课件：结晶学及矿物学晶体的物性.ppt

Chap.4 矿物晶体的物理性质,决定因素： 矿物的成分和结构 矿物的形成条件 研究意义： 1）鉴别矿物的主要依据 2）提供有关矿物的信息 3）广泛应用于国民经济中,1 矿物晶体的光学性质,2 矿物晶体的力学性质,3 矿物晶体的其它物理性质,1 矿物的光学性质,矿物的光学性质：矿物对可见光的反射、折射、吸收等所表现出来的各种性质。,一、矿物的颜色,二、矿物的条痕,三、矿物的透明度,四、矿物的光泽,五、特殊光学效应,六、双折射和色散,七、矿物的发光性,一、矿物的颜色,颜色： 矿物对入射的白色可见光 （390770nm）中不同波长的光波 吸收后，透射和反射的各种波长 可见光的混合色。,电磁波谱,1）当矿物对各色光同等程度地均匀 吸收时，其所呈颜色取决于吸收程度： 若均匀地全部吸收，矿物呈黑色； 若基本上均不吸收，矿物呈无色或 白色； 若各色光皆被均匀地吸收了一部分， 则视吸收量的多少，而呈现不同浓度的 灰色。,2）当矿物选择性地吸收某种波长 的色光时，矿物呈现被吸收的色光 的补色。,根据产生的原因，矿物的颜色通常分为 自色、他色和假色。 1）自色： 由矿物本身固有的化学成分和内部结构所决定的颜色,是由于组成矿物的原子或离子在可见光的激发下，发生电子跃迁或转移所造成的。 体色：物体内部所表现的颜色。白光透入、吸收，再因透射、散射、反射的颜色。透明矿物所呈现的都是体色。 表面色：物体表面的反射色。不透明矿物吸收很强，白光难以深入，而是经表层吸收后再辐射来呈色。, 含过渡型离子的矿物，呈现出 被吸收色光的补色。 色素离子： 能使矿物呈色的过渡型 离子，主要有Ti、V、Cr、Mn、Fe、 Co、Ni离子；次有W、Mo、U、Cu 和稀土元素等的离子。 由惰性气体型离子所构成的矿物， 对可见光不吸收，故呈无色或白色。,2）他色： 矿物因含外来带色的杂质、 气液包裹体等所引起的颜色。 注意： 少数矿物因晶格缺陷（如色心） 而引起。大部分碱金属和碱土金属的 化合物的呈色主要与色心(最常见F心) 有关。如萤石、紫水晶的紫色等。,3）假色： 由物理光学效应所引起的颜色，是自然光照射在矿物表面或进入到矿物内部所产生的干涉、衍射、 散射等而引起的颜色。, 锖色： 某些不透明矿物的表面氧化薄膜 引起反射光的干涉作用而使矿物 表面呈现斑驳陆离的彩色。, 晕色： 某些透明矿物内部一系列平行密集 的解理面或裂隙面对光连续反射， 引起光的干涉，从而使矿物表面常出现 如同水面上的油膜所形成的彩虹般 的色带。 云母,变彩变彩： 某些透明矿物，因内部存在许多厚度与可见光波长相当的微细叶片状或层状结构，引起光的衍射、干涉作用，导致其不均匀分布的各种颜色会随观察方向的不同而发生变换。 如欧泊。,乳光乳光： 某些矿物中见到的一种类似于 蛋清般 略带柔和淡蓝色调的 乳白色浮光。 这是由于矿物内部含有许多 远比可见光波长为小的其它矿物 或胶体微粒，使入射光发生漫反射 所致。,描述矿物的颜色时应力求简明、准确、贴切，通常除采用诸如黄绿、灰白、深蓝等带色调的修饰语外，还常采用比拟的修饰语，如桔黄、翠绿、天蓝、鸽血红等。,二、矿物的条痕,条痕： 矿物粉末的颜色，通常是以矿物在白色 无釉瓷板上擦划所留下的粉末的颜色。 矿物的条痕能消除假色、减弱他色、 突出自色，比矿物颗粒的颜色更为稳定、 更有鉴定意义。, 不透明矿物和鲜艳彩色的透明半透明矿物，尤其是硫化物或部分氧化物和自然元素矿物，具重要鉴定意义，如赤铁矿Fe2O3因形态不同可分别呈铁黑（板状）、钢灰（鳞片状）、褐红（鲕状），但条痕都为樱红色；而浅色或白色、无色透明矿物的条痕多为白色、浅灰色等浅色，无鉴定意义。, 某些矿物由于类质同像混入物 的影响，条痕和颜色会有所变化。 根据条痕的微细变化，可大致 了解矿物成分的变化，推测矿物的 形成条件。,三、矿物的透明度,透明度： 矿物允许可见光透过的程度。 据矿物碎片刃边的透光程度， 配合矿物的条痕，矿物的透明度 分三级：,1）透明： 能透过绝大部分光，条痕为无色、白色或浅色。隔着1cm厚矿物观察其后面的物体时，可清晰地看到物体轮廓的细节，如水晶。 2）半透明： 可允许部分光透过，条痕呈红、褐等各种彩色。可看到轮廓阴影。 3）不透明： 基本不允许光透过，条痕呈黑色或金属色。,影响因素： 主要与其对可见光的吸收程度有关，即取决于矿物的晶格类型和阳离子类型。 非金属矿物的透明度高，金属矿物的透明度差。 矿物中的裂隙、包裹体，及矿物的集合方式、颜色深浅和表面风化程度。,四、矿物的光泽,光泽： 矿物表面对可见光的反射能力。 矿物反光的强弱主要取决于矿物对光的折射和吸收的程度。,据矿物新鲜平滑的晶面、解理面 或磨光面上反光的强弱，配合矿物 的条痕和透明度，矿物的光泽分四个 等级：,1）金属光泽金属光泽： 反光很强，似平滑金属磨光面的反光。 矿物具金属色，条痕呈黑色或金属色，不透明。,2）半金属光泽半金属光泽： 反光较强，似未经磨光的金属表面的反光。 矿物呈金属色，条痕为棕色、褐色等深彩色，不透明半透明。,3）金刚光泽金刚光泽： 反光较强，似金刚石般明亮耀眼的反光。 颜色和条痕均呈浅色（ 如 浅黄、桔红、浅绿等）、白色或无色，半透明透明。,光线在金刚石晶体中传播示意,n1,n2,4）玻璃光泽玻璃光泽： 反光较弱，呈普通平板玻璃表面 的反光。 矿物为无色、白色或浅色， 条痕呈无色或白色，透明。,矿物不平坦的表面或矿物 集合体的表面上的特殊变异光泽： 1）油脂光泽油脂光泽： 某些解理不发育的浅色透明矿物 的不平坦断口上呈现的似油脂般的 光泽。,2）树脂光泽： 某些具金刚光泽的黄、褐或 棕色透明矿物的不平坦断口上的 似松香般的光泽。,3）沥青光泽： 解理不发育的半透明或不透明 黑色矿物的不平坦断口上乌亮 沥青状光泽。,4）珍珠光泽： 浅色透明矿物的极完全解理面上 的如珍珠表面或蚌壳内壁柔和而 多彩的光泽。,5）丝绢光泽： 具玻璃光泽的无色或浅色透明矿物 的纤维状集合体表面常呈蚕丝或 丝织品状的光亮。,6）蜡状光泽： 某些透明矿物的隐晶质或非晶质致密块体上的似蜡烛表面的光泽。,7）土状光泽： 呈土状、粉末状或疏松多孔状 集合体的矿物表面如土块般暗淡 无光。,影响因素： 主要是矿物的化学键类型： 1）具金属键的矿物一般呈金属光泽 或半金属光泽； 2）具共价键的矿物一般呈金刚光泽 或玻璃光泽； 3）具离子键或分子键的矿物，对光 的吸收程度小，反光很弱，光泽即弱。,矿物光泽的等级一般是确定的， 但变异光泽因矿物产出的状态不同 而异。 光泽是矿物鉴定的依据之一， 也是评价宝石的重要标志。,五、特殊光学效应,由于宝石内部具有包裹体、双晶、 微细球状结构等特殊内在因素， 导致光的干涉、散射、衍射等现象， 使宝石显现出特殊的光学效应。 常见的有： 猫眼效应、星光效应、变色效 应、变彩效应等。,猫眼效应猫眼效应,在光线的照射下，以弧面形切磨的某些宝石，表面呈现出一条明亮光带，当转动宝石时，光带随之移动或出现光带张合现象，犹如猫眼瞳孔收缩成的一条狭缝。 猫眼效应是光从长形、定向且全都平行于一个方向的包裹体反射所致。 产生条件：足够丰富的平行排列的长形（针状）包裹体；宝石必须切磨成弧面型，底部应平行包裹体所在的平面，否则眼线位置不居中，甚至消失。,星光效应星光效应,在光线的照射下，以弧面形切磨的某些宝石，表面呈现出两条或两条以上交叉亮线，产生星状光芒，常见四射或六射星线，好像夜空中的星光。 猫眼效应是光从长形、定向且全都平行于一个方向的包裹体反射所致。 产生条件：足够丰富的至少在两个不同方向上平行排列的长形（针状）包裹体；宝石必须切磨成弧面型，底部应平行包裹体所在的平面。,变色效应,宝石的颜色随入射光波长的不同而变的现象。 变石（铍铝氧化物，金绿宝石）具有典型的变色效应，在日光下呈绿色，而在白炽灯下呈红色，享有“白昼里的祖母绿，黑夜里的红宝石”的美誉。产生条件： 在变石的可见光吸收谱中存在着两个明显的相间分布的色光透过带，一个是绿色波段，一个是红色波段。在日光中绿光成分偏多，变石在日光照射下绿色加浓，呈现绿色，而在白炽灯的照射下呈现红色。,变色效应,六、双折射和色散,1.自然光与偏振光： 自然光：一切从光源直接发出的光波，如太阳光、灯光等均属自然光。自然光在光波传播方向上的各个平面内，可沿各个方向振动，且振幅相等。 偏振光：在垂直光波传播方向的某一固定平面内沿一固定方向振动的光波。自然光可以通过反射、折射等作用转变为偏振光。示意图见下页。,自然光的振动与传播方向,晶体结构与双折射,2 双折射,除等轴晶系外其它晶系的晶体对光的作用在不同方向上不同，具光学各向异性，有两个折射率，称为双折射材料。 当光进入双折射晶体后，晶体结构强迫它平行于相互垂直的两个平面振动（两条偏振光）。见上页示意图。 如石英具两个折射率1.544和1.533，其数值差0.009称为双折射率（DR）；锆石（硅酸锆）折射率1.9251.984， DR 0.059，刻面棱重影明显，见下页示意图。,双折射(10倍放大镜),3 色散,光在晶体中的传播速率随波长而异的现象称为色散，白光是一种复色光，当白光通过宝石的倾斜刻面时，分解为七种单色光，可造成宝石表面的光谱色闪烁或火彩。钻石和锆石以其明显的火彩而著称。,白光穿过棱镜和刻面宝石时的色散,七、矿物的发光性,发光性： 某些矿物在外加能量的激发下能明显地发出可见光。 激发源主要有： 紫外光、阴极射线、x射线、 射线和高速质子流等各种高能辐射，以及加热、摩擦、可见紫光等。,磷光：矿物在外加能量的激发下 发光，当撤除激发源后，发光的 持续时间10-8秒； 而持续发光时间10-8秒的发光 称荧光。,注意： 矿物的发光性与晶格中存在 微量杂质元素及因杂质而产生 的晶格缺陷有关。,2 矿物的力学性质,矿物的力学性质：矿物在外力(如敲打、挤压、拉引、刻划等)作用下所表现出来的性质。,一、矿物的解理、裂开和断口,二、矿物的硬度,三、矿物的弹性与挠性,四、矿物的脆性与延展性,一、矿物的解理、裂开和断口,1解理 解理： 矿物晶体受应力作用而超过弹性 限度时，沿一定结晶学方向破裂成 一系列光滑平面。这些光滑的平面 称解理面。 注意：解理是晶质矿物才具有的特性。,解理产生的原因： 解理严格受晶体结构因素 晶格类型及化学键类型、强度和 分布的控制，解理面常沿面网间 化学键力最弱的面网产生。, 原子晶格，各方向的化学键力 均等，解理面面网密度最大即d 最大的面网。, 离子晶格，因静电作用，解理 沿由异号离子组成的、且 d大的 电性中和面网产生；或者，解理面 两层同号离子层相邻的面网。, 多键型的分子晶格，解理面 由分子键联结的面网。, 金属晶格，由于失去了价电子 的金属阳离子为弥漫于整个晶格内 的自由电子所联系，晶体受力时 很易发生晶格滑移而不致引起键的 断裂。故金属晶格具强延展性而无 解理。,解理的表示方法： 解理 解理反映出晶体的异向性和对称性。 通常用相应的单形及其符号以表示解理的方向、组数和夹角。解理面上之解理纹可反映出解理的组数和夹角。,解理的等级： 解理，据其产生的难易程度及完好性，通常分为五级： 极完全解理极完全解理： 矿物受力后极易裂成薄片， 解理面平整而光滑。, 完全解理： 矿物受力后易裂成光滑的平面或 规则的解理块，解理面显著而平滑， 常见解理面的阶梯。, 中等解理： 矿物受力后常破裂成 较小的不很平滑的平面， 解理面不太连续，常呈 阶梯状，且闪闪发亮， 清晰可见。, 不完全解理： 矿物受力后不易裂出 解理面，仅断续可见 小而不平滑的解理面。, 极不完全解理：即无解理。 矿物受力后很难出现解理面， 仅在显微镜下偶尔可见零星的 解理缝。,2019/8/20,72,可编辑,注意： 解理是矿物晶体特有的一种性质，绝大多数晶体，包括一些通常认为无解理的晶体，如石英、黄铁矿等，都程度不等地发育有解理。 同一晶体中可有一种或几种不同等级的解理。,研究意义： 解理是鉴定矿物的重要依据之一。 对已知矿物，据解理可确定其结晶方位及晶体的对称性。 解理的特征，能反映出矿物晶体结构的某些特点。如具一向极完全解理者都具有层状结构，具二向柱面解理者往往具有链状结构 。 加工上的意义。,2裂开 裂开裂开： 某些矿物晶体在应力作用下， 有时可沿着晶格内一定的结晶方向 破裂成平面。裂开的平面称裂开面。 注意： 从现象上看，裂开酷似解理， 只能出现在晶体上。,产生的原因： 裂开的产生取决于杂质的夹层及 机械双晶等结构以外的非固有因素。 裂开面 沿 产生,注意： （1）裂开只见于某些矿物的某些晶体上，也可能不遵循晶体的对称性。而解理是晶体的固有性质，对称出现。 （2）裂开只对少数矿物有鉴定意义；可推测矿物的成分、成因及形成历史。,3断口 断口： 矿物内部若不存在由晶体结构 所控制的弱结合面网，则受力后 将沿任意方向破裂成不平整的断面。, 解理和断口产生的难易程度互为 消长。晶格内各方向的化学键强度近于 相等的矿物晶体，受力后形成一定形状 的断口，而很难产生解理。 断口既可见于矿物单晶体上，也可 出现在同种矿物的集合体中。 断口不具对称性，不反映矿物的 内部特征。只作为鉴定矿物的辅助依据。,断口的描述方法： 矿物的断口主要藉于其形状来描述， 常见的有： 贝壳状断口贝壳状断口： 呈圆形或椭圆形的光滑曲面，出现以受力点为中心的不很规则的同心圆波纹，形似贝壳。如石英。, 锯齿状断口： 呈尖锐锯齿状，见于强延展性 的自然金属元素矿物。 平坦状断口： 断面较平坦，见于块状矿物。, 参差状断口： 呈参差不平状，见于大多数脆性 矿物及块状或粒状集合体。, 土状断口： 断面粗糙、呈细粉状，为土状 矿物特有。, 纤维状断口： 呈纤维丝状，见于纤维状矿物 集合体上。,二、矿物的硬度,硬度：矿物抵抗外来机械作用(如刻划、压入或研磨等)的能力。 硬度的测定方法硬度的测定方法： 大致有刻划法、静压入法、动压入法、研磨法、弹跳法和摇摆法等。,矿物肉眼鉴定中，通常采用摩斯硬度 ( HM )，系一种刻划硬度。 摩斯硬度计： 以十种硬度递增的矿物为标准来测定矿物的相对硬度。 测定时，应选择纯净、致密而新鲜的矿物，最好采用单晶体。,摩斯硬度计虽较为粗略，但在矿物肉眼鉴定中却较方便有效。而且通常可利用其它一些工具作为辅助标准：钢锉6.5，窗玻璃5.5，小钢刀5-5.5，钢钥匙3，指甲2-2.5，从而使应用更为方便。,硬度的影响因素： 1）化学键的类型及强度： 矿物的硬度主要取决于 其内部结构中质点间联结力 的强弱。, 典型原子晶格的硬度很高；但具以 配位键为主的原子晶格的大多数硫化物 矿物，因键力不太强，故硬度并不高。 离子晶格矿物的硬度通常较高，但 随离子性质的不同而变化较大。 金属晶格矿物的硬度较低(某些过渡 金属除外)。 分子晶格因分子间键力极微弱，其 硬度最低。 以氢键为主的矿物的硬度很低。,2）离子半径、电价、配位数及结构的紧密程度，决定着键力的强弱，影响离子晶格矿物的硬度。 当矿物结构类型相同(等型结构)，若离子电价相同，则硬度随离子半径的减小而增高；若离子半径相近，则硬度随离子电价增高而增大。 当结构类型不同，但其它因素类同时，矿物的硬度则随质点堆积的紧密程度的增高（即阳离子的配位数增高）而增大。 3） 含水矿物 的硬度通常都很低。,矿物的硬度具异向性、对称性、均一性。 同一矿物晶体的不同单形的晶面上，甚至同一晶面的不同方向上的硬度均会有差异。 同一矿物晶体的相同 单形的晶面上，相同 方向上的硬度相等。,三、矿物的弹性与挠性,弹性：某些层状或链状结构的矿物在外力作用下发生弯曲形变，当外力撤除后，在弹性限度内能自行恢复原状的性质。 挠性： 某些层状结构的矿物在撤除使其发生弯曲形变的外力后，不能 恢复原状的性质。 矿物的弹性和挠性取决于晶格内结构层间或链间键力的强弱。,（1） 若键力很微弱，受力后，层间或 链间可发生相对位移而弯曲，由于基本上 不产生内应力，故 形变后内部无力促使 晶格恢复到原状而表现出挠性； （2） 若层间或链间以一定强度的 离子键联结，受力时发生相对晶格位移， 同时所产生的内应力能在外力撤除后 使形变迅速复原而表现出弹性； （3） 当键力相当强时，矿物则表现出 脆性。,四、矿物的脆性与延展性,脆性：矿物受外力作用时易发生破碎 的性质。见于绝大多数非金属晶格矿物。 延性：矿物受外力拉引时易成为细丝 的性质。 展性： 矿物在锤击或碾压下易形成 薄片的性质。,延展性是矿物受外力作用发生晶格滑移形变的表现，是金属键矿物的一种特性。 肉眼鉴定时，用小刀刻划矿物表面，若留下光亮的沟痕而不出现粉末或碎粒，则矿物具延展性。 脆性和延展性，弹性和挠性都是不相容的 。 脆性与硬度之间无特定联系，硬度为2和10的自然硫和金刚石都有明显脆性。,晶格滑移示意图,3 矿物的其它物理性质,一、矿物的密度和相对密度,二、矿物的磁性,三、矿物的电学性质,四、矿物的其它物理性质,一、矿物的密度和相对密度,密度：矿物单位体积的质量(g/cm3)。 矿物的密度可据矿物的晶胞大小 及其所含的分子数和分子量计算 得出。,相对密度(比重)： 纯净的单矿物 在空气中的重量与4时 同体积的 水的重量之比。,1）相对密度无量纲，其数值与密度 相同，但它更易测定。 2）矿物的相对密度通常分为三级： 轻的： 相对密度 2.5 。 中等的：大多数非金属矿物的 相对密度为2.54 。 重的：相对密度 4 。硫化物 及自然金属元素矿物基本上属此类。,影响因素： 1）主要取决于其组成元素的原子量、 原子或离子的半径及结构的紧密程度。 等型结构矿物中，相对密度一般 随组成元素的原子量的增大而增大，随 原子或离子半径的增大而减小，具体 将视优势因素而异。 对同质多像变体，晶体结构中质点 堆积得越紧密，即原子或离子的CN越高， 其相对密度则越大。,2）形成环境： 一般地，高压环境下 形成的矿物相对密度较其低压环境 的同质多像变体为大；而温度升高则 有利于形成CN较低、相对密度较小 的变体。,研究意义： 对某些矿物的鉴定、分选 及其应用均具重大意义，有时 可作成因标志并指导找矿。,二、矿物的磁性,磁性磁性：矿物在外磁场作用下被磁化 所表现出能被外磁场吸引、排斥或 对外界产生磁场的性质。 磁化率：物体单位体积的磁化强度 与外磁场强度之比值。,1） 矿物的磁性，按 其在外磁场中 磁化的强弱，可分为： 亚铁磁性 铁磁性 反铁磁性 顺磁性 抗磁性 （逆磁性或反磁性）,2）重砂分析中，将矿物的磁性分为三类： 抗磁性矿物：磁化方向与外磁场 方向相反，微现被排斥的性质。 如方解石、萤石、自然银等。 电磁性矿物：在外磁场中磁化微弱， 只能被磁场强度大的电磁铁吸引。, 磁性矿物：在外磁场中不仅易被 强烈磁化，且本身还能对外界产生磁场， 故表现出强烈的相互吸引作用：既可被 永久磁铁所吸引，本身又能吸引铁质物体。 电磁性矿物和磁性矿物的磁化方向 均与外磁场方向相同，表现出被吸引的 性质。,3）肉眼鉴定时，一般以马蹄形磁铁或 磁化小刀来测试矿物的磁性，粗略分为 三级： 强磁性：矿物块体或较大的颗粒 能被吸引。如磁铁矿。 弱磁性：矿物粉末能被吸引。如 铬铁矿。 无磁性： 矿物粉末也不能被吸引。 如黄铁矿。,决定因素： 1）矿物的磁性主要是由于组成矿物的 原子或离子的未成对电子的自旋磁矩产生的。 由惰性气体型离子和铜型离子组成 的矿物都具抗磁性。 如方解石、金刚石、方铅矿、自然银等。 所有的磁性和电磁性矿物均含有 具不成对电子的过渡型离子，且不成对的 电子数越多，矿物的磁性越强。 如磁黄铁矿、自然铁、方锰矿、黑云母等。,2）磁性矿物的磁性强弱与温度有关。 居里温度：当温度升高至超过某一 温度时，其磁性即转变为顺磁性的 临界温度（Tc）。 磁性矿物的居里点能提供有关 矿物的成分、结构及成因等信息。 意义：在矿物鉴定、分选及找矿等方面 均具重要意义。,三、矿物的电学性质,1导电性 和 介电性 1）导电性： 矿物对电流的传导能力。主要 取决于化学键类型及内部能带结构 特征。, 具金属键的自然元素矿物和某些 金属硫化物，极易导电，为电的良导体。 离子键或共价键矿物具弱导电性 或不导电。非金属矿物是非导体称为 绝缘体。 主要是大部分深色硫化物、硫盐 和氧化物矿物，当温度升高时，导电性 增强；温度降低时则不导电。导电性介于 导体与绝缘体之间，称为半导体。,半导体矿物的导电性主要受杂质元素的 存在及晶格缺陷的影响；还随温度变化。