結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)

結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)

crystallographyandmineralogy胡斌tel13787195298中南大學(xué)12/25/2022crystallographyandmineralogy課程簡(jiǎn)介結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)是地球科學(xué)主干課程、專業(yè)基礎(chǔ)課課程研究對(duì)象：晶體和礦物結(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種類。特點(diǎn)：空間性、抽象性、邏輯性、理性、共性與后續(xù)礦物學(xué)形成明顯的對(duì)比礦物學(xué)：以礦物晶體為研究對(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。特點(diǎn)：經(jīng)驗(yàn)性、具體性、歸納分類性、感性、個(gè)性晶體和礦物與我們?nèi)粘Ｉ钜灿忻芮新?lián)系：衣—防火衣食—中藥礦物藥朱砂硫磺蒙脫石

寶玉石12/25/202212/25/2022課程目的要求通過(guò)學(xué)習(xí)，要求對(duì)礦物晶體有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和了解，掌握礦物內(nèi)外屬性、形成作用及其在人類生產(chǎn)生活中的用途，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。考查與考核相結(jié)合，嚴(yán)格評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，公平合理。12/25/2022第一篇結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)（50%學(xué)時(shí)）

（研究對(duì)象——晶體）第一章晶體與晶體的基本性質(zhì)第二章晶體生長(zhǎng)模型與面角恒等定律第三章晶體的測(cè)量與投影第四章晶體的外部對(duì)稱第五章晶體定向與晶體符號(hào)第六章單形與聚形第七章晶體的規(guī)則連生第八章晶體結(jié)構(gòu)第九章晶體化學(xué)12/25/2022第二篇礦物學(xué)（50%學(xué)時(shí)）

（研究對(duì)象——礦物(天然產(chǎn)出的晶體)）第十章礦物與礦物學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)第十一章礦物的形態(tài)第十二章礦物的物理性質(zhì)第十三章礦物的化學(xué)成分第十四章礦物的命名與分類第十五章自然元素礦物大類第十六章金屬互化物礦物大類第十七章硫化物及其類似化合物礦物大類第十八章氧化物和氫氧化物礦物大類第十九章含氧鹽礦物大類（一）第二十章含氧鹽礦物大類（二）第二十一章鹵化物礦物大類12/25/2022第一篇結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)

結(jié)晶學(xué)（晶體學(xué)）發(fā)展歷史及分支學(xué)科簡(jiǎn)介結(jié)晶學(xué)始于17世紀(jì)中葉人類的礦業(yè)活動(dòng)，與天文學(xué)一起成為人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界發(fā)展最早的兩門自然科學(xué)。17～18世紀(jì)：以研究晶體形態(tài)為主，也初步推測(cè)研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何規(guī)律；19世紀(jì)末～20世紀(jì)初：X－射線的發(fā)現(xiàn)及其對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)量，進(jìn)入晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究階段；20世紀(jì)70年代以來(lái)：透射電鏡研究晶體內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；20世紀(jì)80年代，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體，開辟了晶體對(duì)稱理論新領(lǐng)域。12/25/2022分支學(xué)科：幾何結(jié)晶學(xué)－研究晶體宏觀形態(tài)幾何規(guī)律，主要是對(duì)稱規(guī)律。晶體結(jié)構(gòu)學(xué)－研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何規(guī)律及缺陷。晶體化學(xué)－研究晶體成分與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。晶體生長(zhǎng)學(xué)－研究晶體生長(zhǎng)機(jī)理及其影響因素。晶體物理學(xué)－研究晶體物理性質(zhì)及其產(chǎn)生機(jī)理。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)與晶體生長(zhǎng)。12/25/2022第一章晶體與晶體的基本性質(zhì)

crystalandtheultimatepropertiesofcrystal本章概要1.晶體、非晶體2.空間格子——抽象，難點(diǎn)3.晶體6個(gè)基本性質(zhì)12/25/2022一、晶體的基本概念1.晶體的定義：

人類最早把具有天然規(guī)則幾何多面體形態(tài)的固體叫晶體。

現(xiàn)代對(duì)晶體的定義是：晶體（crystal)是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分子）在三維空間周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。這種質(zhì)點(diǎn)在三維空間周期性地重復(fù)排列也稱格子構(gòu)造，所以晶體是具有格子構(gòu)造的固體。12/25/2022石鹽的晶體體結(jié)構(gòu)12/20/20222.不具格格子構(gòu)造的的物質(zhì)稱為為非晶體或非晶態(tài)3.晶體與非晶體在一定條件件下可以互互相轉(zhuǎn)化非晶態(tài)晶態(tài)(晶化，，自發(fā)進(jìn)行行)晶態(tài)非非晶態(tài)態(tài)(非非晶化，，需要外能能)晶體具有格子構(gòu)造既有近程規(guī)律也有遠(yuǎn)程規(guī)律非晶體不具格子構(gòu)造只有近程規(guī)律（無(wú)定形體）12/20/2022所以,晶體體比非晶體體穩(wěn)定。自自然界的固固體物質(zhì)中，絕大大多數(shù)是晶晶體。4.準(zhǔn)晶體（quasicrystal)：一種新的物物態(tài)，其內(nèi)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排排列具有遠(yuǎn)程規(guī)律，但沒(méi)有平平移周期，，即不具格格子構(gòu)造。。這種物態(tài)是介于晶晶體與非晶晶體之間的的一種狀態(tài)態(tài)。12/20/2022二、空間格格子1.概念：空間格子就是表示晶晶體內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)周期性重復(fù)排列列規(guī)律的幾幾何圖形。。◆空間格子的的導(dǎo)出：（a）晶體平面結(jié)結(jié)構(gòu)圖（b）相當(dāng)點(diǎn)(空空間點(diǎn)陣)（c）空間格子相當(dāng)點(diǎn)：是指質(zhì)點(diǎn)種種類相同，，周圍環(huán)境境（分布種種類相同和和取向相同同的其他質(zhì)質(zhì)點(diǎn)）也一一樣的幾何何點(diǎn)。12/20/2022首先在晶體體結(jié)構(gòu)中找找出相當(dāng)點(diǎn)，再將相當(dāng)當(dāng)點(diǎn)按照一一定的規(guī)律連接起起來(lái)就形成成了空間格格子。相當(dāng)點(diǎn)（兩個(gè)條件：：1、性質(zhì)質(zhì)相同，2、周圍環(huán)環(huán)境相同。。）12/20/2022空間格子與與具體的晶晶體結(jié)構(gòu)是是什么關(guān)系系？可以認(rèn)為具具體的晶體體結(jié)構(gòu)是多多套空間格格子組成的的，見圖。。具體的晶體結(jié)構(gòu)是多種原子子、離子組組成的，使使得其重復(fù)復(fù)規(guī)律不容易看看出來(lái)，而而空間格子就是使其重重復(fù)規(guī)律突突出表現(xiàn)出出來(lái)?？臻g格子僅僅僅是一個(gè)個(gè)體現(xiàn)晶體體結(jié)構(gòu)中的的周期重復(fù)復(fù)規(guī)律的幾何圖形，，比具體晶晶體結(jié)構(gòu)要要簡(jiǎn)單的多多。12/20/20222.空間格格子的要素素：（1））結(jié)點(diǎn)：：是空間間格子子中的的點(diǎn)，它們們代表晶體體結(jié)構(gòu)中中的相相當(dāng)點(diǎn)點(diǎn)。在實(shí)際晶晶體中,結(jié)結(jié)點(diǎn)的的位置置一定定由同種種質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)所占占據(jù)。。在空空間格格子中中，它它們只只有幾幾何意義義，為為幾何何點(diǎn)。。12/20/2022（2））行列：：結(jié)點(diǎn)在在直線線上的的排列列構(gòu)成成行列列。空間格子中中任意意兩個(gè)個(gè)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)聯(lián)結(jié)結(jié)起來(lái)來(lái)就是是一條條行列列的方方向。。在同一行行列中中結(jié)點(diǎn)間間距是是相等等的，，在平行的的行列列上結(jié)點(diǎn)間間距也也是相相等的的；不同方方向的的行列列，其結(jié)結(jié)點(diǎn)間間距一般般是不不等的的?？臻g格格子中中的行行列12/20/2022（3））面網(wǎng)網(wǎng)：結(jié)點(diǎn)在在平面面上的的分布布構(gòu)成成面網(wǎng)網(wǎng)?？臻g格格子中中不在在同一一行列列上的的任意意三個(gè)個(gè)結(jié)點(diǎn)點(diǎn)就可可以聯(lián)聯(lián)結(jié)成成一個(gè)面面網(wǎng)，，即任任意兩兩個(gè)相相交的的行列列就可可以決決定一一個(gè)面面網(wǎng)。。面網(wǎng)上上單位位面積積內(nèi)結(jié)結(jié)點(diǎn)密密度稱稱為面網(wǎng)密密度。相互平平行的的面網(wǎng)網(wǎng)，面網(wǎng)網(wǎng)密度度相同同，面網(wǎng)間間距（（兩相鄰鄰面網(wǎng)網(wǎng)間的垂垂直距距）也也必定定相等等；互不平平行的的面網(wǎng)網(wǎng)，面網(wǎng)網(wǎng)密度度及面網(wǎng)網(wǎng)間距距一般般不同同。空間格格子中中的面面網(wǎng)12/20/2022面網(wǎng)密密度與面網(wǎng)間間距之間關(guān)關(guān)系的的示意意圖βββ123β4結(jié)論：：面網(wǎng)密密度大的面面網(wǎng)其其面網(wǎng)間間距也大，，反之之，密密度小小，間間距也也小。。12/20/2022（4））平行行六面面體：：是空間間格子子中所所劃分分出的的最小小重復(fù)單單位。它由六六個(gè)兩兩兩平平行而而且相相等的的面組組成。。實(shí)際晶晶體結(jié)結(jié)構(gòu)中中所劃分分出的的這種種最小小重復(fù)復(fù)單位位,稱為晶胞。整個(gè)晶體結(jié)結(jié)構(gòu)可視為為晶胞在三維維空間間平行行地、、毫無(wú)間間隙地地重復(fù)復(fù)累疊疊而成成。晶胞的的形態(tài)態(tài)和大大小取決于于晶胞參參數(shù)（（a、b、c；α、ββ、γγ，也也稱為為軸長(zhǎng)和軸角））。12/20/2022平行六六面體體空間格格子返回12/20/2022平行六六面體體可具具有各各種不不同的的形狀狀，各各種形形狀的的平行六六面體體的晶晶胞參參數(shù)怎怎么樣樣？我們以以后將將會(huì)看看到，，平行行六面面體的的形狀狀一共共有7種，對(duì)對(duì)應(yīng)有有7套晶晶胞參參數(shù)的形式式，也也對(duì)應(yīng)應(yīng)7個(gè)晶晶系。12/20/2022三、晶晶體的的基本本性質(zhì)質(zhì)1、自自限性性：是指晶晶體在在適當(dāng)當(dāng)條件件下，，可以以自發(fā)發(fā)地形形成幾幾何多多面體外外形的的性質(zhì)質(zhì)。其表現(xiàn)現(xiàn)在晶體為為平的的晶面所包圍圍,是格子子構(gòu)造造在外外形上上的直直接反反映。。晶面(晶體體表面面自發(fā)發(fā)形成成的平平面)～面網(wǎng)晶棱(兩個(gè)個(gè)晶面面的交交棱））～行列角頂(晶棱棱會(huì)聚聚成尖尖的角角頂)～結(jié)點(diǎn)晶面、、晶棱棱、角角頂與與面網(wǎng)網(wǎng)、行行列、、結(jié)點(diǎn)點(diǎn)的關(guān)關(guān)系示示意圖圖12/20/2022晶體的幾何何多面體形形態(tài)受格子子構(gòu)造制約約，它服從于一定定的結(jié)晶學(xué)學(xué)規(guī)律。2、均一性性是指晶體上上的任一部部位具有和和整個(gè)晶體體完全相同同的性質(zhì)。。因?yàn)榫w是是具有格子子構(gòu)造的固固體,在一一個(gè)晶體的的各個(gè)不同同部位都具具有完全相相同的格子子構(gòu)造，所所以它們所所表現(xiàn)出的的各項(xiàng)性質(zhì)質(zhì)也必定完完全相同———結(jié)晶均一性性。12/20/2022非晶質(zhì)體具具有統(tǒng)計(jì)均均一性。因?yàn)榉蔷з|(zhì)質(zhì)體不具有格子子構(gòu)造（質(zhì)質(zhì)點(diǎn)排列不不具遠(yuǎn)程規(guī)規(guī)律），非非晶質(zhì)體的各個(gè)個(gè)不同部分分，沒(méi)有任任何兩部分分的內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)是完全相同同的，它們們所以它們們所表現(xiàn)出出的各項(xiàng)性性質(zhì)也只是在統(tǒng)統(tǒng)計(jì)意義上上才是均一一的。如玻玻璃的不同同部分折射率等等也是相同同的。12/20/20223、、異異向向性性（（各各向向異異性性））：：是指指晶晶體體的的性性質(zhì)質(zhì)隨隨方方向向不不同同而而有有所所差差異異。。因?yàn)橥灰桓窀褡幼訕?gòu)構(gòu)造造中中，，在在不不同同方方向向上上質(zhì)質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)排排列列一一般般是是不不一一樣的的，，因因此此沿沿不不同同方方向向觀觀察察時(shí)時(shí)，，晶晶體體的的各各項(xiàng)項(xiàng)性性質(zhì)質(zhì)將將表表現(xiàn)現(xiàn)出差異來(lái)。如如藍(lán)晶石（二硬硬石）的硬度，隨方向的不同同而有顯著的的差別。平行晶體的延長(zhǎng)方向向AA可用小小刀刻動(dòng)，而而垂直晶體的延長(zhǎng)方方向BB小刀刀不能刻動(dòng)。。非晶質(zhì)體一般般具各向同性性，而無(wú)異向向性。12/20/20224、對(duì)稱性：：是指在晶體的的外形上,相相等的晶面、、晶棱和角頂重復(fù)出現(xiàn)的的性質(zhì)。晶體的格子構(gòu)構(gòu)造本身就是是質(zhì)點(diǎn)重復(fù)規(guī)律的的體現(xiàn)。所以以一切晶體都是是對(duì)稱的。對(duì)稱性是晶體極其重重要的性質(zhì),是晶體分類的基礎(chǔ)。12/20/20225、最小內(nèi)能能：是指在相同的的熱力學(xué)條件件下，晶體與與同種物質(zhì)的非晶質(zhì)體體、液體、氣氣體相比較，，其內(nèi)能最小小.內(nèi)能動(dòng)能（與物質(zhì)所處的的熱力學(xué)條件件有關(guān)，溫度度越高，質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，，動(dòng)能也越大大，不能用來(lái)來(lái)比較內(nèi)能的的大小。）勢(shì)能（位能，取決于于質(zhì)點(diǎn)間的距距離與排列。。勢(shì)能越大，內(nèi)內(nèi)能也越大。)12/20/2022因?yàn)?，晶體是是具有格子構(gòu)構(gòu)造的固體，，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)是有規(guī)律排排列的，這種規(guī)律的排排列是質(zhì)點(diǎn)間間的引力與斥力達(dá)達(dá)到平衡的結(jié)果。所以，晶體體具有最小內(nèi)內(nèi)能。對(duì)比加熱曲線線：熔點(diǎn)時(shí)間溫度晶體溫度時(shí)間非晶質(zhì)體12/20/2022晶體有固定的的熔點(diǎn)，而非非晶質(zhì)體沒(méi)有有固定的熔點(diǎn)點(diǎn)。6、穩(wěn)定性：：是指在相同的的熱力學(xué)條件件下，晶體比比具有相