結晶學及礦物學緒論演示文稿當前1頁，總共50頁。（優(yōu)選）結晶學及礦物學緒論當前2頁，總共50頁。學習該課程的意義：固體材料的核心問題就是結晶學問題。礦物和礦物原料是工業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎；許多新材料如結構材料、功能材料等合成的初始原料就是礦物。課程成績的確定：平時成績（作業(yè)、提問等）占25％；實驗占15％；期末考占60％。平時成績（作業(yè)、提問等）占30％；期末考占70％。當前3頁，總共50頁。結晶學Crystallography當前4頁，總共50頁。第一章緒論

本章涉及一些重要的基本概念，這些概念在整個結晶學中都經(jīng)常出現(xiàn),一定要牢固掌握。一、結晶學的發(fā)展概況二、晶體、非晶質(zhì)體與準晶體三、晶體的空間格子四、晶體的基本性質(zhì)當前5頁，總共50頁。一、結晶學（晶體學）發(fā)展概況

始于17世紀中葉人類的礦業(yè)活動，與天文學一起成為人類自然科學發(fā)展最早的兩門科學。(圖)(圖)【Crystallum（希臘文原意為“冷凝潔凈的冰）；我國古代稱為水精，后稱為水晶，亦有千年老冰之說；Crystal（英文的晶體、水晶），后來被用來泛指一切具有天然的（不是人工磨削而成的）規(guī)則幾何多面體形狀的固體?！?7～18世紀：以研究晶體形態(tài)為主，也初步推測研究晶體內(nèi)部結構的幾何規(guī)律；19世紀末～20世紀初：X－射線的發(fā)現(xiàn)及其對晶體結構的測量，進入晶體內(nèi)部結構研究階段；20世紀70年代以來：透射電鏡研究晶體內(nèi)部超微結構細節(jié)；20世紀80年代，發(fā)現(xiàn)準晶體，開辟了晶體對稱理論新領域。當前6頁，總共50頁。幾何結晶學－研究晶體宏觀形態(tài)幾何規(guī)律，主要是對稱規(guī)律。晶體結構學－研究晶體內(nèi)部結構幾何規(guī)律及缺陷。晶體化學－研究晶體化學成分與結構的關系。晶體生長學－研究晶體生長機理及其影響因素。晶體物理學－研究晶體物理性質(zhì)及其產(chǎn)生機理。本課程以晶體形態(tài)對稱規(guī)律及晶體內(nèi)部結構對稱規(guī)律為主，簡介晶體化學與晶體生長。分支學科當前7頁，總共50頁。二、晶體、非晶質(zhì)體與準晶體2.非晶質(zhì)體3.晶體與非晶質(zhì)體的轉化4.準晶體1.晶體的概念當前8頁，總共50頁。

早期認為只要是天然長成的規(guī)則的凸多面體的固體就是晶體(圖)

。但很多事實說明，單從有規(guī)則的幾何外形來區(qū)分是否晶體，是不恰當?shù)?。例如，具有立方體外形的石鹽顆粒和不具有規(guī)則外形的石鹽顆粒。規(guī)則多面體外形只是外部現(xiàn)象，并不是晶體的本質(zhì)。人類歷史上第一個測定的具體晶體結構就是石鹽NaCl的晶體結構（1914年)(圖)，沿立方體棱的方向，Cl-和Na+離子以相等的間隔交替排列，每隔5.64?重復一次，而在平行于立方體的面對角線方向上，Cl-和Na+離子各自均以4.0?的相等間隔連續(xù)排列。在其它任何方向上，情況也完全類似。1.晶體的概念當前9頁，總共50頁。返回石鹽（NaCl)的晶體結構(a)石鹽晶體的結構(b)晶胞(c)空間格子大球Cl-，小球Na+當前10頁，總共50頁。

這樣，在NaCl內(nèi)部結構中，所有的Cl-和Na+離子在三維空間均成周期性平移重復的規(guī)則排列而構成一種格子狀的構造。石鹽之所以能長成立方體的規(guī)則外形，就是由它內(nèi)部的立方體格子構造所決定的。其它晶體的情況完全類同(圖)，不論其化學組成如何，也不論其外形是否規(guī)則，它們的內(nèi)部質(zhì)點（原子、離子或分子）總是在三維空間有規(guī)則地成周期性平移重復而構成格子狀構造。

晶體的現(xiàn)代定義：質(zhì)點在三維空間成周期性平移重復排列的固態(tài)物質(zhì)稱為結晶質(zhì)（晶質(zhì)），結晶質(zhì)在空間的有限部分即為晶體，或者簡單說，晶體是具有格子構造的固體（不管其外形是否規(guī)則)。當前11頁，總共50頁。

但習慣上，仍將狹義的晶體這一名詞專門用于指具有規(guī)則幾何多面體外形的晶體，而將不具有規(guī)則幾何多面體外形的晶體稱為晶粒、晶塊或晶質(zhì)體（例如水晶和砂子）。此外，還常根據(jù)結晶顆粒的大小，將結晶質(zhì)分為顯晶質(zhì)（肉眼或一般放大鏡可以辨認單體）、隱晶質(zhì)（一般放大鏡無法辨認）。

當前12頁，總共50頁。定義：內(nèi)部質(zhì)點在三維空間不呈規(guī)律性平移重復排列的固體（一般不包括氣體、液體）。晶體具短程和長程有序，非晶質(zhì)體只具短程有序，不具長程有序，只是在統(tǒng)計意義上才具有均一性（圖1-2）。表現(xiàn)在外形上，非晶質(zhì)體在任何條件下都不可能自發(fā)地長成規(guī)則的幾何多面體---無定形體，更類似于液體。過去人們把非晶質(zhì)體看作是一種呈凝固態(tài)的過冷卻液體，現(xiàn)在一般把它看成近程有序、遠程無序的無定形體。（熔點與軟化點）2.非晶質(zhì)體當前13頁，總共50頁。

與非晶質(zhì)體對應的物質(zhì)概念是非晶質(zhì)。非晶質(zhì)的分布遠不如晶體那么廣泛，如玻璃、樹脂、瀝青等，還有受到放射性蛻變影響而形成的一些放射性礦物。當前14頁，總共50頁。

在一定條件下晶體與非晶質(zhì)體可以相互轉化。如火山玻璃，在漫長的地質(zhì)年代中，其內(nèi)部原子進行著很緩慢的擴散、調(diào)整過程，趨向于形成規(guī)則排列，最終成為真正的晶體。這種由非晶質(zhì)體調(diào)整內(nèi)部原子的排列方式而向晶體轉變的作用，稱為晶化或脫?；?圖)

。相反的，晶體內(nèi)部質(zhì)點的規(guī)則排列遭到破壞而向非晶質(zhì)體轉變的作用，則稱為非晶化或玻璃化。如，一些含放射性元素（如鈾、釷等）的礦物（如鋯石ZrSiO4)，可因受到放射性蛻變時所發(fā)出的α射線作用，晶格遭到破壞而轉變?yōu)榉蔷з|(zhì)體。3.晶體與非晶質(zhì)體的轉化當前15頁，總共50頁。

但上述兩種相反的轉變作用有著本質(zhì)的不同。因為晶體內(nèi)部質(zhì)點在三維空間的規(guī)則排列是彼此間的引力和排斥力達到平衡的結果。在此情況下，無論是使質(zhì)點間的距離增大或是減小，都將導致勢能增大（類似于共價鍵）。非晶質(zhì)體則由于其內(nèi)部質(zhì)點的排列是無規(guī)則的，質(zhì)點間的距離一般不等于平衡距離，因而其勢能必較晶體為大，這就意味著在相同的熱力學條件下，晶體的內(nèi)能較相同成分的非晶質(zhì)體為小。所以就相同成分的晶體和非晶質(zhì)體而言，晶體是穩(wěn)定的而非晶質(zhì)體是不穩(wěn)定的，非晶質(zhì)體有自發(fā)地向晶體轉變的必然趨勢，但晶體決不會自發(fā)地向非晶質(zhì)體轉變，晶體的非晶化，必定與能量的加入有關。返回當前16頁，總共50頁。4.準晶體

準晶體是1984年確定的一種新的凝聚態(tài)物質(zhì)，是由Shechtman和Cahn以及我國學者葉恒強和郭可信分別在快速冷卻的Al12Mn和(Ti0.9V0.1)2Ni合金中各自獨立發(fā)現(xiàn)的(圖1-3)(圖)。準晶體與非晶質(zhì)體的區(qū)別：準晶體內(nèi)部質(zhì)點在三維空間的排布是有規(guī)律的，即長程有序。準晶體與晶體的區(qū)別：準晶體的規(guī)律性并不表現(xiàn)為質(zhì)點的周期性平移重復，即不具有格子構造。當前17頁，總共50頁。

準晶體的粒徑極小，一般僅有微米級。目前尚未發(fā)現(xiàn)天然產(chǎn)出的準晶體，也還沒有發(fā)現(xiàn)準晶體有何實際用途，但其潛在的重要性以及可能的應用前景將是難以估量的。當前18頁，總共50頁。

晶體內(nèi)部質(zhì)點在空間的排布都是三維平移有序的，所以晶體結構都表現(xiàn)為三維的格子構造，通常稱為晶格。由于晶體內(nèi)部質(zhì)點的重復周期要遠遠小于晶體顆粒的通常大小，所以從微觀的角度來看，晶格可看成是向三維空間無限伸展的。三、晶體的空間格子1.空間格子的導出2.空間格子的基本要素當前19頁，總共50頁。1.空間格子的導出

以氯化銫(CsCl)(圖1-6)為例，在結構中任取一個點，這個點可以是Cl-或Cs+的中心，也可以是結構中的任意一點，然后按照平移重復的規(guī)律（重復方向、距離、周期），把所有的這樣的點都找出來，就構成了空間點陣。定義：一系列在三維空間成周期性平移重復分布的幾何點就構成了空間點陣。點陣中的點都是相當點或等同點（定義見書p5）稱為結點或陣點。(圖)

如果用三組不共面的直線把結點連接起來，就形成了平行六面體格子狀的空間格子(圖1-8)。當前20頁，總共50頁。歸納：首先在晶體結構中找出相當點，再將相當點按照一定的規(guī)律連接起來就形成了空間格子。相當點（兩個條件：1、性質(zhì)相同，2、周圍環(huán)境相同。）當前21頁，總共50頁。

對應于每一種晶體結構，必定可作出一個相應的空間格子，而點陣中各個結點在空間分布的重復規(guī)律，正好體現(xiàn)了相應結構中質(zhì)點排列的重復規(guī)律。至于對應于不同晶體結構的各個具體的空間點陣，它們之間的差異僅僅在于結點發(fā)生重復的方向和間距大?。ㄆ叫辛骟w的棱長和棱間夾角）彼此有所不同罷了。例如，用O2-替換Cl-，Mg2+替換Na+，NaCl的結構就變成了MgO的結構；把NaCl的結構沿立方體的一條體對角線的方向壓扁到棱交角為101°55′，并以Ca2+替換Na+，CO32-替換Cl-，就變成了方解石CaCO3的結構。(圖)當前22頁，總共50頁?？臻g格子與具體的晶體結構是什么關系？可以認為具體的晶體結構是多套空間格子組成的，見圖。具體的晶體結構是多種原子、離子組成的，使得其重復規(guī)律不容易看出來，而空間格子就是使其重復規(guī)律突出表現(xiàn)出來。空間格子僅僅是一個體現(xiàn)晶體結構中的周期重復規(guī)律的幾何圖形，比具體晶體結構要簡單的多。當前23頁，總共50頁。晶體（遠古年代的定義：自發(fā)形成規(guī)則形態(tài)的物體；現(xiàn)代的定義：內(nèi)部結構具有周期重復性，即具有

格子構造的物體。）

格子構造（晶體結構的周期重復規(guī)律，這種規(guī)律是可以用格子狀的圖形－空間格子表示的。）

空間格子（表示晶體結構周期重復規(guī)律的簡單幾何圖形，要畫出空間格子，就一定要找出相當點。）

相當點（兩個條件：1、性質(zhì)相同，2、周圍環(huán)境相同。）當前24頁，總共50頁。2.空間格子的基本要素★結點:空間格子中的點，代表具體晶體結構中的相當點。

★行列:結點在直線上的排列。（引出:結點間距）★面網(wǎng):結點在平面上的分布。（引出:面網(wǎng)間距、面網(wǎng)密度，它們之間的關系,見下圖）

由一系列平行四邊形組成的平面

格子。面網(wǎng)間距:任二相鄰面網(wǎng)間的垂直距離。當前25頁，總共50頁。面網(wǎng)AA’間距d1面網(wǎng)BB’間距d2面網(wǎng)CC’間距d3面網(wǎng)DD’間距d4面網(wǎng)間距依次減小,面網(wǎng)密度也是依次減小的.所以:面網(wǎng)密度與面網(wǎng)間距成正比.di=b0sinβiβ1β2β3β4當前26頁，總共50頁。★平行六面體（晶胞）:由三個不共面的行列可決定一個空間格子，且被這三組相交行列劃分成一系列平行疊置的平行六面體。平行六面體是結點在三維空間形成的最小重復單位也稱晶胞(引出:晶胞參數(shù)：a,b,c;α,β,γ,也稱為軸長與軸角）。abc當前27頁，總共50頁。

應當強調(diào)指出，空間格子只是一個幾何圖形，并不等于晶體內(nèi)部包含了具體原子或離子的格子構造，但具體原子或離子在空間排布的規(guī)律性，則可由空間格子中結點在空間分布的規(guī)律性予以表征。當前28頁，總共50頁。平行六面體可具有各種不同的形狀，各種形狀的平行六面體的晶胞參數(shù)怎么樣？我們以后將會看到，平行六面體的形狀一共有7種，對應有7套晶胞參數(shù)的形式，也對應7個晶系。當前29頁，總共50頁。

晶體的基本性質(zhì)是指：為一切晶體所共有，并能以此與其它狀態(tài)的物質(zhì)相區(qū)別的性質(zhì)。都是由晶體的格子構造所決定的，可以用晶體所共同遵循的空間格子規(guī)律予以闡明。四、晶體的基本性質(zhì)1.自限性(自范性)2.(結晶)均一性3.各向異性4.對稱性5.最小內(nèi)能性6.穩(wěn)定性當前30頁，總共50頁?！镒韵扌?晶體能夠自發(fā)地生長成封閉的規(guī)則的凸幾何多面體形態(tài)的特性。多面體上的平面稱為晶面，晶面的交棱稱為晶棱，不同晶棱的交點稱為角頂。面平棱直角尖(圖)。實際晶體往往并不表現(xiàn)出此種外形，這是由于生長時受到空間限制，長成后環(huán)境影響所造成的。但不說明這些晶體沒有自發(fā)地成長為幾何多面體的能力，若條件許可，讓其繼續(xù)生長，還是可以自發(fā)地形成規(guī)則的幾何多面體。所以，從本質(zhì)上將，晶體的自限性并不存在任何例外。1.自限性（自范性）當前31頁，總共50頁?！锞恍?同一晶體的不同部分物理化學性質(zhì)完全相同。假設把一個晶體分成許多小晶塊，那么，每一個小晶塊都具有相同的密度，當光線沿著相同的結晶方向射入小晶塊時，折射角是相等的。(例)

晶體是絕對均一性，非晶質(zhì)體是統(tǒng)計的、平均近似均一性。非晶質(zhì)體沒有方向性，它的各種性質(zhì)在不同部位和一切方向上都是相同的，而晶體的均一性，不同部位相同方向上性質(zhì)是相同的，不同部位不同方向上性質(zhì)一般是不同的。

2.（結晶）均一性當前32頁，總共50頁?！锂愊蛐裕和痪w不同方向具有不同的物理性質(zhì)。例如：

藍晶石的不同方向上硬度不同；解理(圖)；刻劃硬度；多面體形態(tài)。非晶質(zhì)體一般是各向同性的思考：均一性與異向性有矛盾嗎？異向性與自限性有什么聯(lián)系?3.各向異性當前33頁，總共50頁?！飳ΨQ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）能夠在不同的方向或位置上有規(guī)律地重復出現(xiàn)的特性。例如下面的晶體形態(tài)是對稱的。4.對稱性當前34頁，總共50頁?！飶目臻g格子規(guī)律可知，在任一晶體結構中的任一行列方向上，總是存在著一系列為數(shù)無限且成周期性重復出現(xiàn)的相當點，顯然，這就是一種對稱性。所以，本質(zhì)上一切晶體無例外地都是對稱的。晶體外部形態(tài)的對稱，是晶體的宏觀對稱，晶體內(nèi)部結構的對稱，是晶體的微觀對稱。當前35頁，總共50頁?！镒钚?nèi)能性：在相同的熱力學條件下，晶體與同種物質(zhì)的非晶質(zhì)體相比，內(nèi)能最小。鏈接★穩(wěn)定性：晶體比非晶質(zhì)體穩(wěn)定，后者有自發(fā)地轉變?yōu)榫w的必然趨勢，而晶體決不會自發(fā)地轉變?yōu)榉蔷з|(zhì)體，這是晶體具有最小內(nèi)能性的必然結果。

﹡要學會用格子構造規(guī)律解釋這些基本性質(zhì)?。ㄕ埻瑢W們自己解釋。課堂討論）最小內(nèi)能性和穩(wěn)定性當前36頁，總共50頁。下面的問題請同學們思考并討論：1)非晶體（玻璃）的定義及特點？

（遠程規(guī)律與近程規(guī)律）2)液體、氣體的結構具有什么規(guī)律？3)晶體與非晶體的轉化？問題討論當前37頁，總共50頁。4)準晶體的發(fā)現(xiàn)及定義：1984年發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，具有遠程規(guī)律但沒有重復周期。這是什么意思呢？5)準晶體與晶體、非晶體的關系？問題討論當前38頁，總共50頁。

請大家將教材上圖1－2（a）的平面晶體結構的空間格子畫出來。

(答案)問題討論當前39頁，總共50頁。當前40頁，總共50頁。本章包括3組重要的基本概念:1)晶體、格子構造、空間格子、相當點；它們之間的關系。

2)結點、行列、面網(wǎng)、平行六面體;結點間距、面網(wǎng)間距與面網(wǎng)密度的關系.3)晶體的基本性質(zhì)：自限性、均一性、異向性、對稱性、最小內(nèi)能、穩(wěn)定性，并解釋為什么。本章重點總結當前41頁，總共50頁。1.下圖中A和B分別為石墨晶體結構中平行和垂直于結構層的兩種C原子面。試分別以兩圖中各自所注的點Ⅰ位置為基準點，畫出它們的相當點分布和面網(wǎng)；同樣再分別以各自的點Ⅱ和Ⅲ（點Ⅲ系指字左側的小黑點）為基準點畫出它們的相當點分布和面網(wǎng)。問①點Ⅰ和Ⅱ是否互為相當點？為什么？②比較由同一原子面所得出的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三種相當點各自的相對分布及其面網(wǎng)形式有無差異？③若在圖A中