chap1晶體和晶體的基本性質(zhì)

1、結(jié)晶礦物學(xué)是地球科學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介：結(jié)晶學(xué)：以晶體為研究對(duì)象，主要研究晶體的對(duì)稱規(guī)結(jié)晶學(xué)：以晶體為研究對(duì)象，主要研究晶體的對(duì)稱規(guī)律。研究的是晶體的共同規(guī)律，不涉及到具體的晶體律。研究的是晶體的共同規(guī)律，不涉及到具體的晶體種類。種類。 特點(diǎn)：空間性、抽象性、邏輯性、共性特點(diǎn)：空間性、抽象性、邏輯性、共性與后續(xù)礦物學(xué)形成明顯的對(duì)比：與后續(xù)礦物學(xué)形成明顯的對(duì)比：礦物學(xué)礦物學(xué): 礦物晶體為研究對(duì)象，主要研究各具體礦物礦物晶體為研究對(duì)象，主要研究各具體礦物晶體的成分、物理性質(zhì)、成因特點(diǎn)等晶體的成分、物理性質(zhì)、成因特點(diǎn)等 特點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)性、感性、具體性、歸納分類性、個(gè)性特點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)性、感性、具體性、

2、歸納分類性、個(gè)性結(jié)晶學(xué)的分支結(jié)晶學(xué)的分支晶體生成學(xué)晶體生成學(xué)(crystallogeny):(crystallogeny): 研究天然及人工晶體的發(fā)生、成長(zhǎng)和變化的過(guò)程與機(jī)理, 以及控制和影響它們的因素;晶體結(jié)構(gòu)學(xué)（晶體結(jié)構(gòu)學(xué)（crystallologycrystallology）：）：研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)排列的規(guī)律性，以及晶體結(jié)構(gòu)的不完善性。幾何結(jié)晶學(xué)幾何結(jié)晶學(xué)(geometrical crystallography):(geometrical crystallography):研究晶體外表幾何多面體的形狀及其間的規(guī)律性;晶體化學(xué)晶體化學(xué)(crystallochemistry):(crys

3、tallochemistry): 亦稱結(jié)晶化學(xué),研究晶體的化學(xué)組成與晶體結(jié)構(gòu)以及晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)間關(guān)系的規(guī)律性;晶體物理學(xué)晶體物理學(xué)(crystallophysics):(crystallophysics): 研究晶體的各項(xiàng)物理性質(zhì)及其產(chǎn)生的機(jī)理。本課程以晶體形態(tài)對(duì)稱規(guī)律及晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)稱規(guī)律為主，簡(jiǎn)介晶本課程以晶體形態(tài)對(duì)稱規(guī)律及晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)稱規(guī)律為主，簡(jiǎn)介晶體化學(xué)體化學(xué)第一節(jié) 晶體、非晶體生活中哪些是晶體：？ 如：冰、雪、土壤、金屬、陶瓷、水泥、化學(xué)藥品、礦物等。 晶體和非晶質(zhì)體：晶體和非晶質(zhì)體： 石英（Quartz）鉻鉛礦（Crocoite ） 晶體？非晶體？第二節(jié) 晶體、非晶體與準(zhǔn)

4、晶體的概念1.晶體與非晶質(zhì)體 晶體(晶質(zhì)體、結(jié)晶質(zhì))crystal ： 內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間呈周期性平移重復(fù)排列形成的具有格子構(gòu)造的固體。 l非晶體（非晶體、非晶質(zhì)、玻璃質(zhì)）noncrystal ： 與晶體結(jié)構(gòu)相反，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)不作周期性的重復(fù)排列的固體，即稱為非晶質(zhì)體。第二節(jié) 晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念1.晶體與非晶質(zhì)體 氣體和液體、部分固體：松香、琥珀、玻璃等（從內(nèi)部結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，其質(zhì)點(diǎn)的分布類似于液體）。l 晶體非晶體SiO2 非晶質(zhì)體 晶質(zhì)體l晶體穩(wěn)定分布廣泛l非晶體不穩(wěn)定數(shù)量少2.非晶質(zhì)體與晶體間的轉(zhuǎn)化 脫?；饔没蚓Щ饔貌ＡЩ饔没蚍蔷Щ饔?.非晶質(zhì)體與晶體間的轉(zhuǎn)化 第二節(jié) 空間格

5、子 space lattice 1.空間格子的導(dǎo)出 晶 體 （現(xiàn)代的定義：內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有周期重復(fù)性，即具有現(xiàn)代的定義：內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有周期重復(fù)性，即具有 格子構(gòu)造格子構(gòu)造 的物體。）的物體。） 格子構(gòu)造（晶體結(jié)構(gòu)的周期重復(fù)規(guī)律，這種規(guī)律是可以晶體結(jié)構(gòu)的周期重復(fù)規(guī)律，這種規(guī)律是可以 用格子狀的圖形用格子狀的圖形空間格子空間格子表示的。表示的。） 空間格子 （表示晶體結(jié)構(gòu)周期重復(fù)規(guī)律的簡(jiǎn)單幾何圖形（表示晶體結(jié)構(gòu)周期重復(fù)規(guī)律的簡(jiǎn)單幾何圖形 要畫(huà)出空間格子，就一定要找出要畫(huà)出空間格子，就一定要找出相當(dāng)點(diǎn)相當(dāng)點(diǎn)。）。） 相當(dāng)點(diǎn) （兩個(gè)條件：兩個(gè)條件：1 1、性質(zhì)相同，、性質(zhì)相同，2 2、周?chē)h(huán)境相同。、周?chē)h(huán)

6、境相同。） 首先在晶體結(jié)構(gòu)中找出相當(dāng)點(diǎn)，再將相當(dāng)點(diǎn)按首先在晶體結(jié)構(gòu)中找出相當(dāng)點(diǎn)，再將相當(dāng)點(diǎn)按照一定的律連接起來(lái)就形成了空間格子。照一定的律連接起來(lái)就形成了空間格子。 相當(dāng)點(diǎn)（兩個(gè)條件：兩個(gè)條件：1 1、性質(zhì)相同，、性質(zhì)相同，2 2、周?chē)h(huán)境相同。）、周?chē)h(huán)境相同。）可以認(rèn)為具體的晶體結(jié)構(gòu)是多套空間格子組成可以認(rèn)為具體的晶體結(jié)構(gòu)是多套空間格子組成的。的。 具體具體的晶體結(jié)構(gòu)是多種原子、離子組成的，使的晶體結(jié)構(gòu)是多種原子、離子組成的，使得其重復(fù)規(guī)律不容易看出來(lái)，而空間格子就是使得其重復(fù)規(guī)律不容易看出來(lái)，而空間格子就是使其重復(fù)規(guī)律突出表現(xiàn)出來(lái)其重復(fù)規(guī)律突出表現(xiàn)出來(lái)。平行六面體（晶胞）平行六面體（晶胞

7、）: : 結(jié)點(diǎn)在三維空間形成結(jié)點(diǎn)在三維空間形成的最小單位的最小單位 (引出引出: 晶胞參數(shù)：晶胞參數(shù)：a, b, c; a, b, c; , ,也稱為軸長(zhǎng)與軸角）也稱為軸長(zhǎng)與軸角） abc 2.空間格子要素及基本規(guī)律（1） 結(jié)點(diǎn)-node,相當(dāng)點(diǎn)，幾何點(diǎn)，（2） 行列-row，任意二結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)間距（row-spacing）（3）面網(wǎng)-net 面網(wǎng)密度、面網(wǎng)間距（4）平行六面體-parallel hexahedron 實(shí)際晶體單位晶胞面網(wǎng)面網(wǎng)AA間距間距d1面網(wǎng)面網(wǎng)BB間距間距d2面網(wǎng)面網(wǎng)CC間距間距d3面網(wǎng)面網(wǎng)DD間距間距d4面網(wǎng)間距依次減小面網(wǎng)間距依次減小,面網(wǎng)密度也是面網(wǎng)密度也是依次減小的

8、；依次減小的；所以所以:相互平行的面網(wǎng)間面網(wǎng)密度相互平行的面網(wǎng)間面網(wǎng)密度相等，其面網(wǎng)間距也相等；不相相等，其面網(wǎng)間距也相等；不相平行的一般不等，且平行的一般不等，且大的面網(wǎng)間大的面網(wǎng)間距大，距大，反之，反之，面網(wǎng)密度網(wǎng)密度小面網(wǎng)密度網(wǎng)密度小的面網(wǎng)間距小。的面網(wǎng)間距小。平行六面體可具有各種不同的形狀，各種形狀的平平行六面體可具有各種不同的形狀，各種形狀的平行六面體的晶胞參數(shù)怎么樣？行六面體的晶胞參數(shù)怎么樣？我們以后將會(huì)看到，平行六面體的形狀一共有我們以后將會(huì)看到，平行六面體的形狀一共有7 7種，種，對(duì)應(yīng)有對(duì)應(yīng)有7 7套晶胞參數(shù)的形式，也對(duì)應(yīng)套晶胞參數(shù)的形式，也對(duì)應(yīng)7 7個(gè)晶系。個(gè)晶系。 第三節(jié)

9、晶體的基本性質(zhì) -the ultimate properties of crystall1 自限性 self- confinementl 形態(tài)，晶面面網(wǎng)、晶棱行列、角頂結(jié)點(diǎn)l2 均一性 homogeneityl 同一晶體的不同部分物理化學(xué)性質(zhì)完同一晶體的不同部分物理化學(xué)性質(zhì)完全相同。晶體是全相同。晶體是絕對(duì)均一性，絕對(duì)均一性，非晶體是非晶體是統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的、平均近似均一性。計(jì)的、平均近似均一性。 3 異向性 anisotropy 方向上例如：藍(lán)晶石的不同方向上硬度不同：例如：藍(lán)晶石的不同方向上硬度不同： 思考：思考：均一性與異向性有均一性與異向性有矛盾嗎？矛盾嗎？ 異向性與自限性有什么聯(lián)異向性與自限

10、性有什么聯(lián)系系?l4 對(duì)稱性：對(duì)稱性：l同一晶體中，同一晶體中，晶體形態(tài)相同的幾個(gè)部分晶體形態(tài)相同的幾個(gè)部分（或物理性質(zhì)相同的幾個(gè)部分）有規(guī)律（或物理性質(zhì)相同的幾個(gè)部分）有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)。例如下面的晶體形態(tài)是對(duì)地重復(fù)出現(xiàn)。例如下面的晶體形態(tài)是對(duì)稱的：稱的：5.最小內(nèi)能性:在相同的熱力學(xué)條件下，與同種化學(xué)成分的在相同的熱力學(xué)條件下，與同種化學(xué)成分的氣體、液體及非晶質(zhì)體相比，以晶體的內(nèi)能為最小。氣體、液體及非晶質(zhì)體相比，以晶體的內(nèi)能為最小。 內(nèi)能內(nèi)能 = 動(dòng)能動(dòng)能 + 勢(shì)能勢(shì)能 質(zhì)點(diǎn)在平衡點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)在平衡點(diǎn) 質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)質(zhì)點(diǎn)間相對(duì) 周?chē)鳠o(wú)規(guī)則周?chē)鳠o(wú)規(guī)則 位置所產(chǎn)生位置所產(chǎn)生 振動(dòng)的能量振動(dòng)的能量 能

11、量能量l6.穩(wěn)定性：在相同的熱力學(xué)條件下，具有相在相同的熱力學(xué)條件下，具有相同化學(xué)成分的晶體和非晶質(zhì)體相比，晶體是穩(wěn)同化學(xué)成分的晶體和非晶質(zhì)體相比，晶體是穩(wěn)定的，而非晶質(zhì)體是不穩(wěn)定的。定的，而非晶質(zhì)體是不穩(wěn)定的。 晶體與非晶體加熱曲線晶體與非晶體加熱曲線下面的問(wèn)題請(qǐng)同學(xué)們思考并討論：下面的問(wèn)題請(qǐng)同學(xué)們思考并討論：1) 非晶體（玻璃）的定義及特點(diǎn)？非晶體（玻璃）的定義及特點(diǎn)？ （遠(yuǎn)程規(guī)律與近程規(guī)律）（遠(yuǎn)程規(guī)律與近程規(guī)律）2) 液體、氣體的結(jié)構(gòu)具有什么規(guī)律？液體、氣體的結(jié)構(gòu)具有什么規(guī)律？3) 晶體與非晶體的轉(zhuǎn)化？晶體與非晶體的轉(zhuǎn)化？4）請(qǐng)大家將教材上思考題）請(qǐng)大家將教材上思考題7的平面晶體結(jié)構(gòu)的平

12、面晶體結(jié)構(gòu)的空間格子畫(huà)出來(lái)。的空間格子畫(huà)出來(lái)。l1 1層生長(zhǎng)理論模型層生長(zhǎng)理論模型（科塞爾理論模型）（科塞爾理論模型） （Kossel 1927）晶體在理想情況下生長(zhǎng)時(shí)，）晶體在理想情況下生長(zhǎng)時(shí)，先長(zhǎng)一條行列，然后長(zhǎng)相鄰的行列；在長(zhǎng)先長(zhǎng)一條行列，然后長(zhǎng)相鄰的行列；在長(zhǎng)滿一層面網(wǎng)后，再開(kāi)始長(zhǎng)第二層面網(wǎng)；晶滿一層面網(wǎng)后，再開(kāi)始長(zhǎng)第二層面網(wǎng)；晶面（最外面的面網(wǎng)）是平行向外推移而生面（最外面的面網(wǎng)）是平行向外推移而生長(zhǎng)的。長(zhǎng)的。l如圖，最佳生長(zhǎng)位置是三面凹角位，其次是兩面凹角位，最不容易生長(zhǎng)的位置是平坦面。l這樣，最理想的晶體生長(zhǎng)方式就是:先在三面凹角上生長(zhǎng)成一行，以至于三面凹角消失，再在兩面凹角處生

13、長(zhǎng)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，以形成三面凹角，再生長(zhǎng)一行，重復(fù)下去。看動(dòng)畫(huà)三面凹角二面凹角一般位置層生長(zhǎng)過(guò)程層生長(zhǎng)過(guò)程層生長(zhǎng)理論可解釋如下一些現(xiàn)象：層生長(zhǎng)理論可解釋如下一些現(xiàn)象： 1晶體常生長(zhǎng)成晶體常生長(zhǎng)成面平面平、棱直棱直的多面體形態(tài)。的多面體形態(tài)。2在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，環(huán)境會(huì)有變化，不同時(shí)刻生成的在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，環(huán)境會(huì)有變化，不同時(shí)刻生成的晶體在物理性質(zhì)和成分等方面可能有細(xì)微的變化，因晶體在物理性質(zhì)和成分等方面可能有細(xì)微的變化，因而在晶體的端面上常?？梢钥吹蕉诰w的端面上常?？梢钥吹綆顦?gòu)造帶狀構(gòu)造，晶面是，晶面是平平行向外推移行向外推移生長(zhǎng)的。生長(zhǎng)的。3由于晶面是平行向外推移生長(zhǎng)的，所以同種礦物不同由于晶面是平行向外推移生長(zhǎng)的，所以同種礦物不同晶體上晶體上對(duì)應(yīng)晶面間的夾角不變對(duì)應(yīng)晶面間的夾角不變。晶面、晶棱、角頂與面網(wǎng)、行列、節(jié)點(diǎn)的關(guān)系晶面、晶棱、角頂與面網(wǎng)、行列、節(jié)點(diǎn)的關(guān)系何種面網(wǎng)發(fā)育成晶面？l2.2.布拉維法則布拉維法則 -法國(guó)結(jié)晶學(xué)家法國(guó)結(jié)晶學(xué)家A.bravisA.bravis 提出：實(shí)際晶提出：實(shí)際晶體的面網(wǎng)常常是由晶體格子構(gòu)造中體的面網(wǎng)常常是由晶體格子構(gòu)造中面網(wǎng)面網(wǎng)密度大密度大的面網(wǎng)發(fā)育成的。的面網(wǎng)發(fā)育成的。 看動(dòng)畫(huà)面網(wǎng)密度小生長(zhǎng)速度快，晶面消