结晶学及矿物学 第二版 赵珊茸 主编 第一章 晶体的基本性质

1、1结晶学及矿物学主讲：张佩聪副教授 电话QQ：3963938322（一）本课程在专业课程体系中的地位和作用本课程在专业课程体系中的地位和作用 结晶学结晶学及及矿物学是矿物学是无机非金属材料、金属材料、矿物材料、无机非金属材料、金属材料、矿物材料、复合材料复合材料等领域中具有共性规律的一门课程，是材料科学与工程本等领域中具有共性规律的一门课程，是材料科学与工程本科专业的一门科专业的一门专业核心专业核心课。课。 通过对本课程的学习，使学生对晶体学通过对本课程的学习，使学生对晶体学及及矿物学的基础知识有一矿物学的基础知识有一个全面、系统认识，为学好后续有关材料专业课程和今后

2、从事材料个全面、系统认识，为学好后续有关材料专业课程和今后从事材料研制、生产打下坚实基础。要求学生掌握几何结晶学的基本知识和研制、生产打下坚实基础。要求学生掌握几何结晶学的基本知识和矿物的分类、物理性质及具有工业利用和开发价值矿物的晶体结构矿物的分类、物理性质及具有工业利用和开发价值矿物的晶体结构及应用。及应用。 本课程以大学物理、现代化学基础等为前导课程，在授本课程以大学物理、现代化学基础等为前导课程，在授课内容的深度和广度上需要和后续各专业课程衔接，为材料物理课内容的深度和广度上需要和后续各专业课程衔接，为材料物理化学、材料科学基础、材料工程基础等后续课程学习提化学、材料科学基础、材料工程

3、基础等后续课程学习提供必要的晶体学、晶体化学等基础知识。供必要的晶体学、晶体化学等基础知识。 结晶学及矿物学课程结晶学及矿物学课程简介简介3性能性能成分成分结构结构制备工艺制备工艺4（二）教材（二）教材 选用教材选用教材： 结晶学及矿物学结晶学及矿物学赵珊茸赵珊茸 边秋娟边秋娟 凌其聪高等教育出凌其聪高等教育出版社，版社，2005 教学参考书：教学参考书： 结晶学与矿物学结晶学与矿物学潘兆橹地质出版社，潘兆橹地质出版社，1993 结晶学及矿物学结晶学及矿物学江世贵冶金工业出版社，江世贵冶金工业出版社，1993 5（三）学时安排（三）学时安排总学时：总学时：48（36+12）总学分：总学分：3学

4、分学分学时安排：学时安排： 结晶学部分：结晶学部分： 30（24+6） 矿物学通论：矿物学通论： 8（6+2） 矿物学各论：矿物学各论： 10（6+4）6第一部分 结晶学基础 第一章第一章 晶体及其基本性质（晶体及其基本性质（2 2学时）学时） 第二章第二章晶体的测量与投影（晶体的测量与投影（2 2学时）学时） 第三章第三章 晶体的宏观对称（晶体的宏观对称（6+26+2学时）学时） 第四章第四章 晶体的定向和晶面符号（晶体的定向和晶面符号（6+46+4学时）学时） 第五章第五章 单形和聚形（单形和聚形（2 2学时）学时） 第六章第六章 晶体内部结构的微观结构（晶体内部结构的微观结构（2 2学时

5、）学时） 第七章第七章 晶体化学（晶体化学（4 4学时学时）7第二部分 矿物学通论 第一章第一章 矿物及矿物的化学成分（矿物及矿物的化学成分（2 2学时）学时） 第二章第二章矿物的形态及物理性质（矿物的形态及物理性质（4+24+2学时）学时）8第三部分第三部分 矿物学各论矿物学各论（共（共6+46+4学时）学时） 第一章第一章 自然元素大类自然元素大类 第二章第二章 硫化物及其类似化合物大类硫化物及其类似化合物大类 第三章第三章 氧化物和氢氧化物大氧化物和氢氧化物大类 第四章第四章 含氧盐大类含氧盐大类 第五章第五章 卤化物大类卤化物大类9（四）成绩构成（四）成绩构成由三部分构成，缺一不可：由

6、三部分构成，缺一不可： 平时成绩：平时成绩：5% 实验成绩：实验成绩：15% 卷面成绩：卷面成绩：80%10第一部分 结晶学基础 第一章第一章 晶体及其基本性质（晶体及其基本性质（2 2学时）学时） 第二章第二章晶体的测量与投影（晶体的测量与投影（2 2学时）学时） 第三章第三章 晶体的宏观对称（晶体的宏观对称（6+26+2学时）学时） 第四章第四章 晶体的定向和晶面符号（晶体的定向和晶面符号（6+46+4学时）学时） 第五章第五章 单形和聚形（单形和聚形（2 2学时）学时） 第六章第六章 晶体内部结构的微观结构（晶体内部结构的微观结构（2 2学时）学时） 第七章第七章 晶体化学（晶体化学（4

7、 4学时学时）11第一章第一章 晶体和空间格子晶体和空间格子从几何意义上掌握从几何意义上掌握晶体和空间格子的概念晶体和空间格子的概念，空间格子的获取过程空间格子的获取过程和和空间格子的基本要素空间格子的基本要素，要，要求能够从几何意义上正确区分晶体结构和空间格求能够从几何意义上正确区分晶体结构和空间格子、晶胞与平行六面体的差异，掌握晶体的基本子、晶胞与平行六面体的差异，掌握晶体的基本性质，以便为后续内容的掌握奠定良好基础。性质，以便为后续内容的掌握奠定良好基础。 教学大纲要求教学大纲要求重点和难点重点和难点重点：重点：晶体和空间格子的概念、空间格子的获取和晶体和空间格子的概念、空间格子的获取和

8、晶体的基本性质。晶体的基本性质。难点：难点：空间格子的获取及其几何意义。空间格子的获取及其几何意义。12一一. .晶体：晶体：晶体晶体和非晶体。和非晶体。二二. .空间格子：空间格子：(1)(1)空间格子和相当点空间格子和相当点的概念的概念(2)(2)空间格子的获取空间格子的获取三三. .空间格子的基本要素空间格子的基本要素(1)(1)结点结点;(2);(2)行列行列;(3);(3)面网面网;(4);(4)平行六面体平行六面体四四. .晶体的基本性质晶体的基本性质（1 1）自限性；（）自限性；（2 2）均一性；（）均一性；（3 3）异向性；（）异向性；（4 4）对称性；（对称性；（5 5）最小

9、内能（）最小内能（6 6）稳定性。）稳定性。主要内容主要内容13 石英（石英（Quartz）铬铅矿（铬铅矿（Crocoite）一. 晶体的概念晶体的概念什么是晶体？什么是晶体？14 电气石电气石(Tourmaline)石膏石膏(Gypsum)钼铅矿钼铅矿(Wulfenite)15祖母绿祖母绿(EmeraldBrooch)钻石钻石(Diamond)金刚石金刚石(Diamond)16石榴子石石榴子石(Garnet) 火蛋白石火蛋白石(FireOpals)17紫锂辉石紫锂辉石(Kunzite) 软玉软玉(Nephrite)常林钻石常林钻石重重158.786克拉克拉18 晶体的远古定义（从现象）：晶体

10、的远古定义（从现象）：能自发生成规则能自发生成规则几何多面体形状的固体。显然，该定义不够严谨。几何多面体形状的固体。显然，该定义不够严谨。具有格子构造的固体具有格子构造的固体, 或内部或内部 质点在三维空间成周期性重复质点在三维空间成周期性重复 排列构成的固体。排列构成的固体。 homogeneous solid containing long-range order in three dimensional space. 晶体的定义是什么？晶体的定义是什么？19 研究表明，数以千计的不同种类晶体研究表明，数以千计的不同种类晶体尽管各种晶体的结构各不相同，但都具有尽管各种晶体的结构各不相同，但

11、都具有格子状构造格子状构造，这是一切晶体的共同属性。，这是一切晶体的共同属性。与晶体结构相反，与晶体结构相反，内部质点不作周期内部质点不作周期性的重复排列的固性的重复排列的固体，即称为体，即称为非晶质非晶质体体。20水晶水晶 玻璃玻璃晶体晶体:短短(或近或近)程有序程有序,长长(远远)程有序程有序非晶体非晶体:短短(或近或近)程有序程有序,长长(远远)程无序程无序21二二. .空间格子的概念与获得空间格子的概念与获得（1 1）空间格子）空间格子是表示晶体内部结构中是表示晶体内部结构中质点质点周周期性重复排列规律的期性重复排列规律的几何图形几何图形。（2 2）等同点或相当点：）等同点或相当点：点

12、的内容点的内容( (或种类或种类) )相同相同; ;点的周围环境相同。点的周围环境相同。 （3 3）空间格子的获得：）空间格子的获得： 首先必须找出晶体结构中的相当点；首先必须找出晶体结构中的相当点； 按照一定的规则将相当点连接起来，就形按照一定的规则将相当点连接起来，就形成了空间格子。成了空间格子。 22石盐的晶体结构23空间格子的获得：空间格子的获得：等同点或相当点等同点或相当点(1)点的内容点的内容(或种类或种类)相同相同;(2)点的周围点的周围环境相同环境相同.一维图案一维图案24二维图案二维图案(c)25三维图案三维图案 等同点的分布可以体现晶体结构中所有质点的重复规律。等同点的分布

13、可以体现晶体结构中所有质点的重复规律。等同点在三维空间作格子状排列，我们称为等同点在三维空间作格子状排列，我们称为空间格子空间格子。同一晶体结构，其空间格子一定是固定和相同的。同一晶体结构，其空间格子一定是固定和相同的。2627 （1）结点）结点（2）行列）行列（3）面网）面网（4）平行六面体）平行六面体三.空间格子的基本要素28l 空间格子中的点，代表晶体空间格子中的点，代表晶体结构中的结构中的等同点等同点。l 为为几何点几何点，只有几何意义。，只有几何意义。l 在实际晶体中，结点的位置在实际晶体中，结点的位置一定是由一定是由同种质点同种质点所占据。所占据。（1 1）结点（格点）结点（格点）

14、l实际晶体中的同种质点并不一定只占据在同一套结点上实际晶体中的同种质点并不一定只占据在同一套结点上。（在（在P4P4图图1-2a1-2a中以硅原子为对象可找出两套相当点，以氧中以硅原子为对象可找出两套相当点，以氧原子为对象可找出原子为对象可找出3 3套相当点。）套相当点。）29l 结点在直线上的排列即构结点在直线上的排列即构成行列。成行列。l 结点间距：结点间距：行列上两个相行列上两个相邻结点间的距离，即最小邻结点间的距离，即最小重复周期。重复周期。（2 2）行列）行列l同一行列中的结点间距必然是相等的。同一行列中的结点间距必然是相等的。l相互平行的行列，其结点间距必定相等；相互平行的行列，其

15、结点间距必定相等；l不相平行的行列，一般说其结点间距亦不相不相平行的行列，一般说其结点间距亦不相等。等。30（3 3）面网）面网l结点在平面上的分布即构成面网。结点在平面上的分布即构成面网。l面网密度面网密度：面网上单位面积内的结点面网上单位面积内的结点数。数。l面网间距：面网间距：任意两相邻面网间的垂直任意两相邻面网间的垂直距离。距离。 l相互平行的面网，其面网密度及面网间距必然相同。相互平行的面网，其面网密度及面网间距必然相同。l互不平行的面网，其面网密度及面网间距一般不同。互不平行的面网，其面网密度及面网间距一般不同。l面网密度大的面网其面网间距亦大，反之，密度小，面网密度大的面网其面网

16、间距亦大，反之，密度小，间距亦小。间距亦小。31l是空间格子的最小重复单是空间格子的最小重复单位。位。l平行六面体的大小和形状平行六面体的大小和形状可由结点间距可由结点间距a、b、c及其及其相互之间的交角相互之间的交角a a、b b、g g 表示，它们被称为点阵参表示，它们被称为点阵参数。具体详见第七章。数。具体详见第七章。（4 4）平行六面体）平行六面体32自限性自限性：晶体能自发地形成封闭的凸几何多面体外形的特性。任何晶体在生长过程中，只要有适宜的空间条件，它们都能自发地长成规则几何多面体。晶体为平的晶面所包围，晶面相交成直的晶棱，晶棱相交会聚成尖的角顶。晶面、晶棱和角顶分别与格子构造中的

17、面网、行列和结点相对应。晶体多面体形态受格子构造制约，它服从于一定的结晶学规律。均一性均一性：晶体内部任意两个部分的化学组成和物理性质是等同的。可以用数学公式来表示, 设在晶体的x处和x + x处取得小晶体, 则 F(x) F (x + x) 此处F表示化学组成和性质等物理量度。 非晶质体非晶质体也具有其均一性，但由于非晶质体的质点排列不具有格子构造，所以其均一性是统计的、平均近似的均一，称为统计均一性统计均一性；而晶体晶体的均一性是取决于其格子构造的，称为结晶均一性结晶均一性。四.晶体的基本性质33异向性：异向性：晶体的几何量度和物理性质与其方向性有关。设在晶体任意取两个方向n1和n2, 则

18、有 F(n1) F(n2) 即在不同方向上, 晶体的几何量度和物理性质均有所差异。对称性对称性：指晶体中相同部分（如外形上的相同晶面、晶棱，内部结构中的相同面网、行列或原子、离子等）或性质，能够在不同的方向或位置上有规律重复出现的特性。最小内能性最小内能性: 在相同的热力学条件下，与同种化学成分的气体、液体及非晶质体相比，以晶体的内能为最小。 内能 = 动能 + 势能 质点在平衡点 质点间相对 周围作无规则 位置所产生 振动的能量 能量34稳定性稳定性：在相同的热力学条件下，具有相同化学成分的晶体和非晶质体相比，晶体是稳定的，而非晶质体是不稳定的。对于化学成分相同的物质，以不同的物理状态存在时

19、，其中以结晶状态最为稳定。这一性质与晶体的内能最小是吻合的。在没有外加能量的情况下，晶体是不会自发地向其它物理状态转变的。351000多年前，认识了石英和石盐具有规则的外 形； 17世纪中叶前，以外形研究为主 ； 1912年，X射线晶体衍射实验成功，结晶学进入快速发展阶 段； 19世纪中叶开始对晶体内部结构探索，逐渐发展成为一门 独立的学科； 20世纪初, 内部结构的理论探索 。 是矿物学的基础, 是材料科学的基础 , 是生命科学的基础 . 五.研究简史及主要分支36现代结晶学的几个分支：1、晶体生成学：晶体生成学：研究天然及人工晶体的发生、成长和变 化的过程与机理，以及控制和影响它们的因素。2、几何结晶学：几何结晶学：研究晶体外表几何多面体的形状及其规 律性。3、晶体结构学：晶体结构学：研究晶体内部结构中质点排列的规律 性，以及晶体结构的不完善性。4、晶体化学：晶体化学：研究晶体的化学组成与晶体结构以及晶体 的物理、化学性质之间关系的规律性。5、晶体物理学：晶体物理学：研究晶体的各项物理性质及其产生的机 理。37l 晶体晶体：具有格子构造的固体。：具有格子构造的固体。l 空间格子空间格子：是表示晶体内部结构中：是表示晶体内部结构中质点质点周期性周期性重复排列规律的重复排列规律的几何图形。几何图形。l 等同点或相当点：等同点或相当点：点的内容点