矿物的物理性质

矿物的物理性质第1页/共72页第14章矿物的物理性质矿物的光学性质颜色条痕透明度光泽发光性矿物的力学性质解理、裂开、断口硬度弹性与挠性脆性与延展性矿物的其他性质相对密度（比重）磁性电性第2页/共72页一、矿物的光学性质：矿物的颜色：

自色：矿物成分与结构决定的矿物本身固有的颜色；

他色：矿物因含某种杂质而引起的颜色；

假色：由某种物理效应（干涉、衍射、散射）而引起的颜色，包括：锖色：矿物表面氧化薄膜使光发生干涉而呈现的各种彩色；晕色：矿物内部的裂隙使光发生散射、折射与干涉形成的彩色；变彩：矿物中含一些定向包裹体或出溶体，对光发生干涉、衍射使颜色随方向而变化；乳光：矿物中含一些细小包裹体或出溶体对光发生漫射而呈。自色是矿物固有的，是鉴定矿物的主要依据；他色不能鉴定矿物，但能帮助判断矿物成分的变化；假色也不能鉴定矿物，但能产生很好的光学效果，因此可以应用。第3页/共72页第4页/共72页矿物的颜色：矿物自色的呈色机理：矿物对可见光吸收后，透射和反射光的混合色，即：吸收光的补色。对透明矿物：透过光的颜色。即：吸收光的补色。对不透明矿物：反射光的颜色。即：光全部被吸收后，其中部分吸收的光再被反射回来的颜色。（也是吸收光的补色）互补色第5页/共72页矿物的颜色：对于彩色：

透明矿物蓝色光被吸收了，呈现蓝色的补色：橙色（体色）白光入射黄光被反射吸收了全部的光，但其中的黄光被反射了，所以呈黄色（黄色也可以理解为吸收光的补色）（表面色，内部是黑色）不透明矿物白光入射第6页/共72页矿物的颜色：如果是无色、灰色、黑色：各色光全部透过各色光全部吸收各色光全部透过一点白光白光白光第7页/共72页矿物的颜色：那么，为什么会对可见光产生吸收？矿物内部的电子吸收可见光的能量发生跃迁。这是矿物能呈色的最根本的原因。可见光的能量是很小的，所以，矿物晶体结构中必须要有能级差很小的电子轨道，电子才能吸收可见光的能量发生跃迁。第8页/共72页矿物的颜色：吸收可见光产生电子跃迁有以下几种情况：1）过渡型离子内部电子跃迁：未满的d轨道发生分裂后，分裂能级与可见光能量相当，使得电子可以发生跃迁。并且，分裂能级的大小影响吸收什么光（红、绿等）。与可见光能量相当所以，过渡型离子一般能使矿物呈色，能使矿物呈色的过渡型离子叫色素离子：Fe,Mn,Cr,Ti,Ni等。第9页/共72页矿物的颜色：2）变价离子间电荷转移：矿物晶体结构中如果存在Fe3+-Fe2+,Ti4+-Ti3+等，则在光能的作用下可发生电荷转移，即从一个离子转移到另一个离子，这就使电子收光能发生跃迁。3）能带间电子跃迁：晶体结构中的许多离子、原子，其电子轨道要发生“干涉、交叉”，形成一个非常复杂的能级结构，称为能带。如果能带之间有小能级差且有空能级的，就可以使电子吸收光能而发生跃迁。（这一点与第1点是相似的）4）色心：晶体结构中的缺陷，可以捕获电子，使电子发生跃迁。第10页/共72页矿物的颜色：在具体描述矿物颜色时，可以用三种方法：1）标准色谱法：红色、蓝色、黄色等；2）二色法：黄绿色、褐黑色、灰绿色等；3）类比法：金黄色、铅灰色、桔黄色等。对于金属矿物，一般都是用与某种金属相似的类比法来描述：金黄色、铅灰色、铜黄色、锡白色、古铜色，等等。一般不用标准色谱法和二色法来描述；对于非金属矿物则上述三种方法都可用。第11页/共72页下面给出一些各色矿物实例：第12页/共72页第13页/共72页第14页/共72页第15页/共72页第16页/共72页橄榄绿色（黄绿色）橙黄色（棕黄色）第17页/共72页矿物的条痕：矿物的条痕：矿物粉末的颜色。通常在白色无釉瓷板上刻画所得。用处：矿物的条痕能消除假色、减弱他色、突出自色，所以，它在鉴定矿物上比矿物颗粒的颜色更稳定、更有效。例如：不同成因赤铁矿的颜色可在钢灰－红褐色之间变化，但是它的条痕呈一种特征的且较稳定的颜色：红棕色（樱桃红）。另外，条痕还可以帮助确定矿物的光泽、透明度等级（见后叙）。因此，条痕在鉴定矿物过程中非常有用！第18页/共72页矿物的条痕：与矿物颗粒颜色关系：矿物条痕的颜色可以与矿物颗粒的颜色相同，也可以不同。一般来说，对于透明矿物，两者基本一致，对于不透明矿物，一般不一致，如：铜黄色、铅灰色的矿物条痕都为黑色。为什么？（因为不透明矿物为反射光的颜色，但条痕已经变为粉末，已经不能反光了，全都吸收了，所以为黑色）第19页/共72页矿物的条痕：与光泽、透明度关系：白色、浅色条痕－－透明、光泽弱黑色、深色条痕－－不透明、光泽强第20页/共72页矿物的透明度：矿物的透明度：透过光的程度。划分等级：在显微镜下以0.03mm薄片是否透过光来划分。我们在标本上则以矿物碎片边沿部分是否透光划分：透明、半透明、不透明。（透明矿物往往易看成不透明）

还可根据条痕划分：无色、白色条痕－透明，彩色条痕－半透明，黑色条痕－不透明。（思考：为什么可根据条痕？）第21页/共72页矿物的光泽：矿物的光泽：矿物表面反光的能力。划分等级：一般要结合条痕来划分。

金属光泽：反光最强，具金属色，条痕黑色，不透明。

半金属光泽：反光较强，也具金属色，条痕深彩色，不透明－半透明。

金刚光泽：反光稍弱，不具金属色，条痕彩色，半透明－透明。

玻璃光泽：反光很弱，像玻璃，虽然很光亮，但不刺眼。条痕无色、白色，透明。

光泽等级的划分是比较难的，要靠经验，条痕是一个非常好的评判参考。第22页/共72页金属光泽：半金属光泽：金刚光泽：玻璃光泽：第23页/共72页矿物的光泽：此外，还有一些特殊（变异）光泽的描述名称：树脂光泽：沥青光泽：珍珠光泽：丝绢光泽：油脂光泽：腊状光泽：土状光泽：这些光泽的名称是根据形像来命名的，并不是光泽等级名称。它们与光泽等级的关系一般为：沥青光泽对应金刚光泽或半金属光泽，树脂、珍珠光泽对应金刚光泽，其余都对应玻璃光泽。特殊光泽有的是因为矿物集合体产生，如丝绢光泽、土状光泽；有的是在不平坦的断口上产生，如油脂光泽；有的是在极完全解理面上产生，如珍珠光泽。第24页/共72页石英油脂光泽：第25页/共72页矿物的发光性：矿物的发光性：在外加能量激发下矿物发出可见光。一般外加能量为高能辐射（紫外光、X射线等）；也可以为加热、摩擦等。即：矿物吸收高于可见光的光能，再以可见光的形式将能量释放出来。第26页/共72页矿物的发光性：矿物发光性的实质：矿物内部电子在外加高能（大于可见光能）作用下，跃迁到较高的能级，处于激发态；由于在激发态不稳定，电子又跳回到较低能级（过渡态），也可能再回到基态，这时电子的能量就以较低能量的可见光发出来。基态激发态过渡态外加能级：大于可见光发出能级：可见光能级发出能级：可见光能级第27页/共72页矿物的发光性：矿物的发光性分类：

磷光：外能停止后还持续一段时间发光；

荧光：外能停止后发光即停止。晶体的发光性研究是晶体材料学里一个非常重要的研究领域，并且广泛地应用于国民经济社会。我们这门课程涉及的发光性，仅仅是作为矿物的一个鉴定特征，例如：白钨矿在紫外线下发浅蓝色荧光，以此鉴定它。第28页/共72页矿物光学性质总结：1）矿物光学性质的机理：白光入射透过光的颜色，形成透明矿物的颜色；透过光的强度，决定了矿物的透明度反射光的颜色，形成不透明矿物的颜色；反射光的强度，决定了矿物的光泽透过光和反射光都是吸收光的补色。第29页/共72页矿物光学性质总结：2）矿物各种光学性质的关系：条痕无色、白色－－透明－－玻璃光泽条痕彩色－－透明－－金刚光泽条痕深彩色－－半透明－－半金属光泽条痕黑色－－不透明－－金属光泽第30页/共72页二、矿物的力学性质解理、裂开、断口解理：在外力作用下，沿一定结晶学方向破裂形成一系列光滑平面的性质。破裂面叫解理面。1）与晶体结构有关，沿化学键弱的面网裂开；2）可以有多个方向的解理并且分布具有对称性，因为晶体结构是对称的；3）可以用单形符号来描述解理的结晶学方向性，因为单形描述的是性质相同的一组晶面，而解理是性质相同的一组面网产生的。第31页/共72页解理、裂开、断口：解理与晶体结构的关系：总的说是沿化学键弱的面网裂开。具体有以下情况：1）沿面网间距大的方向裂开（主要针对原子晶格）；（图片）2）沿电性中和面裂开（主要针对离子晶格）。如NaCl晶体；（图片）第32页/共72页返回金刚石结构中{111}面网间距大，产生解理NaCl结构中{100}是电性中和面，产生解理第33页/共72页解理、裂开、断口：3）沿同号离子相邻的面网裂开（主要针对离子晶格）。4）对于多键型晶格，一般沿分子键裂开；（图片）5）对于金属键晶格，一般无解理，因为金属键各向键性均匀。第34页/共72页返回第35页/共72页解理、裂开、断口：解理的表示方法：用单形符号可以表示出解理的方向性与组数（同一方向的解理为一组解理），还可以反映出解理面夹角。例如：石盐、方铅矿有{100}解理，在已知是等轴晶系的前提下，可知：解理面垂直3个晶轴，有3组解理，解理面夹角为90度；闪锌矿有{110}解理，在已知是等轴晶系的前提下，可知：解理面在两晶轴之间，有6组解理，解理面夹角120度和90度；第36页/共72页解理、裂开、断口：请思考：石墨{0001}解理有几组？方向怎样？

金红石（四方晶系）{110}解理有几组？方向怎样？正长石（单斜晶系）{001}、{010}解理有几组？方向怎样？第37页/共72页解理组数与夹角还可以根据矿物晶体标本上的解理纹来判断：第38页/共72页解理、裂开、断口：解理的等级：1）极完全解理：破裂成薄片，平整而光滑，如云母；2）完全解理：破裂成板块，较平整而光滑，如方解石；3）中等解理：破裂成不太平整的面，但在较小的范围内隐约可见平面，如白钨矿；4）不完全解理：基本上见不到解理面，但隐约可见断断续续的面，如磷灰石；5）极不完全解理：无解理面，如石英。对不完全解理和极不完全解理，肉眼见不到解理面，以后都以无解理或解理不发育描述。第39页/共72页黑云母的极完全解理方解石的完全解理第40页/共72页解理、裂开、断口：关于解理面的观察，要注意以下几点：解理面的观察一定要在单晶体内部观察，对集合体，要首先划出单颗粒范围，再观察；对隐晶集合体无解理可言。解理等级的划分是比较难的，要凭经验。解理面与晶面区别：解理面是破裂面，相互平行可产生无穷多解理面，而晶面只是在表面；解理面上有解理阶梯，是相互平行的解理在解理面上的表现，晶面上有生长花纹：聚形纹、生长阶梯（多边形，螺旋形）、生长丘、蚀像等。第41页/共72页解理面晶面第42页/共72页解理、裂开、断口：裂开：因为某些非晶体结构的原因，晶体在外力作用下沿一定结晶学方向裂开。现象与解理一样，但成因不一样。非晶体结构的原因指：定向包裹体、定向出溶体在晶体结构中的某些面网上排列，导致这些面网容易破裂。第43页/共72页解理、裂开、断口：裂开也可以用单形符号表示，如：磁铁矿常见{111}裂开，这是因为原来的固溶体钛磁铁矿（Fe,Ti）3O4在温度下降后将钛铁矿Ti2O3出溶出来，而钛铁矿的{0001}面网与磁铁矿Fe3O4的{111}面网相似，因此附着在磁铁矿的{111}面网定向排列，导致磁铁矿沿{111}裂开。第44页/共72页解理、裂开、断口：原因：这是因为钛铁矿的{0001}与磁铁矿的{111}面网结构很相似。思考：钛铁矿附着在磁铁矿的{111}面网定向排列属于什么现象？

第45页/共72页磁铁矿的{111}裂开，从现象上还是与解理有些区别：没有解理面密集。第46页/共72页解理、裂开、断口：断口：与解理正好相反，晶体在外力作用下不裂开为平面，而是不平整的，就叫断口。断口的发育恰好与解理成反相关，完全解理则无断口，不完全解理则发育的就是断口，所以没有必要对断口划分等级。对断口的描述仅仅是根据形状，如：贝壳状断口、锯齿状断口、参差状断口、土状断口等。第47页/共72页解理、裂开、断口：与解理不同的是，断口也针对隐晶集合体，如土状断口是土状集合体矿物表现出来的一种断口形状。第48页/共72页参差状断口贝壳状断口第49页/共72页矿物的硬度：矿物的硬度：抵抗外来机械作用（刻划、压入、研磨）的能力。不能用冲击力。矿物的硬度直接与矿物内部化学键强度、结构紧密度有关。第50页/共72页矿物的硬度：对于化学键：原子晶格（共价键）硬度大，其次为离子晶格（离子键），金属晶格、分子晶格、氢键晶格的硬度较低。对于结构紧密度：等型等键结构，离子（原子）半径越小，硬度越大；例如：Mg[CO3]-Ca[CO3]（Mg比Ca小，所以Mg[CO3]-硬度大）同化学成分的矿物，则呈最紧密堆积结构的、或配位数大的，硬度越大，例如：方解石与文石（Ca[CO3]）（方解石中Ca为6次配位，文石中Ca为9次配位，所以文石硬度大）第51页/共72页矿物的硬度：矿物硬度的分级：摩斯硬度计用这十种矿物刻划所测矿物，就可测出矿物的硬度。但在野外我们一般分3级：硬度大：小刀刻不动，硬度>5.5硬度中等：小刀能刻动，但指甲刻不动，5.5>硬度>2.5硬度小：指甲能刻动，硬度<2.5第52页/共72页矿物的硬度：矿物硬度的异向性：同一晶体不同方向上，硬度可能不同，如：蓝晶石（也称二硬石）。精确地测量出各不同方向上的硬度，还可以绘出硬度曲线：注意：硬度是随方向变化，而不是随部位变化。第53页/共72页矿物的弹性与挠性：矿物的弹性：在外力作用下发生弯曲，外力撤销后，在弹性限度内能够自行恢复原状的性质。例如云母片。矿物的挠性：在外力作用下发生弯曲，外力撤销后不能够自行恢复原状的性质。例如石墨片。第54页/共72页矿物的弹性与挠性：矿物的弹性和挠性主要是针对一些层状或链状结构的矿物，如果在层间或链间是离子键，则在外力作用下，层间或链间可以发生一定晶格滑动，但离子键并没有被破坏，一旦外力消失，离子键还会使晶格恢复原状；但是，如果层间或链间是分子键，则在外力作用下分子键很容易被破坏，破坏了的分子键不能使滑动了晶格再恢复原状。第55页/共72页矿物的脆性与延展性：矿物的脆性：在外力作用下容易发生碎裂的性质。但要与矿物的硬度区分：有脆性的矿物并不是硬度小！矿物的延展性：在外力拉引作用下易成细丝的性质为延性，在外力碾压下易成薄片的性质为展性，统称延展性。第56页/共72页矿物的脆性与延展性：大多数非金属键矿物具有脆性，而金属键矿物都具有延展性。脆性矿物一般化学键性较强，不易发生晶格滑动，外力较强时发生晶格破裂，不能重新成键；而延展性一般都是金属键，化学键较弱且破坏后容易重新成键，所以在晶格滑动后又重新建立化学键，使变形后的晶格同样稳定。第57页/共72页矿物力学性质总结：矿物的力学性质基本上都与化学键强度有关，其中力学性质的异向性，如解理的异向性、硬度的异向性，都与化学键强度分布的异向性有关。要熟练掌握用单形符号表示解理异向性（对称性）的方法。通过实习掌握解理等级划分技巧。一些力学性质与化学键的关系：弹性－层间离子键；挠性－层间分子键；延展性－金属键。第58页/共72页三、矿物的其他物理性质：矿物的密度：单位体积的质量（g/cm3）；相对密度：与4°C时同体积水的质量之比（4°C时水的密度为1g/cm3

）。（即通常所说的比重）

相对密度（比重）无单位，其数值与密度相同。第59页/共72页三、矿物的其他物理性质：鉴定矿物时，通常将矿物相对密度（比重）分三级：轻的：相对密度小于2.5，如石墨、石盐、石膏；中等的：相对密度在2.5～4，如大多数非金属矿物：石英、萤石等；重的：相对密度大于4，如大多数金属矿物：黄铁矿、自然金；也有部分非金属矿物：重晶石等。很显然，矿物的相对密度与组成矿物的元素的原子量有关；也与矿物的结构紧密度有关。第60页/共72页矿物的磁性：矿物的磁性：在外磁场作用下被磁化的性质。在鉴定矿物时，一般以磁铁来测试矿物的磁性，分3级：强磁性：矿物块体能被磁铁吸引，如磁铁矿；弱磁性：矿物粉末能被磁铁吸引，如铬铁矿；无磁性：矿物粉末也不能被吸引，如黄铁矿。第61页/共72页矿物的磁性：矿物的磁性是由矿物内部结构中未成对电子的自旋磁矩产生的，这些未成对电子自旋磁矩（微观的）在外磁场下发生定向排列，产生了宏观磁性。所以，产生磁性的先决条件是有未成对电子，而过渡金属离子一般有未成对电子，所以，有未成对电子的过渡金属离子一般有磁性。第62页/共72页矿物的电学性质：导电性：是指矿物对电流的传导能力，它与矿物内部电子的能级结构有关。金属键的能级差很小，电子很容易在各能级间运动，所以导电；非金属键（特别是离子键）的能级一般较大，所以不导电。有的能级介于中间，在外部条件下（如升温）可以导电，称半导体。