晶体基本性质.pptx

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1、第一篇第一篇 几何结晶学基础几何结晶学基础绪 论第一章 晶体的基本性质第二章 晶体的投影第三章 晶体的对称第四章 单形和聚形第五章 晶体定向和结晶符号第六章 晶体构造的几何理论第七章 晶体的规则连生 第1页/共60页一、矿物的概念一、矿物的概念矿物是指地质作用和天体作用中形成的单质或化合物；具有一定的化学成分；具有一定的内部结构；在一定的物化条件下稳定；是组成岩石和矿石的基本单元。地壳中的矿物约3000种矿物形式:固态（绝大多数是晶质体）、液态（汞、水）、气态（火山喷气中的二氧化碳、水蒸气）人造矿物、合成矿物、陨石矿物、月岩矿物、宇宙矿物矿物的用途广泛：直接利用矿物本身的特性（物化性质）；从矿

2、物中提取有用元素（化学成分）绪 论第2页/共60页二、晶体和非晶质体的概念 1 1、晶体、晶体晶体的研究首先是从研究晶体的研究首先是从研究晶体几何外形晶体几何外形的特征开始的特征开始在在古古代代，无无论论中中外外，都都把把具具有有规规则则的的几几何何多多面面体体形形态的态的水晶水晶称为晶体称为晶体凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态的固凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态的固体都称之为晶体（石盐、方解石、磁铁矿等）体都称之为晶体（石盐、方解石、磁铁矿等）以上两种定义都是不正确的以上两种定义都是不正确的 自然界的矿物一般都是天然晶体。研究矿物将涉及晶体许多固有的特自然界的矿物一般都是天然

3、晶体。研究矿物将涉及晶体许多固有的特性和结晶学法则与定律。因此，学习矿物学必须具备结晶学的基础。性和结晶学法则与定律。因此，学习矿物学必须具备结晶学的基础。第3页/共60页无色水晶第4页/共60页水晶晶簇水晶晶簇水晶晶簇第5页/共60页第6页/共60页黄 铁 矿石 盐第7页/共60页冰冰 州州 石石第8页/共60页石 榴 石第9页/共60页长 石第10页/共60页第11页/共60页绿 柱 石第12页/共60页钻石原石第13页/共60页金 刚 石第14页/共60页第15页/共60页第16页/共60页第17页/共60页第18页/共60页第19页/共60页常林钻石常林钻石第20页/共60页第21页/

4、共60页第22页/共60页石 墨第23页/共60页萤 石第24页/共60页钙 沸 石第25页/共60页l19121912年年，X X射射线线晶晶体体衍衍射射实实验验成成功功，对对晶晶体体的的研研究究从从晶晶体体的的外外部部进进入入到到晶晶体体的的内内部部，使使结结晶晶学学进进入入一个崭新的发展阶段。一个崭新的发展阶段。l现现已已证证明明，一一切切晶晶体体不不论论其其外外形形如如何何，它它的的内内部部质质点点（原原子子、离离子子或或分分子子）都都是是在在三三维维空空间间有有规规律律排排列列，主主要要表表现现为为同同种种质质点点的的周周期期重重复复，构构成成了所谓的了所谓的“格子构造格子构造”。l

5、所有晶体都具有格子构造所有晶体都具有格子构造晶体的共同特点。晶体的共同特点。第26页/共60页Cl-Na+石 盐 晶 体 结 构l晶体的正确的定义：晶体的正确的定义：晶体是内部质点在三维空间晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体；或者说晶体就是具有呈周期性重复排列的固体；或者说晶体就是具有格子构造的固体。格子构造的固体。第27页/共60页第28页/共60页2、非晶质体 l有些状似固体的物质如玻璃、琥珀、松香等，它们的内部质点不作规则排列，不具有格子构造，称为非晶质体或非晶体。l从内部结构看，非晶体中质点的分布颇似于液体，严格地说，它们不是固体，是过冷液体。l只有晶体才能称为真正的固体。

6、第29页/共60页l19851985年电子显微镜研究发现了一种新的物态，其内部结构年电子显微镜研究发现了一种新的物态，其内部结构的具体形式虽然仍在探索之中，但从其对称性可见，其的具体形式虽然仍在探索之中，但从其对称性可见，其质点的排列应是长程有序，但不体现周期重复，不存在质点的排列应是长程有序，但不体现周期重复，不存在格子构造，人们把它称为格子构造，人们把它称为准晶体准晶体。3、准晶体第30页/共60页三、结晶学的主要研究内容晶体生长学：晶体生长学：研究晶体发生、成长机理和晶体的合成。研究晶体发生、成长机理和晶体的合成。几何结晶学：几何结晶学：研究晶体外形的几何规律。研究晶体外形的几何规律。晶

7、晶体体结结构构学学：研研究究晶晶体体结结构构的的几几何何规规律律、结结构构型型式式和和构构造的缺陷。造的缺陷。晶晶体体化化学学：主主要要研研究究晶晶体体的的化化学学成成分分和和结结构构的的关关系系，并并进而探讨成分、结构与其性能和生成条件的关系。进而探讨成分、结构与其性能和生成条件的关系。晶体物理学：晶体物理学：研究晶体的物理性质及其产生机理。研究晶体的物理性质及其产生机理。第31页/共60页四、矿物学主要研究内容主要研究对象：主要研究对象：地壳中产出的、无机的、地壳中产出的、无机的、晶质矿物。晶质矿物。主要研究内容：主要研究内容：矿物化学成分、内部构造、矿物化学成分、内部构造、形态、物理性质

8、及其相互关系，并阐明地形态、物理性质及其相互关系，并阐明地壳中矿物的形成和变化历史，探讨其时间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。和空间分布的规律及其实际用途。第32页/共60页 晶体的空间格子构造规律第一章 晶体的基本性质 晶体的基本性质 晶体发育的一般规律第33页/共60页1、空间格子2、空间格子要素一、晶体的空间格子构造规律 第34页/共60页1 1、空间格子、空间格子兹以兹以氯化铯（氯化铯（CsClCsCl）的晶体结构为例。的晶体结构为例。无论无论ClCl-或或CsCs在晶体结构的任何一方向上都是每隔一定的距离重复出在晶体结构的任何一方向上都是每隔一定的距

9、离重复出现一次。现一次。第35页/共60页为为进进一一步步揭揭示示质质点点周周期期性性重重复复规规律律，我我们们可可对对它它作作某某种种抽抽象象。先先在在结结构构中中选选出出任任一一几几何何点点，该该点点可可以以取取在在阴阴或或阳阳离离子子中中心心，也也可可取取它它们们之之间间的的任任意意一一点点，然然后后在结构中找出与此点相当的几何点，称为在结构中找出与此点相当的几何点，称为“相当点相当点”。相当点的条件是：相当点的条件是：若原始几何点取在质点中心，则相当点所占的若原始几何点取在质点中心，则相当点所占的质点种类应相同，即占据同种质点的中心；质点种类应相同，即占据同种质点的中心；质点周围的环境

10、以及方位应是相同的，也就是质点周围的环境以及方位应是相同的，也就是说这些质点周围相同的方向上要有相同的质点。说这些质点周围相同的方向上要有相同的质点。第36页/共60页第37页/共60页相当点可以简单的定义为相当点可以简单的定义为晶体结构中物质环境和几何晶体结构中物质环境和几何环境完全相同的点，也称环境完全相同的点，也称“等同点等同点”。在氯化铯晶体结构中，无论原始点选在在氯化铯晶体结构中，无论原始点选在ClCl还是还是CsCs的中心，或其它任何地方，找出的相当点的分布相同。的中心，或其它任何地方，找出的相当点的分布相同。n相当点的分布可体相当点的分布可体现晶体结构中所有现晶体结构中所有质点的

11、重复规律。质点的重复规律。第38页/共60页为研究晶体内部质点的重复规律不受晶体大为研究晶体内部质点的重复规律不受晶体大小限制，设想小限制，设想空间格子为无限图形空间格子为无限图形。空间格子例如：例如：1mm1mm3 3的的NaClNaCl晶晶体结构中包含大约体结构中包含大约7107101717个相当于一个个相当于一个晶胞的小立方体，这晶胞的小立方体，这样的图形，完全可以样的图形，完全可以看成是无限的。看成是无限的。相当点在三维空间作规则排列而成的格子状几何图形称为空间格子。第39页/共60页2、空间格子要素 结结点点：空空间间格格子子中中的的点点，代代表表晶晶体体结结构构中中的的相相当当点点

12、，只只具具几几何何意意义义，不不代代表表任任何何质质点点。但但在在实实际际晶晶体体中中，结结点的位置可以被同种质点所占据。点的位置可以被同种质点所占据。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。l行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距。l同一行列或彼此平行的行列上结点间距相等；同一行列或彼此平行的行列上结点间距相等；l不同方向的行列，其结点间距一般不等。不同方向的行列，其结点间距一般不等。行 列第40页/共60页面 网 面网：面网：结点在平面上的分布构成面网。结点在平面上的分布构成面网。面网上单位面积内结点的数目称为面

13、网上单位面积内结点的数目称为网面密度网面密度。互相平行的面网，网面密度相同；不平行的面网，互相平行的面网，网面密度相同；不平行的面网，网面密度一般不等。网面密度一般不等。相互平行的相邻两面网之间垂直距离称为相互平行的相邻两面网之间垂直距离称为面网间面网间距。距。第41页/共60页由八个结点、六个两两平行而由八个结点、六个两两平行而且相等的面组成。且相等的面组成。在实际晶体在实际晶体结构中所划分出这样的相应的结构中所划分出这样的相应的单位称为晶胞。单位称为晶胞。整个晶体可以视为晶胞在三维整个晶体可以视为晶胞在三维空间平行地、毫无间隙地重复空间平行地、毫无间隙地重复堆砌而成。堆砌而成。平行六面体

14、平行六面体：是空间格子在三维空间上可划出的最小重复单位。第42页/共60页二、晶体的基本性质 晶晶体体通通常常被被平平的的晶晶面面所所包包围围，晶晶面面相相交交成成直直的的晶晶棱棱，晶晶棱棱汇汇聚聚成成尖的角顶。尖的角顶。晶晶体体多多面面体体形形态态，是是其其格格子子构构造造在在外外形形上上的的直直接接反反映映。晶晶面面、晶晶棱棱与与角角顶顶分分别别与与格格子子构构造造中中面面网网、行列及结点相对应。行列及结点相对应。一一切切晶晶体体所所共共有有的的，并并且且是是由由晶晶体体的的格格子子构构造造所所决决定定的的性性质，称为质，称为晶体的基本性质晶体的基本性质。1 1、自限性：、自限性：是指晶体

15、在适当条件下可以自发地形成是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。几何多面体的性质。第43页/共60页n3 3、异向性：、异向性：同一晶体的格子构造中，同一晶体的格子构造中，在不同方向上质点的排列一般不同，在不同方向上质点的排列一般不同，晶体的性质也就随着方向的不同而晶体的性质也就随着方向的不同而有所差异。如蓝晶石的硬度、云母有所差异。如蓝晶石的硬度、云母的解理、石英折射率等。的解理、石英折射率等。4 44.54.56 67 7蓝晶石晶体的硬度蓝晶石晶体的硬度2 2、均均一一性性：由由于于晶晶体体是是具具有有格格子子构构造造的的固固体体，在在同同一一晶晶体体的的各各个个不不同同部部

16、分分，质质点点的的分分布布一一样样，故故晶晶体体的的各各部部分的物理化学性质相同。分的物理化学性质相同。q非非晶晶体体也也具具均均一一性性，因因不不具具格格子子构构造造，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；而而晶晶体体均均一一性性取取决决于于格格子子构构造造，称称为为结晶均一性结晶均一性。两者有本质区别。两者有本质区别。第44页/共60页n6 6、稳定性：、稳定性：由于晶体具有最小内能，因而结晶状态是一由于晶体具有最小内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态，质点只在其平衡位置上振动。个相对稳定的状态，质点只在其平衡位置上振动。n非晶体不

17、稳定，有自发地向晶体转化的趋向。非晶体不稳定，有自发地向晶体转化的趋向。n晶体和非晶体在一定条件下是可以相互转化的。晶体和非晶体在一定条件下是可以相互转化的。n非非晶晶体体转转化化为为晶晶体体称称为为晶晶化化或或脱脱玻玻化化；反反之之称称为为非非晶晶化或玻璃化化或玻璃化。4 4、对对称称性性：是是指指某某种种相相同同的的性性质质在在不不同同的的方方向向或或位位置置上上作作有有规规律律地地重重复复。对对称称性性是是晶晶体体非非常常重重要要的的性性质，也是晶体分类的基础。质，也是晶体分类的基础。5 5、最小内能：、最小内能：在相同的热力学条件下晶体与同种物在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非晶质

18、体、液体、气体相比较，其内能最小。质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小。第45页/共60页三、晶体发育的一般规律晶体的发生和成长，实质上是在一定条件下组成物质晶体的发生和成长，实质上是在一定条件下组成物质的质点按照格子构造规律排列的结果。的质点按照格子构造规律排列的结果。1 1、晶体的形成方式、晶体的形成方式由液相转变为晶体由液相转变为晶体 a a、从熔体中结晶：熔体过冷却、从熔体中结晶：熔体过冷却b b、从溶液中结晶：溶液过饱和（温度降低、从溶液中结晶：溶液过饱和（温度降低、水分蒸发）、通过化学反应生成难溶物质。水分蒸发）、通过化学反应生成难溶物质。由气相转变为晶体由气相转变为晶体由固

19、相再结晶为固相由固相再结晶为固相 ：如由细粒方解石晶体组：如由细粒方解石晶体组成的石灰岩与岩浆岩接触时，受热后可以形成由成的石灰岩与岩浆岩接触时，受热后可以形成由粗粒方解石晶体组成的大理岩。粗粒方解石晶体组成的大理岩。再如玻璃转化为再如玻璃转化为结晶质。结晶质。第46页/共60页2、晶核的形成 晶晶体体生生成成的的一一般般过过程程是是先先生生成成晶晶核核，而而后后再再逐逐渐渐长长大大。一一般般认认为为晶晶体体从从液液或或气气相相中中生生长长有有三三个个阶阶段段：介介质质达达到到过过饱饱和和、过过冷冷却却阶阶段段；成成核核阶阶段段；生生长长阶阶段段。某种介质体系中，过饱和、过冷却状态的出现，并某

20、种介质体系中，过饱和、过冷却状态的出现，并不意味着整个体系的同时结晶，体系内各处首先出现瞬不意味着整个体系的同时结晶，体系内各处首先出现瞬时的微细粒结晶粒子，我们把这种最先形成的微晶粒称时的微细粒结晶粒子，我们把这种最先形成的微晶粒称为为晶核（晶芽，籽晶）晶核（晶芽，籽晶）。然后，溶液中的质点向晶核上。然后，溶液中的质点向晶核上粘附而使结晶格子逐渐扩大，晶体围绕着晶核生长。粘附而使结晶格子逐渐扩大，晶体围绕着晶核生长。第47页/共60页 KosselKossel在在 19271927年年 首首 先先提提 出出，后后 经经 斯斯 特特 兰兰 斯斯 基基（StranskiStranski）加加 以

21、以 发发 展展 的的晶体层生长理论。晶体层生长理论。晶晶核核表表面面可可能能有有三三种种不不同同的的位位置置，即即三三面面凹凹角角1 1、二面凹角二面凹角2 2和一般位置和一般位置3 3。介介质质中中的的质质点点被被晶晶核核吸吸附附后后，向向晶晶核核堆堆积积时时优优先先粘粘附附在在三三面面凹凹角角，其其次次是是二二面面凹凹角角，最最后后才才在在一一般般位位置置上上堆积。堆积。l3、晶体的生长理论层生长理论（科塞尔斯特兰斯基理论）第48页/共60页层生长理论层生长理论:晶体在理想情况下生长时，先长成一条行晶体在理想情况下生长时，先长成一条行列，然后再长相邻的行列；在长满一层面网后，再开始列，然后

22、再长相邻的行列；在长满一层面网后，再开始长第二层面网、第三层面网长第二层面网、第三层面网。晶面（晶体最外层的。晶面（晶体最外层的面网）是平行向外推移生长的。面网）是平行向外推移生长的。第49页/共60页层生长理论可以解释：层生长理论可以解释：a.a.晶体生长为面平、棱直晶体生长为面平、棱直的几何多面体形态。的几何多面体形态。b.b.晶体断面上的带状构造。晶体断面上的带状构造。反之表明晶面是平行向反之表明晶面是平行向外推移生长的。外推移生长的。c.c.面角恒等定律。面角恒等定律。d.d.晶体由小长大，许多晶晶体由小长大，许多晶面向外平行移动的轨迹面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点形成以晶体

23、中心为顶点的锥状体，称的锥状体，称“生长锥生长锥”或或“砂钟状构造砂钟状构造”。宝塔飞檐第50页/共60页实际情况复杂很多，一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚实际情况复杂很多，一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度常可达几万或几十万个分子层。同时也不一定是逐层堆积，度常可达几万或几十万个分子层。同时也不一定是逐层堆积，而是一层尚未长完，又一新层开始生长，结果可能使晶面不而是一层尚未长完，又一新层开始生长，结果可能使晶面不平坦，成为阶梯状称为平坦，成为阶梯状称为“晶面阶梯晶面阶梯”。已长好的面网对溶液中的质点的引力较小，不易克服质点已长好的面网对溶液中的质点的引力较小，不易克服质点的热振动使质点就位。

24、因此在过饱和度或过冷却度较低时，的热振动使质点就位。因此在过饱和度或过冷却度较低时，晶体的生长需要用其它理论解释。晶体的生长需要用其它理论解释。层生长理论的不足：主要是把晶体生长过程简单化。晶面的阶梯状生长第51页/共60页第52页/共60页（2）螺旋生长理论（弗朗克等，1949、1951，简称“BCF理论”）在晶体生长界面上螺旋位错露头点所出现的凹角可作在晶体生长界面上螺旋位错露头点所出现的凹角可作为晶体生长的永不消失的台阶源，晶体就围绕着螺旋为晶体生长的永不消失的台阶源，晶体就围绕着螺旋位错露头点旋转生长。随着晶体的不断长大，最终表位错露头点旋转生长。随着晶体的不断长大，最终表现在晶面上形

25、成能提供生长条件信息的各种样式的螺现在晶面上形成能提供生长条件信息的各种样式的螺旋纹。旋纹。成功解释了晶体在很低的过饱和度下生长的实际现象。第53页/共60页第54页/共60页印度结晶学家弗尔麻（印度结晶学家弗尔麻（Verma,1951Verma,1951）对）对SiCSiC晶体表面上晶体表面上的生长螺旋纹及其它大量螺旋纹的观察，证实了这个理的生长螺旋纹及其它大量螺旋纹的观察，证实了这个理论在晶体生长过程中的重要作用。论在晶体生长过程中的重要作用。第55页/共60页（3）布拉维法则 18551855年，法国结晶学家年，法国结晶学家A.BravisA.Bravis提出：提出：实际晶实际晶体常常被

26、一些网面密度大的晶面所包围，这就是体常常被一些网面密度大的晶面所包围，这就是所谓的布拉维法则。所谓的布拉维法则。这一结论是根据晶体上这一结论是根据晶体上晶面的生长速度与面网上晶面的生长速度与面网上结点的密度成反比结点的密度成反比推导出来的。推导出来的。晶面生长速度是指在晶体生长过程中，晶面在单晶面生长速度是指在晶体生长过程中，晶面在单位时间内沿其法线方向所增长的厚度。位时间内沿其法线方向所增长的厚度。第56页/共60页局限性：局限性：主要是忽略了生长环境对晶面生长速度的影响。主要是忽略了生长环境对晶面生长速度的影响。晶体构造中网面密度与生长速度关系图解（网面密度ABCDBC）面网密度与面网间距成正比第57页/共60页面网AA间距d1面网BB间距d2面网CC间距d3面网DD间距d4面网间距依次减小,面网密度也是依次减小的.所以:面网密度与面网间距成正比.第58页/共60页4、面角恒等定律 定义：成分和结构相同的所有晶体，其对应晶面间的夹角恒等。rm=14147,rz=13444,mm=120 rm=14147,rz=13444,mm=120 第59页/共60页感谢您的观看！第60页/共60页