講義分析結(jié)晶學(xué)工院

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denglei520@163.com結(jié)晶學(xué)Crystallography課程簡介：結(jié)晶學(xué)：以晶體為研究對象，主要研究晶體的對稱規(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)形成明顯的對比：礦物學(xué)：以礦物晶體為研究對象，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、個性第一章緒論一、結(jié)晶學(xué)的發(fā)展歷史二、結(jié)晶學(xué)的分支學(xué)科礦物學(xué)家最早是為了研究礦物學(xué)而去研究結(jié)晶學(xué)，但是隨著生產(chǎn)實(shí)踐的發(fā)展，人們從研究自然礦物晶體到研究實(shí)驗(yàn)室中晶體，作為有特殊用途的人造晶體大量從實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生，結(jié)晶學(xué)逐漸從礦物學(xué)中分離形成了一門獨(dú)立的學(xué)科，但是結(jié)晶學(xué)在礦物學(xué)中的地位并沒有削弱，依然占有很重要的部分。其發(fā)展史大致可以分為以下幾個階段；一、結(jié)晶學(xué)的發(fā)展歷史17～18世紀(jì)：以研究晶體形態(tài)為主，也初步推測研究晶體內(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)及其對晶體結(jié)構(gòu)的測量，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：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，開辟了晶體對稱理論新領(lǐng)域。二、結(jié)晶學(xué)的分支學(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。晶體生長學(xué)－研究晶體生長機(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。

而我們這門課程主要研究的是第一項幾何結(jié)晶學(xué)。第二章晶體的基本性質(zhì)一、晶體的基本概念二、晶體的空間格子三、晶面發(fā)展的一般規(guī)律四、

影響晶體生長的外部因素五、晶體的基本性質(zhì)自然界到目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3000多種礦物，絕大多數(shù)是晶體。在古代人們稱水晶為晶體，因?yàn)樗в幸?guī)則的幾何多面體外形，比較平整的面、直的棱和尖的棱角。后來在采光過程中人們發(fā)現(xiàn)很多礦物都有這種幾何多面體外形，如金剛石、方解石、磁鐵礦等等。因此對晶體的定義進(jìn)一步發(fā)展；人們認(rèn)為凡具有幾何多面體外形的自然物質(zhì)為晶體。隨生產(chǎn)科學(xué)的不斷進(jìn)步人們發(fā)現(xiàn)把晶體概念定義為規(guī)則的幾何多面體形態(tài)是不科學(xué)的，有的晶體形成規(guī)則形態(tài)，而有的形成不規(guī)則的粒狀。一、晶體的基本概念如石英形成于裂縫之中則可長成規(guī)則的多面體形態(tài)，如形成于巖石中，則為不規(guī)則粒狀，像花崗巖中的石英受到生長空間的限制而形成不規(guī)則粒狀。而在現(xiàn)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中把不規(guī)則的粒狀石英顆粒放入SiO2溶液中，在一定的溫度和壓力下則可形成規(guī)則的石英多面體。什么是晶體？直到1912年德國結(jié)晶學(xué)家勞埃用晶體做光柵使X衍射成功，說明晶體內(nèi)部有格子構(gòu)造（晶體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)做周期性重復(fù)）。對近代十多萬晶體的構(gòu)造研究表明；雖然不同的晶體內(nèi)部構(gòu)造不同，但所有晶體內(nèi)部構(gòu)造都按格子構(gòu)造排列。格子構(gòu)造是晶體的本質(zhì)特征。水晶玻璃石英（Quartz）

鉻鉛礦（Crocoite）電氣石(Tourmaline)石膏(Gypsum)祖母綠(EmeraldBrooch)金剛石(Diamond)鉬鉛礦(Wulfenite)常林鉆石重158.786克拉石榴子石(Garnet)火蛋白石(FireOpals)非晶體1、晶體的概念：凡具有格子構(gòu)造的固體叫晶體。2、非晶體：不具有格子構(gòu)造的物體，如氣體、液體、狀似固體及狀似固體的過冷液體（如松香，玻璃等）。3、晶體的分布、大?。壕w分布廣泛如食鹽、藥品、同學(xué)們佩戴的寶石、土等等。晶體的大小也很懸殊。前蘇聯(lián)有個烏拉爾采石場，整個采石場都是座落在一塊巨大的冰洲石晶體之上。新疆某地的偉晶巖中，一個云母片可達(dá)一個平方公里。而小的小到肉眼難以分辨，如粘土礦需放到放大幾千倍的電子顯微鏡下面才可以看到其晶體。二、晶體的空間格子1、空間格子和相當(dāng)點(diǎn)的概念：晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)周期性重復(fù)排列規(guī)律的幾何圖形稱為空間格子。相當(dāng)點(diǎn)為晶體構(gòu)造中的一系列幾何點(diǎn)，這些點(diǎn)周圍的環(huán)境是完全相同的，即各相當(dāng)點(diǎn)在相同的方向上隔相同的距離，有相同的質(zhì)點(diǎn)分布。圖為食鹽的晶體結(jié)構(gòu)，我們可以看到每個Cl離子周圍有六個Na離子，而每個Na離子周圍同樣的有六個Cl離子，抽象出所有的Cl離子，性質(zhì)環(huán)境方位相同，構(gòu)成一組空間格子，而抽象處Na離子同樣形成一組空間格子?？臻g格子與具體的晶體結(jié)構(gòu)是什么關(guān)系？可以認(rèn)為具體的晶體結(jié)構(gòu)是多套空間格子組成的，見圖。

具體的晶體結(jié)構(gòu)是多種原子、離子組成的，使得其重復(fù)規(guī)律不容易看出來，而空間格子就是使其重復(fù)規(guī)律突出表現(xiàn)出來?？臻g格子僅僅是一個體現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)中的周期重復(fù)規(guī)律的幾何圖形，比具體晶體結(jié)構(gòu)要簡單的多。2、組成要素結(jié)點(diǎn):空間格子中的點(diǎn),代表具體晶體結(jié)構(gòu)中的相當(dāng)點(diǎn)。行列:結(jié)點(diǎn)在直線上的排列。（結(jié)點(diǎn)間距：行列間相鄰結(jié)點(diǎn)之間的距離稱為該行列的節(jié)點(diǎn)間距）面網(wǎng):結(jié)點(diǎn)在平面上的分布。（面網(wǎng)間距：相鄰面網(wǎng)之間的垂直距離稱為面網(wǎng)間距。面網(wǎng)密度：面網(wǎng)單位面積內(nèi)的結(jié)點(diǎn)數(shù)目稱為面網(wǎng)密度。）同一點(diǎn)陣中，面網(wǎng)密度大的面網(wǎng)，其面網(wǎng)間距亦大；反之，密度小間距亦小。d1d2d3面網(wǎng)密度大的面網(wǎng)，其面網(wǎng)間距也大，這種說明對不對？平行六面體（晶胞）:結(jié)點(diǎn)在三維空間形成的最小重復(fù)單位,空間格子可以看成是平行六面體在三度空間平行、無間隙地重復(fù)堆砌而成的。而整個晶體結(jié)構(gòu)可以視為晶胞在三度空間平行、無間隙的重復(fù)堆砌。平行六面體的大小和形狀可由結(jié)點(diǎn)間距a、b、c及其相互之間的交角a、b、g表示，它們被稱為晶胞參數(shù)。abc三、晶面發(fā)展的一般規(guī)律

晶體并不是一下子就能長成巨大的晶體的，而是要先形成晶芽，晶芽形成之后在逐漸按照各自規(guī)律向上生長形成大的晶體。晶芽形成一般有兩種形式：一種是自發(fā)形成，在溶液中質(zhì)點(diǎn)相互撞擊形成小的晶芽。一種是誘導(dǎo)產(chǎn)生晶芽，溶液中如有沙粒，氣泡，草根等，質(zhì)點(diǎn)都可以圍繞其誘因產(chǎn)生晶芽。結(jié)晶形成晶芽不是任意的而是要遵循以下規(guī)律的。1、科賽爾理論：在理想條件下晶體長完了一個行列在長相鄰的一個行列，長滿了一個面網(wǎng)再長相連的一個面網(wǎng)，晶面是平行向外推移而生長的。

介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)粘結(jié)到晶核表面可以有三種不同的位置可以選擇A三面凹角，B兩面凹角，C一般位置在各個位置上受的引力是不一樣的，受引力越大，生長的可能性就越大。在各個位置上質(zhì)點(diǎn)受引力是不一樣的。1．晶體常生長成面平、棱直的多面體形態(tài)。2．在晶體生長過程中，環(huán)境會有變化，不同時刻生成的晶體在物理性質(zhì)和成分等方面可能有細(xì)微的變化，因而在晶體的端面上常常可以看到帶狀構(gòu)造，晶面是平行向外推移生長的。3．由于晶面是平行向外推移生長的，所以同種礦物不同晶體上對應(yīng)晶面間的夾角不變。4．晶體由小長大，許多晶面向外平行移動的軌跡形成以晶體中心為頂點(diǎn)的錐狀體，稱為生長錐。層生長的特點(diǎn)：長石的環(huán)帶結(jié)構(gòu)證明了晶體的生長是平行向外推移的，證明了科賽爾理論。當(dāng)然科賽爾理論還有很多不足之處，他的理論是建立在理想條件下的。2、布拉維法則：在晶體生長過程中，面網(wǎng)密度小的晶面將逐漸縮小直至消失，面網(wǎng)密度大的晶面則相對增大而成為實(shí)際的晶面，因此實(shí)際晶體往往被面網(wǎng)密度大的晶面所包圍。

晶體中的面網(wǎng)數(shù)目是無限的，實(shí)際晶體常見晶面數(shù)是有限的，為什么不是所有的面網(wǎng)都能發(fā)育成晶面呢？用布拉維法則解釋一下，AB，ＢＣ，ＣＤ質(zhì)點(diǎn)密度不一樣，ＤＡＢ＞ＤＣＤ＞ＤＢＣ，單位時間內(nèi)晶面往外推移的速度稱為生長速度，生長速度大小和面網(wǎng)密度成反比。面網(wǎng)密度大的面生長速度慢，面網(wǎng)密度小的面生長速度快。因此圖中ＢＣ面網(wǎng)生長速度快，在晶體生長過程中逐漸消失，而面網(wǎng)密度大的ＡＢ，ＣＤ面最后保留成為實(shí)際晶面。

布拉維法則的缺陷：布拉維法則也比較粗略，晶體生長除受晶面生長速度影響外，質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)，質(zhì)點(diǎn)間的鍵型、結(jié)構(gòu)缺陷以及生長時的溫度壓力溶液濃度等內(nèi)部外部環(huán)境都會影響晶體的生長。３面角守恒定律：同種物質(zhì)的對應(yīng)面間夾角恒等。這一定律是１６６９年丹麥學(xué)者斯丹諾發(fā)現(xiàn)的。

在理想條件下同種物質(zhì)的晶體常具有一定的形狀，但是在自然環(huán)境中，由于外部環(huán)境的影響，同一晶面又可發(fā)育為不同形狀和大小，從而形成歪晶。以上兩個晶體均為石英，內(nèi)部構(gòu)造相同對應(yīng)晶面ｍ于ｒ、ｍ與ｚ、ｚ與ｒ間的夾角相同，盡管兩個晶體中ｍ，ｒ，ｚ晶面形狀不一致?？捎酶褡訕?gòu)造解釋：成分和構(gòu)造相同的晶體，其對應(yīng)晶面的面網(wǎng)相同，其夾角必然相等。晶體生長時晶面又是平行向外推移的，因此，不論晶體生長的形態(tài)如何，其晶面間的夾角是不會改變的。1.渦流晶體在生長時，周圍溶液中的溶質(zhì)粘附于晶體上，溶質(zhì)濃度降低，晶體生長時放出的熱量，使溶液比重減小。由于重力的作用，輕的上浮，周圍重的補(bǔ)充進(jìn)來，從而形成渦流。晶體生長時渦流向上，而溶解時則相反。渦流使溶液物質(zhì)供給不均勻，有方向性，因而使處于不同位置的晶體形態(tài)特征不同。四、

影響晶體生長的外部因素2.溫度溫度的變化直接導(dǎo)致過飽和度或過冷卻度的變化，從而改變了晶面的比表面自由能及不同晶面間的相對生長速度，所以會形成不同的晶體形態(tài)。3.雜質(zhì)溶液中雜質(zhì)的存在，可以改變晶體不同面網(wǎng)的表面能，所以其相對生長速度也會隨只變化而影響晶體的形態(tài)。4.粘度粘度的加大，會防礙渦流的產(chǎn)生，溶質(zhì)的供給只能一擴(kuò)散的方式來進(jìn)行，造成物質(zhì)供給不足。產(chǎn)生骸晶。5.結(jié)晶速度結(jié)晶速度大，則結(jié)晶中心增多，晶體長的細(xì)小，且往往長成針狀、樹枝狀。反之，結(jié)晶速度小，晶體長得粗大。五、晶體的基本性質(zhì)1、自限性：晶體能夠自發(fā)地生長成規(guī)則的幾何多面體形態(tài)。任何晶體在生長過程中，只要有適宜的空間條件，它們都能自發(fā)地長成規(guī)則幾何多面體。晶體為平的晶面所包圍，晶面相交成直的晶棱，晶棱相交會聚成尖的角頂。晶面、晶棱和角頂分別與格子構(gòu)造中的面網(wǎng)、行列和結(jié)點(diǎn)相對應(yīng)。晶體多面體形態(tài)受格子構(gòu)造制約，它服從于一定的結(jié)晶學(xué)規(guī)律。2、均一性：同一晶體的不同部分物理化學(xué)性質(zhì)完全相同。（晶體是質(zhì)點(diǎn)在三度空間重復(fù)排列，所以不同部分物理化學(xué)性質(zhì)完全相同）3、異向性：同一晶體不同方向具有不同的物理性質(zhì)。例如：（藍(lán)晶石的不同方向上硬度不同，平行晶體伸長方向上莫氏硬度為4.5，垂直方向上為6。思考：均一性與異向性有矛盾嗎？

那是因?yàn)槠叫行辛薪Y(jié)點(diǎn)間距相同，而不平行的間距則不同,因此不同方向上結(jié)點(diǎn)密度是不同的，這就造成了藍(lán)晶石的異向性。4、對稱性：同一晶體中，晶體形態(tài)相同的幾個部分（或物理性質(zhì)相同的幾個部分）有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)。（晶體具有格子構(gòu)造，是質(zhì)點(diǎn)重復(fù)排列而形成的）5、最小內(nèi)能性和穩(wěn)定性：晶體與同種物質(zhì)的非晶體相比，內(nèi)能最小，最穩(wěn)定。穩(wěn)定性可從晶體具有固定的熔點(diǎn)得到證明。反映要破壞晶體的穩(wěn)定，必須要加入外來的能量。非晶質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)不作規(guī)律排列，各部分質(zhì)點(diǎn)分布的疏密程度不同，熔結(jié)各