。重复下去。看动画364.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
16、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。374.晶面发育的一般规律384.晶面发育的一般规律晶面、晶棱、角顶与面网、行列、节点的关系晶面、晶棱、角顶与面网、行列、节点的关系394.晶面发育的一般规律v2.2.布拉维法则布拉维法则 晶晶体体上上的的实实际际晶晶面面往往往往平平行行于于面面网网密密度度大大的的面面网网 。 为什么？为什么？ 面面网网密密度度大大面面网网间间距距大大对对生生长长质质点点吸吸引引力力小小生长速度慢生长速度慢 生生长长速速度度慢慢在在晶晶形形上上保保留留 生生长长速速度度快快尖尖灭灭404.晶面发育的一般规律看动画41
17、4.晶面发育的一般规律v3.3.面角守恒定律面角守恒定律 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。424.晶面发育的一般规律434.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。 44下面的问题请同学们思考并讨论：下面的问
18、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？ （远程规律与近程规律）（远程规律与近程规律）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？454) 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，具有远程规律但没有重具有远程规律但没有重复周期。这是什么意思复周期。这是什么意思呢？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？46本章重点总结：本章重点总结：本章包括本章包括4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；它们之间晶体、格子构造、空间格子、相当点；它们之间的关系。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、面结点间距、面网间距与面网密度的关系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。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。晶体的层生长理论、布拉维法则及面角守恒定律。47
