關于晶體礦物學結晶學基礎第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一節(jié)晶體的概念

一、多樣的晶體世界

1.晶體是自然界廣泛存在的一類物體。2.晶體常呈一定形狀的幾何多面體產出。水晶綠柱石辰砂鐵鋁石榴子石白鐵礦石鹽第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一節(jié)晶體的概念

二、晶體的概念1.概念：晶體是具有格子構造的固體。2.格子構造：晶體內部的質點（分子、原子、離子、絡陰離子等）在三維空間作周期性重復排列構成格子構造。Cl-Na+晶面晶棱石鹽的晶體結構第3頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體的概念

3.晶體與非晶體

4.準晶體：介于晶體與非晶體之間的凝聚態(tài)物體。

1984年，ShechtmanandCahn及我國學者葉恒強和國可信在快速冷卻的Al12Mn和(Ti0.9V0.1)Ni合金中各自獨立發(fā)現(xiàn)的。

第一節(jié)晶體的概念第4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)晶體的空間格子一、空間格子（空間點陣）

1.空間格子：表示晶體內部質點重復規(guī)律的幾何圖形。

2.相當點：在晶體結構中，性質、環(huán)境和方位相同的點。

NａCl晶體中的結構微粒：（Cｌ－）（Na+）第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月二、空間格子要素

1.結點

2.行列

3.面網

4.平行六面體

第二節(jié)晶體的空間格子A0A1B1C1a0b0c0(a)(b)(c)平行六面體是空間格子的最小組成單位。晶體結構中，把最小組成單位稱為晶胞。晶胞在三維空間無間隙的重復排列形成晶體。第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月三、十四種空間格子

1.平行六面體的幾何特征：大小；形態(tài)；結點的分布等。

1）平行六面體的形態(tài)和大小由格子常數(shù)決定的。三個棱長：a0、b0、c0

格子常數(shù)夾角：α、β、γ2）格子常數(shù)組合關系有七種，相應有七種不同的空間格子。2.七種空間格子

第二節(jié)晶體的空間格子a0a0c0立方格子a0=b0=c0Α=β=γ=90°四方格子a0=b0≠c0Α=β=γ=90°第7頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)晶體的空間格子三、十四種空間格子

2.七種空間格子

a0c0120°六方格子a0=b0≠c0α=β=90°γ=120°三方格子a0=b0=c0α=β=γ≠90°αa0斜方格子a0≠b0≠c0α=β=γ=90°單斜格子a0≠b0≠c0α=γ=90°β≠90°三斜格子a0≠b0≠c0α≠β≠γ≠90°a0b0c0a0b0c0βa0b0c0αβγ第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)晶體的空間格子三、十四種空間格子

3.結點在平行六面體中分布情況不同，將空間格子分為以下四種：

原始格子（P）底心格子（C）體心格子（I）面心格子（F）4.布拉維格子：14種第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月原始格子底心格子體心格子面心格子三斜晶系單斜晶系斜方晶系四方晶系三方晶系六方晶系等軸晶系第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月晶系原始格子（P）底心格子（C）體心格子（I）面心格子（F）三斜

C=II=FF=P單斜

I=F

F=C斜方四方C=P

F=I

三方與本晶系對稱不符I=FF=P六方與本晶系對稱不符與空間格子的條件不符與空間格子的條件不符等軸與本晶系對稱不符第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月理論：由7種平行六面體和4種結點分布規(guī)律應有7×4=28種格子類型實際：只有14種格子類型原理：將重復者和不存在者去掉實例：四方底心格子等于四方原始格子；三斜面心格子等于三斜原始格子。第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月一、自限性二、均一性和異向性

1.均一性：同一晶體的各個部分性質相同。

2.異向性：同一晶體（格子構造），不同方向上質點的排列特征不同，晶體的性質隨著方向不同有所差異。如：云母、方解石等在解理性之上存在的差異；藍晶石的硬度（如圖）。三、對稱性四、一定的熔點五、最小熱力學能和穩(wěn)定性

相同熱力學條件下，晶體與同種物質的氣體、液體和非晶質相比，其熱力學能最小。

第三節(jié)晶體的基本性質AA１B１BAA1方向硬度為4~5，小刀能刻動；BB1方向硬度為6.5~7，小刀不能刻動；第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月一、晶體的形成方式1.由氣相轉變?yōu)榫w凝華作用；條件：過冷或過飽和蒸汽壓事例：在火山口附近常由火山噴氣直接生成硫、碘或氯化鈉的晶體。雪花就是由于水蒸氣冷卻直接結晶而成的晶體。2.由液相轉變?yōu)榫w1).從熔體中結晶，即熔體過冷卻時發(fā)生結晶現(xiàn)象，出現(xiàn)晶體；2).從溶液中結晶，即溶液達到過飽和時，析出晶體；3).水分蒸發(fā)，如天然鹽湖鹵水蒸發(fā)，鹽類礦物結晶出來；4).通過化學反應生成難溶物質。

第四節(jié)晶體的形成第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月石鹽第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第四節(jié)晶體的形成一、晶體的形成方式3.由固相變?yōu)榫w：

1).同質多象轉變是某種晶體在熱力學條件改變的時候，轉變?yōu)榱硪环N在新條件下穩(wěn)定的晶體；

2).原礦物晶粒逐漸變大，如由細粒方解石組成的石灰?guī)r與巖漿接觸時，受熱再結晶成為由粗粒方解石組成的大理巖；

3).固溶體分解，在一定溫度下固溶體可以分離成為幾種獨立礦物；

4).變晶，礦物在定向壓力方向上溶解，而在垂直于壓力方向上結晶，因而形成一向延長或二向延展的變質礦物，如角閃石、云母晶體等；

5).由固態(tài)非晶質結晶，火山噴發(fā)出的熔巖流迅速冷卻，固結成為非晶質的火山玻璃，這種火山玻璃經過千百年以上的長時間以后，可逐漸轉變?yōu)榻Y晶質。

細粒方解石大理巖第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第四節(jié)晶體的形成二、晶體的生長理論1.科塞爾理論（層生長理論）

科塞爾(Kossel，1927)首先提出，后經斯特蘭斯基(Stranski)加以發(fā)展的晶體的層生長理論亦稱為科塞爾—斯特蘭斯基理論。

它是論述在晶核的光滑表面上生長一層原子面時，質點在界面上進入晶格“座位”的最佳位置是具有三面凹入角的位置。質點在此位置上與晶核結合成鍵放出的能量最大。因為每一個來自環(huán)境相的新質點在環(huán)境相與新相界面的晶格上就位時，最可能結合的位置是能量上最有利的位置，即結合成鍵時應該是成鍵數(shù)目最多，釋放出能量最大的位置。質點在生長中的晶體表面上所可能有的各種生長位置（如圖）：

k為曲折面，具有三面凹人角，是最有利的生長位置；其次是S階梯面，具有二面凹入角的位置；最不利的生長位置是A。由此可以得出如下的結論即晶體在理想情況下生長時，先長一條行列，然后長相鄰的行列。在長滿一層面網后，再開始長第二層面網。晶面(最外的面網)是平行向外推移而生長的。第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第四節(jié)晶體的形成科塞爾理論可以解釋如下的一些生長現(xiàn)象：

1)晶體常生長成為面平、棱直的多面體形態(tài)。

2)在晶體生長的過程中，環(huán)境可能有所變化，不同時刻生成的晶體在物性(如顏色)和成分等方面可能有細微的變化，因而在晶體的斷面上常?？梢钥吹綆顦嬙臁Ｋ砻骶媸瞧叫邢蛲馔埔粕L的。

3)由于晶面是向外平行推移生長的，所以同種礦物不同晶體上對應晶面間的夾角不變。

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的錐狀體稱為生長錐或砂鐘狀構造。在薄片中常常能看到。第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月顯晶質赤鐵礦第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體生長的實際情況要比簡單層生長理論復雜得多。往往一次沉淀在一個晶面上的物質層的厚度可達幾萬或幾十萬個分子層。同時亦不一定是一層一層地順序堆積，而是一層尚未長完，又有一個新層開始生長。這樣繼續(xù)生長下去的結果，使晶體表面不平坦，成為階梯狀稱為晶面階梯?？迫麪柪碚撾m然有其正確的方面，但實際晶體生長過程并非完全按照二維層生長的機制進行的。因為當晶體的一層面網生長完成之后，再在其上開始生長第二層面網時有很大的困難，其原因是已長好的面網對溶液中質點的引力較小，不易克服質點的熱振動使質點就位。因此，在過飽和度或過冷卻度較低的情況下，晶的生長就需要用其它的生長機制加以解釋。

第四節(jié)晶體的形成第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第四節(jié)晶體的形成二、晶體的生長理論2.螺旋生長理論

弗朗克等人(1949，1951)研究了氣相中晶體生長的情況，估計二維層生長所需的過飽和度不小于25—50％。然而在實驗中卻難以達到與過飽和度相應的生長速度，并且在過飽和度小于1％的氣相中晶體亦能生長。這種現(xiàn)象并不是層生長理論所能解釋的。他們根據(jù)實際晶體結構的各種缺陷中最常見的位錯現(xiàn)象，提出了晶體的螺旋生長理論，即征晶體生長界面上螺旋位錯露頭點所出現(xiàn)的凹角及其延伸所形成的二面四角可作為晶體生長的臺階源，促進光滑界面上的生長。這樣便成功地解釋了晶體在很低的過飽和度下能夠生長的實際現(xiàn)象。晶體的位錯第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第四節(jié)晶體的形成二、晶體的生長理論2.螺旋生長理論印度結晶學家弗爾麻(Verma，1951)對SiC晶體表面上的生長螺旋紋及其他大量螺旋紋的觀察，證實了這個理論在晶體生長過程中的重要作用。位錯的出現(xiàn)，在晶體的界面上提供了一個永不消失的臺階源。晶體將圍繞螺旋位錯露頭點旋轉生長。螺旋式的臺階并不隨著原子面網一層層生長而消失，從而使螺旋式生長持續(xù)下去。螺旋狀生長與層狀生長不同的是臺階并不直線式地等速前進掃過晶面，而是圍繞著螺旋位錯的軸線螺旋狀前進。隨著晶體的不斷長大．最終表現(xiàn)在晶面上形成能提供生長條件信息的各種樣式的螺旋紋。

SiC晶體表面上的生長螺旋紋S螺旋生長模式第22頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第四節(jié)晶體的形成三、布拉維法則

1855年，法國結晶學家布拉維(A．Bravis)從晶體具有空間格子構造的幾何概念出發(fā)，論述了實際晶面與空間格子構造中面網之間的關系，即實際晶體的晶面常常平行網面結點密度最大的面網，這就是布拉維法則。布拉維的這一結論系根據(jù)晶體上不同晶面的相對生長速度與網面上結點的密度成反比的推論引導而出的。所謂晶面生長速度是指單位時間內晶面在其垂直方向上增長的厚度。晶面AB的網面上結點的密度最大，網面間距也最大，網面對外來質點的引力小，生長速度慢，晶面橫向擴展，最終保留在晶體上；CD晶面次之；BC晶面的網面上結點密度最小，網面間距也就小，網面對外來質點引力大，生長速度最快，橫向逐漸縮小以致晶面最終消失；因此，實際晶體上的晶面常是網面上結點密度較大的面。第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月布拉維法優(yōu)缺點：優(yōu)點：1.闡明了晶面發(fā)育的基本規(guī)律。

2.解釋了同種物質的晶體上，大晶體上的晶面數(shù)目少而簡單，小晶體上的晶面數(shù)目多而復雜。不足：1.由于當時晶體中質點的具體排列尚屬未知，布拉維所依據(jù)的僅是由抽象的結點所組成的空間格子，而非真實的晶體結構。

2.只考慮了晶體的本身，而忽略了生長晶體的介質條件。如晶面生長速度、質點的性質、質點間的鍵型、結構缺陷；生長時的溫度、壓力、溶液濃度等。