《结晶学（第2版）》课件1第一讲：绪论及晶体的形成

1、结晶学及矿物学 学时：76学时（其中理论课54，实验课22学时）任课教师：辅导教师：课程安排及特点结晶学32学时（其中理论课24学时，实验课8学时）矿物学为44学时（其中理论课30学时， 实验课14学时）本课程特点：学时数少；实验多占总学时的29%；是地学及材料科学的基础课，应用面极广；本课程有一定的难度。第1讲： 第一章 绪论，第二章 晶体的形成 第一章 绪 论（1学时）自然界的矿物一般都是天然晶体。研究矿物将涉及晶体许多固有的特性和结晶学法则与定律。因此，学习矿物学必须具备结晶学的基础。本章将首先对晶体及结晶学作概略介绍。一、晶体、非晶质体与准晶体 晶体：凡是质点作规律排列具有格子构造的物

2、质即称为结晶质，结晶质在空间的有限部分即为晶体。由此，我们可以对晶体作出如下定义：晶体是具有格子构造的固体。非晶体：与上述情况相反，有些状似固体的物质如玻璃、琥珀、松香等，它们的内部质点不作规则排列，不具格子构造，称为非晶质或非晶质体。从内部结构的角度来看，非晶质体中质点的分布颇类似于液体。准晶体：1985年在电子显微镜研究中，发现了一种新的物态，其内部结构的具体形式虽然仍在探索之中，但从其对称性(见第四章)可知，其质点的排列应是长程有序，但不体现周期重复，即不存在格子构造，人们把它称为准晶体。二、空 间 格 子 晶体的本质在于内部质点在三维空间作平移周期重复。空间格子是表示这种重复规律的几何

3、图形。空间格子有如下几种要素：1结点结点是空间格子中的点，它们代表晶体结构中的相当点。在实际晶体中在结点的位置上可为同种质点所占据。但就结点本身而言，它们并不代表任何质点它们只有几何意义，为几何点。2行列结点在直线上的排列即构成行列(图I一16)。空间格子中任意两个结点联结起来就是一条行列的方向。行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距。3面网结点在平面上的分布即构成面网(图I-1-7)。空间格子中不在同一行列上的任意三个结点就可以决定一个面网的方向，换句话说，也就是任意两个相交的行列就可决定一个面网。面网上单位面积内结点的密度称为网面密度。4平行六面体从三维空间来看，空间格子可以划出一个最

4、小重复单位，那就是平行六面体(图I-1-8)。它由六个两两平行而且相等的面组成。实际晶体结构中所划分出的这样的相应的单位，称为晶胞。整个晶体结构可视为晶胞在三维空间平行地、毫无间隙地重复累叠。晶胞的形状与大小，则取决于它的三个彼此相交的棱的长度。三、晶体的基本性质由于晶体是具有格子构造的固体。因此也就具备着为晶体所共有的、由格子构造所决定的基本性质。现简述如下。1自限性自限性是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。2均一性因为晶体是具有格子构造的固体，在同一晶体的各个不同部分，质点的分布是一样的，所以晶体的各个部分的物理性质与化学性质也是相同的，这就是晶体的均一性。 3异向性(各向

5、异性)同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，因此，晶体的性质也随方向的不同而有所差异，这就是晶体的异向性。如矿物蓝晶石(又名二硬石)的硬度，随方向的不同而有显著的差别(图I-1-10)，平行晶体延长的方向(图I-1-10中的AA)可用小刀刻动，而垂直于晶体延长的方向(图I-1-10中的BB)则小刀不能刻动。又如云母、方解石等矿物晶体，具有完好的解理，受力后可沿晶体一定的方向，裂开成光滑的平面。在矿物晶体的力学、光学、热学、电学等性质中，都有明显的异向性的体现。4对称性晶体具异向性但这并不排斥在某些特定的方向上具有相同的性质。在晶体的外形上，也常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出现。这

6、种相同的性质在不同的方向或位置上作有规律地重复，就是对称性。晶体的格子构造本身就是质点重复规律的体现。对称性是晶体极重要的性质，是晶体分类的基础，我们将以专门的章节加以讨论。5最小内能在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小。所谓内能，包括质点的动能与势能(位能)。动能与物体所处的热力学条件有关，温度越高，质点的热运动越强，动能也就越大，因此它不能直接用来比较物体间内能的大小。可用来比较内能大小的只有势能，势能取决于质点间的距离与排列。6稳定性晶体由于有最小内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态。这就是晶体的稳定性。这一点可以由晶体与气体、液体中质点的运动状态

7、的不同来说明。四、结晶学的主要研究内容 结晶学是研究晶体的生长、形貌、内部结构及其物理性质的科学。(1)晶体生长学 研究晶体发生、成长的机理和晶体的人工合成。它是材料科学的个重要研究内容。随着现代科学技术对特殊晶体材料的迫切需要，晶体生长的理论和实验研究衣迅速发展。它还与实验矿物学密切相关。(2)几何结晶学 研究晶体外形的几何规律。它是结晶学的古典部分，也是基础部分。几何结晶学的基本规律在矿物学中得到了广泛的应用。(3)晶体结构学和晶体化学 晶体结构学研究晶体结构的几何规律、结构型式和构造的缺陷；晶体化学则主要是研究晶体的化学成分和晶体结构的关系，并进而探讨成分结构与其性能和生成条件的关系。成

8、分和结构体现着晶体的内在本质。因此，矿物晶体学是矿物学研究的重要基础。(4)晶体物理学 研究晶体的物理性质及其产生机理。近代固体物理和矿物物理研究丰富了它的研究内容，使其得到了迅速的发展。根据专业要求，本教程将阐述结晶学的基础知识。只讲述部分内容。第二章 晶体的形成（1学时） 晶体是具有格子构造的固体。它的发生和成长，实质上是在一定的条件下组成物质的质点按照格子构造规律排列的过程。一、晶体形成的方式晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种，即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由气相、液相转变成固相时形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。 1由液相转变为固相(1)从熔体中结晶 当温度低

9、于熔点时，晶体开始析出，也就是说，只有当熔体过冷却时晶体才能发生。如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰；金属熔体冷却到熔点以下结晶成金属晶体。(2)从溶液中结晶 当溶液达到过饱和时，才能析出晶体。其方式有：1)温度降低，如岩浆期后的热液越远离岩浆源则温度将渐次降低，各种矿物晶体陆续析出，2)水分蒸发，如天然盐湖卤水蒸发，3)通过化学反应，生成难溶物质。2由气相转变为固相从气相直接转变为固相的条件是要有足够低的蒸气压。在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯化钠的晶体。却直接结晶而成的晶体。3由固相再结晶为固相 (1)同质多象转变 所谓同质多象转变是指某种晶体，在热力学条件改变时转变为另一种在新条

10、件下稳定的晶体。它们在转变前后的成分相同，但晶体结构不同。如在573以上可形成高温石英，而当温度降低到573以下时则转变为晶体结构不同的低温石英。(2)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岩接触时，受热再结晶成为由粗粒方解石晶体组成的大理岩。(3)固溶体分解 在一定温度下固熔体可以分离成为几种独立矿物。例的闪锌矿和黄铜矿在高温时组成为均一相的固熔体，分离成为两种独立矿物。例如由一定比而在低温时就分离。(4)变晶 矿物在定向的压力方向上溶解，而在垂直于压力方向上再结晶，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。这样的变质矿物称为“变晶”。有时在变质岩中发育成斑状

11、晶体称为“变斑晶”。(5)由固态非晶质结晶 火山喷发出的熔岩流迅速冷却，固结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。二、晶核的形成 晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。 一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：（1）介质达到过饱和、过冷却阶段，（2）成核阶段；（3）生长阶段。 三、晶体的生长晶核形成后，将进一步成长。下面介绍关于晶体生长的两种主要的理论。1层生长理论1)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，不同时刻生成的晶体的物性(如颜色)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可以看

12、到带状构造。它表明晶面是平行向外推移生长的。3)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。4)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长锥或砂钟状构造。在薄片中常常能看到。然而晶体生长的实际情况要比简单层生长理论复杂得多。往往一次沉淀在一个晶面上的物质层的原度可达几万或几十万个分子层。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。这样继续生长下去的结果，使晶体表面不平坦，成为阶梯状称为晶面阶梯。2螺旋生长理论 弗朗克等人(19491951)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

13、25-50。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1的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在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凹角可作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。这样使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。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。晶体符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，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

14、过晶面，而是围绕着螺旋位铅的轴线螺旋状前进。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件信息的各种样式的螺旋纹。四、晶面的发育在晶体生长过程中，不同晶面的相对生长速度如何，在晶体上哪些晶面发育。下面介绍有关这方面的几种主要理论。1布拉维法则在1855年，法国结晶学家布拉维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。2居里吴里夫原理1885年居里(P.Curie)指出，在平衡条件下，发生液相与固相之间的转变时，晶体调整其形态使总表面能为最小亦即晶体生长的平衡形态应具有最小表面能。3周

15、期键链(PBC)理论P.Hartman和N.G.Perdok等(1955)从晶体结构的几何特点和质点能量两方面来探讨晶面的生长发育。他们认为在晶体结构中存在着一系列周期性重复的强键链，其重复特征与晶体中质点的周期性重复相一致，这样的强键链称为周期键链简写为PBC。晶体平行键链生长，键力最强的方向生长最快。五、影响晶体生长的外部因素决定晶体生长的形态，内因是基本的，而生成时所处的外界环境对晶体形态的影响也很大。同一种晶体在不同的条件生长时，晶体形态是可能有所差别的。现就影响晶体生长的几种主要的外部因素分述如下。(1)涡流 在生长着的晶体周围，溶液中的溶质向晶体粘附，其本身浓度降低以及晶体生长放出

16、热量，使溶液密度减小。由于重力作用，轻溶液上升，远处的重溶液补充进来，从而形成了涡流。涡流使溶液物质供给不均匀，有方向性，同时晶体所处的位置也可能有所不同，如悬浮在镕液中的晶体下部易得溶质的供应，而贴着基底的晶体底部得不到溶质等等，因而生长形态特征不同。为了消除因重力而产生的涡流，现已在人造地球卫星的失重环境中试验晶体的生长。(2)温度 在不同的温度下，同种物质的晶体，其不同晶面的相对生长速度有所改变，影响晶体形态，如方解石(CaCO3)在较高温度下生成的晶体呈扁平状，而在地表水溶液中形成的晶体则往往是细长的。石英晶体亦有类似的情况。(3)杂质 溶液中杂质的存在可以改变晶体上不同面网的表面能，

17、所以其相对生长速度也随之变化而影响晶体形态。例如，在纯净水中结晶的石盐是立方体，而在溶液中有少量硼酸存在时则出现立方体与八面体的聚形。(4)粘度 溶液的粘度也影响晶体的生长。粘度的加大，将妨碍涌流的产生，溶质的供给只有以扩散的方式来进行，晶体在物质供给十分困难的条件下生成。由于晶体的棱角部分比较容易接受溶质，生长得较快，晶面的中心生长得慢，甚至完全不长，从而形成晶体。(5)结晶速度 结晶速度大，则结晶中心增多，晶体长的细小，且往往长成针状、树枝状。反之，结晶速度小，则晶体长得极大。如岩浆在地下缓慢结晶，则生长成粗粒晶体组成的深成岩，如花岗岩但在地表快速结晶则生成由细粒晶体甚至于隐晶质组成的喷出

18、岩，如流纹岩。结晶速度还影响晶体的纯净度。快速结晶的晶体往往不纯，包裹了很多杂质。影响晶体生长的外部因素还有很多如晶体析出的先后次序也影响晶体形态先析出者有较多自由空间，晶形完整，成自形晶，较后生长的则形成半自形晶或他形晶。同一种矿物的天然晶体于不同的地质条件下形成时，在形态上、物理性质上部可能显示不同的特征，这些特征标志着晶体的生长环境，称为标型特征。六、晶体的溶解与再生1晶体的溶解把晶体置于不饱和溶液中晶体就开始溶解。由于角顶和棱与溶剂接触的机会多，这些地方溶解得快些，因而晶体可溶成近似球状。如明矾的八面体溶解后成近于球形的八面体。晶面溶解时，将首先在一些薄弱地方溶解出小凹坑，称为蚀像。在镜下观察，这些蚀象是由各种次生小晶面组成。不同网面密度的晶面溶解时，网面密度大的晶面先溶解，因为网面密度大的晶面网面间距大，容易破坏。2晶体的再生破坏了的和溶解了的晶体处于合适的环境又可恢复多面体形态，称为晶体的再生，如斑岩中石英颗粒的再生。七、人工合成晶体人工合成晶体则不仅可以模拟和解释天然矿物的形成条件，更重要的是