晶体矿物学结晶学基础讲稿.ppt

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1、关于晶体矿物学结晶学基础第一页，讲稿共二十八页哦 第一节第一节 晶体的概念晶体的概念一、多样的晶体世界一、多样的晶体世界1.晶体是自然界广泛存在的一类物晶体是自然界广泛存在的一类物体。体。2.晶体常呈一定形状的几何多面晶体常呈一定形状的几何多面体产出。体产出。水晶水晶绿柱石绿柱石辰砂辰砂铁铝石榴子石铁铝石榴子石白铁矿白铁矿石盐石盐第二页，讲稿共二十八页哦第一节第一节 晶体的概念晶体的概念二、晶体的概念二、晶体的概念1.概念：晶体是具有格子构造的固体。概念：晶体是具有格子构造的固体。2.格子构造：晶体内部的质点（分子、格子构造：晶体内部的质点（分子、原子、离子、络阴离子等）在三原子、离子、络阴离

2、子等）在三维空间作周期性重复排列构成格维空间作周期性重复排列构成格子构造。子构造。Cl-Na+晶面晶面晶棱晶棱石盐的晶体结构石盐的晶体结构第三页，讲稿共二十八页哦二、晶体的概念二、晶体的概念3.晶体与非晶体晶体与非晶体4.准晶体：介于晶体与非晶体之间的凝聚态物体。准晶体：介于晶体与非晶体之间的凝聚态物体。19841984年，年，Shechtman and CahnShechtman and Cahn及我国学者叶恒强和国可信在快速冷却的及我国学者叶恒强和国可信在快速冷却的AlAl1212MnMn和和(Ti(Ti0.90.9V V0.10.1)Ni)Ni合金中各自独立发现的。合金中各自独立发现的。

3、第一节第一节 晶体的概念晶体的概念第四页，讲稿共二十八页哦第二节第二节 晶体的空间格子晶体的空间格子一、空间格子（空间点阵）一、空间格子（空间点阵）1.空间格子：表示晶体内部质点重复规空间格子：表示晶体内部质点重复规律的几何图形。律的几何图形。2.相当点：在晶体结构中，性质、环境相当点：在晶体结构中，性质、环境和方位相同的点。和方位相同的点。NCl晶体中的结构微粒：（C）（Na+）第五页，讲稿共二十八页哦二、空间格子要素二、空间格子要素1.结点结点2.行列行列3.面网面网4.平行六面体平行六面体第二节第二节 晶体的空间格子晶体的空间格子A0A1B1C1a0b0c0(a)(b)(c)平行六面体是

4、空间格子的最小组成单位。平行六面体是空间格子的最小组成单位。晶体结构中，把最小组成单位称为晶胞。晶体结构中，把最小组成单位称为晶胞。晶胞在三维空间无间隙的重复排列形成晶体。晶胞在三维空间无间隙的重复排列形成晶体。第六页，讲稿共二十八页哦三、十四种空间格子三、十四种空间格子1.平行六面体的几何特征：大小；形态；结点的分布等。平行六面体的几何特征：大小；形态；结点的分布等。1）平行六面体的形态和大小由格子常数决定的。）平行六面体的形态和大小由格子常数决定的。三个棱长：三个棱长：a0、b0、c0格子常数格子常数夹角：夹角：、2）格子常数组合关系有七种）格子常数组合关系有七种，相应有七种不同的空间格子

5、，相应有七种不同的空间格子。2.七种空间格子七种空间格子第二节第二节 晶体的空间格子晶体的空间格子a0a0c0立方格子立方格子a0=b0=c0=90四方格子四方格子a0=b0c0=90第七页，讲稿共二十八页哦第二节第二节 晶体的空间格子晶体的空间格子三、十四种空间格子三、十四种空间格子2.七种空间格子七种空间格子a0c0120六方格子六方格子a0=b0c0=90=120三方格子三方格子a0=b0=c0=90a0斜方格子斜方格子a0b0c0=90单斜格子单斜格子a0b0c0=9090三斜格子三斜格子a0b0c090a0b0c0a0b0c0a0b0c0第八页，讲稿共二十八页哦第二节第二节 晶体的空

6、间格子晶体的空间格子三、十四种空间格子三、十四种空间格子3.结点在平行六面体中分布情况不结点在平行六面体中分布情况不同，将空间格子分为以下四种：同，将空间格子分为以下四种：原始格子（原始格子（P）底心格子（底心格子（C）体心格子（体心格子（I）面心格子（面心格子（F）4.布拉维格子：布拉维格子：14种种第九页，讲稿共二十八页哦原始格子底心格子体心格子面心格子三斜晶系单斜晶系斜方晶系四方晶系三方晶系六方晶系等轴晶系第十页，讲稿共二十八页哦晶系原始格子（P）底心格子（C）体心格子（I）面心格子（F）三斜C=II=FF=P单斜I=FF=C斜方四方C=PF=I三方与本晶系对称不符I=FF=P六方与本晶

7、系对称不符与空间格子的条件不符与空间格子的条件不符等轴与本晶系对称不符第十一页，讲稿共二十八页哦理论：理论：由由7 7种平行六面体和种平行六面体和种平行六面体和种平行六面体和4种结点分布规律应有种结点分布规律应有74=28种格子类型种格子类型实际：实际：实际：实际：只有只有14种格子类型种格子类型原理：原理：原理：原理：将重复者和不存在者去掉将重复者和不存在者去掉将重复者和不存在者去掉将重复者和不存在者去掉实例：实例：四方底心格子等于四方原始格子；四方底心格子等于四方原始格子；四方底心格子等于四方原始格子；四方底心格子等于四方原始格子；三斜面心格子等于三斜原始格子。三斜面心格子等于三斜原始格子

8、。三斜面心格子等于三斜原始格子。三斜面心格子等于三斜原始格子。第十二页，讲稿共二十八页哦一、自限性一、自限性二、均一性和异向性二、均一性和异向性1.均一性：同一晶体的各个部分性质相同。均一性：同一晶体的各个部分性质相同。2.异向性：同一晶体（格子构造），不同方异向性：同一晶体（格子构造），不同方向上质点的排列特征不向上质点的排列特征不同，晶体的性质随同，晶体的性质随着方向不同有所差异。着方向不同有所差异。如：云母、方解石等在解理性之上存在的差如：云母、方解石等在解理性之上存在的差异；异；蓝晶石的硬度（如图）。蓝晶石的硬度（如图）。三、对称性三、对称性四、一定的熔点四、一定的熔点五、最小热力学能

9、和稳定性五、最小热力学能和稳定性相同热力学条件下，晶体与同种物质的气相同热力学条件下，晶体与同种物质的气体、液体和非晶质相比，其热力学能最小。体、液体和非晶质相比，其热力学能最小。第三节第三节 晶体的基本性质晶体的基本性质AABBAA1方向硬度为方向硬度为45，小刀能刻动；，小刀能刻动；BB1方向硬度为方向硬度为6.57，小刀不能刻动；，小刀不能刻动；第十三页，讲稿共二十八页哦一、晶体的形成方式1.由气相转变为晶体由气相转变为晶体凝华作用；凝华作用；条件：过冷或过饱和蒸汽压条件：过冷或过饱和蒸汽压事例：在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯化钠的晶事例：在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、

10、碘或氯化钠的晶体。体。雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体。雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体。2.由液相转变为晶体由液相转变为晶体1).从熔体中结晶，即熔体过冷却时发生结晶现象，出现从熔体中结晶，即熔体过冷却时发生结晶现象，出现晶体；晶体；2).从溶液中结晶，即溶液达到过饱和时，析出晶体；从溶液中结晶，即溶液达到过饱和时，析出晶体；3).水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，盐类矿物结晶出来；水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，盐类矿物结晶出来；4).通过化学反应生成难溶物质。通过化学反应生成难溶物质。第四节第四节 晶体的形成晶体的形成第十四页，讲稿共二十八页哦石盐石盐第十五页，讲稿共二十八页哦

11、第四节第四节 晶体的形成晶体的形成一、晶体的形成方式一、晶体的形成方式3.由固相变为晶体：由固相变为晶体：1).同质多象转变是某种晶体在热力学条件改变的时候，转同质多象转变是某种晶体在热力学条件改变的时候，转变为另一种在新条件下稳定的晶体；变为另一种在新条件下稳定的晶体；2).原矿物晶粒逐渐变大，如由细粒方解石组成的石灰原矿物晶粒逐渐变大，如由细粒方解石组成的石灰岩与岩浆接触时，受热再结晶成为由粗粒方解石组岩与岩浆接触时，受热再结晶成为由粗粒方解石组成的大理岩；成的大理岩；3).固溶体分解，在一定温度下固溶体可以分离成为几种独固溶体分解，在一定温度下固溶体可以分离成为几种独立矿物；立矿物；4)

12、.变晶，矿物在定向压力方向上溶解，而在垂直于压变晶，矿物在定向压力方向上溶解，而在垂直于压力方向上结晶，因而形成一向延长或二向延展的变力方向上结晶，因而形成一向延长或二向延展的变质矿物，如角闪石、云母晶体等；质矿物，如角闪石、云母晶体等；5).由固态非晶质结晶，火山喷发出的熔岩流迅速冷却，由固态非晶质结晶，火山喷发出的熔岩流迅速冷却，固结成为非晶质的火山玻璃，这种火山玻璃经过千固结成为非晶质的火山玻璃，这种火山玻璃经过千百年以上的长时间以后，可逐渐转变为结晶质。百年以上的长时间以后，可逐渐转变为结晶质。细粒方解石细粒方解石大理岩大理岩第十六页，讲稿共二十八页哦第四节第四节 晶体的形成晶体的形成

13、二、晶体的生长理论二、晶体的生长理论1.科塞尔理论（层生长理论科塞尔理论（层生长理论）科塞尔科塞尔(Kossel，1927)首先提出，后经斯特兰首先提出，后经斯特兰斯基斯基(Stranski)加以发展的晶体的层生长理论亦加以发展的晶体的层生长理论亦称为科塞尔称为科塞尔斯特兰斯基理论。斯特兰斯基理论。它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时，质点在界面上进入晶格时，质点在界面上进入晶格“座位座位”的最佳位置是的最佳位置是具有三面凹入角的位置。具有三面凹入角的位置。质点在此位置上与晶核结质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最大。因为每一个来自环境相的合成

14、键放出的能量最大。因为每一个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的晶格上就位时，最可新质点在环境相与新相界面的晶格上就位时，最可能结合的位置是能量上最有利的位置，即结合成键能结合的位置是能量上最有利的位置，即结合成键时应该是成键数目最多，释放出能量最大的位置。时应该是成键数目最多，释放出能量最大的位置。质点在生长中的晶体表面上所可能有的各种生长位质点在生长中的晶体表面上所可能有的各种生长位置（如图）置（如图）：k为曲折面，具有三面凹人角，是最有为曲折面，具有三面凹人角，是最有利的生长位置；其次是利的生长位置；其次是S阶梯面，具有阶梯面，具有二面凹入角的位置；最不利的生长二面凹入角的位置；最不利

15、的生长位置是位置是A。由此可以得出如下的结论由此可以得出如下的结论即晶体在理想情况下生长时，先长一即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。一层面网后，再开始长第二层面网。晶面晶面(最外的面网最外的面网)是平行向外推移是平行向外推移而生长的。而生长的。第十七页，讲稿共二十八页哦第四节第四节 晶体的形成晶体的形成科塞尔理论可以解释如下的一些生科塞尔理论可以解释如下的一些生长现象：长现象：1)晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。2)在晶体生长的过程中，环境可能有所变化，在晶

16、体生长的过程中，环境可能有所变化，不同时刻生成的晶体在物性不同时刻生成的晶体在物性(如颜色如颜色)和成分等和成分等方面可能有细微的变化，因而在晶体的断面上常常方面可能有细微的变化，因而在晶体的断面上常常可以看到带状构造。它表明晶面是平行向外推移生可以看到带状构造。它表明晶面是平行向外推移生长的。长的。3)由于晶面是向外平行推移生长的，所以同由于晶面是向外平行推移生长的，所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。4)晶体由小长大，许多晶面向外平行移动的晶体由小长大，许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体称为生轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体

17、称为生长锥或砂钟状构造。在薄片中常常能看到。长锥或砂钟状构造。在薄片中常常能看到。第十八页，讲稿共二十八页哦显晶质显晶质赤铁矿赤铁矿第十九页，讲稿共二十八页哦晶体生长的实际情况要比简单层生长理论复晶体生长的实际情况要比简单层生长理论复杂得多杂得多。往往一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度可达几万或几往往一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度可达几万或几十万个分子十万个分子层。同时亦不一定是一层一层地顺序堆积，而是层。同时亦不一定是一层一层地顺序堆积，而是一层尚未长完，又有一个新层开始生长。这样继续生长下去一层尚未长完，又有一个新层开始生长。这样继续生长下去的结果，使晶体表面不平坦，成为阶梯状称为晶面

18、阶梯。的结果，使晶体表面不平坦，成为阶梯状称为晶面阶梯。科塞尔理论虽然有其正确的方面，科塞尔理论虽然有其正确的方面，但实际晶体生长过程并但实际晶体生长过程并非完全按照二维层生长的机制进行的。因为当晶体的一层面非完全按照二维层生长的机制进行的。因为当晶体的一层面网生长完成之后，再在其上开始生长第二层面网时有很大的网生长完成之后，再在其上开始生长第二层面网时有很大的困难，其困难，其原因是已长好的面网对溶液中质点的引力较小，不易原因是已长好的面网对溶液中质点的引力较小，不易克服质点的热振动使质点就位。克服质点的热振动使质点就位。因此，在过饱和度或过冷却度因此，在过饱和度或过冷却度较低的情况下，晶的生

19、长就需要用其它的生长机制加以解释。较低的情况下，晶的生长就需要用其它的生长机制加以解释。第四节第四节 晶体的形成晶体的形成第二十页，讲稿共二十八页哦第四节第四节 晶体的形成晶体的形成二、晶体的生长理论二、晶体的生长理论2.螺旋生长理论螺旋生长理论弗朗克等人弗朗克等人(1949，1951)研究了气相中晶体研究了气相中晶体生长的情况，估计二维层生长所需的过饱和度不小于生长的情况，估计二维层生长所需的过饱和度不小于2550。然而在实验中却难以达到与过饱。然而在实验中却难以达到与过饱和度相应的生长速度，并且在过饱和度小于和度相应的生长速度，并且在过饱和度小于1的气相中晶体亦能生长。这种现象并不是层生的

20、气相中晶体亦能生长。这种现象并不是层生长理论所能解释的。他们根据实际晶体结构的各长理论所能解释的。他们根据实际晶体结构的各种缺陷中最常见的位错现象，提出了晶体的螺旋种缺陷中最常见的位错现象，提出了晶体的螺旋生长理论，即征晶体生长界面上螺旋位错露头点生长理论，即征晶体生长界面上螺旋位错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面四角可作为所出现的凹角及其延伸所形成的二面四角可作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。这晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。这样便成功地解释了晶体在很低的过饱和度下能够样便成功地解释了晶体在很低的过饱和度下能够生长的实际现象。生长的实际现象。晶体的位错晶体的位错第二十

21、一页，讲稿共二十八页哦第四节第四节 晶体的形成晶体的形成二、晶体的生长理论二、晶体的生长理论2.螺旋生长理论螺旋生长理论印度结晶学家弗尔麻印度结晶学家弗尔麻(Verma，1951)对对SiC晶晶体表面上的生长螺旋纹及其他大量螺旋纹的观察，证实体表面上的生长螺旋纹及其他大量螺旋纹的观察，证实了这个理论在晶体生长过程中的重要作用。了这个理论在晶体生长过程中的重要作用。位错的出现，在晶体的界面上提供了一个永不消位错的出现，在晶体的界面上提供了一个永不消失的台阶源。晶体将围绕螺旋位错露头点旋转生长。失的台阶源。晶体将围绕螺旋位错露头点旋转生长。螺旋式的台阶并不随着原子面网一层层生长而消失，螺旋式的台阶

22、并不随着原子面网一层层生长而消失，从而使螺旋式生长持续下去。螺旋状生长与层状生从而使螺旋式生长持续下去。螺旋状生长与层状生长不同的是台阶并不直线式地等速前进扫过晶面，长不同的是台阶并不直线式地等速前进扫过晶面，而是围绕着螺旋位错的轴线螺旋状前进。随着晶体而是围绕着螺旋位错的轴线螺旋状前进。随着晶体的不断长大最终表现在晶面上形成能提供生长条的不断长大最终表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。件信息的各种样式的螺旋纹。SiC晶体表面上的生长螺旋纹晶体表面上的生长螺旋纹S螺旋生长模式螺旋生长模式第二十二页，讲稿共二十八页哦第四节第四节 晶体的形成晶体的形成三、布拉维法则三、布拉维法则

23、1855年，法国结晶学家布拉维年，法国结晶学家布拉维(ABravis)从晶体具有空从晶体具有空间格子构造的几何概念出发，论述了实际晶面与空间格子构造间格子构造的几何概念出发，论述了实际晶面与空间格子构造中面网之间的关系，即实际晶体的晶面常常平行网面结点密度中面网之间的关系，即实际晶体的晶面常常平行网面结点密度最大的面网，这就是布拉维法则。最大的面网，这就是布拉维法则。布拉维的这一结论系根据晶体上不同晶面的相对生长速布拉维的这一结论系根据晶体上不同晶面的相对生长速度与网面上结点的密度成反比的推论引导而出的。度与网面上结点的密度成反比的推论引导而出的。所谓所谓晶面生长速度是指单位时间内晶面在其垂直

24、方向上增长的厚晶面生长速度是指单位时间内晶面在其垂直方向上增长的厚度。度。晶面晶面AB的网面上结点的密度最大，网面间距也最大，的网面上结点的密度最大，网面间距也最大，网面对外来质点的引力小，生长速度慢，晶面横向扩展，最网面对外来质点的引力小，生长速度慢，晶面横向扩展，最终保留在晶体上；终保留在晶体上；CD晶面次之；晶面次之；BC晶面的网面上结点密度晶面的网面上结点密度最小，网面间距也就小，网面对外来质点引力大，生长速度最小，网面间距也就小，网面对外来质点引力大，生长速度最快，横向逐渐缩小以致晶面最终消失；因此，实际晶体上最快，横向逐渐缩小以致晶面最终消失；因此，实际晶体上的晶面常是网面上结点密

25、度较大的面。的晶面常是网面上结点密度较大的面。第二十三页，讲稿共二十八页哦布拉维法优缺点：优点：优点：1.阐明了晶面发育的基本规律。阐明了晶面发育的基本规律。2.解释了同种物质的晶体上，大晶体上的晶面数目少而简单，解释了同种物质的晶体上，大晶体上的晶面数目少而简单，小晶体上的晶面数目多而复杂。小晶体上的晶面数目多而复杂。不足：不足：1.由于当时晶体中质点的具体排列尚属未知，布拉维所由于当时晶体中质点的具体排列尚属未知，布拉维所依据的仅是由抽象的结点所组成的空间格子，而非真实的晶依据的仅是由抽象的结点所组成的空间格子，而非真实的晶体结构。体结构。2.只考虑了晶体的本身，而忽略了生长晶体的介质条件

26、。如晶面生只考虑了晶体的本身，而忽略了生长晶体的介质条件。如晶面生长速度、质点的性质、质点间的键型、结构缺陷；生长时的温度、压长速度、质点的性质、质点间的键型、结构缺陷；生长时的温度、压力、溶液浓度等。力、溶液浓度等。第四节第四节 晶体的形成晶体的形成第二十四页，讲稿共二十八页哦第四节第四节 晶体的形成晶体的形成四、面角守恒定律四、面角守恒定律1.1669年，丹麦学者斯丹诺对水晶、金刚石、黄铁年，丹麦学者斯丹诺对水晶、金刚石、黄铁矿等晶体进行研究时，发现同一物质的所有晶体，矿等晶体进行研究时，发现同一物质的所有晶体，其对应晶面间的夹角恒等，即面角守恒定律。其对应晶面间的夹角恒等，即面角守恒定律。2.面角守恒定律，使人们可以通过测定晶面角，然后与面角守恒定律，使人们可以通过测定晶面角，然后与晶面角数据相对比来鉴定矿物。晶面角数据相对比来鉴定矿物。3.歪晶：歪晶：第二十五页，讲稿共二十八页哦自形磁铁矿自形磁铁矿第二十六页，讲稿共二十八页哦第二十七页，讲稿共二十八页哦感感谢谢大大家家观观看看第二十八页，讲稿共二十八页哦