第一講晶體與結(jié)晶學

地球科學院地質(zhì)系主講：余少雄聯(lián)系電話晶學與礦物學課程安排課時：36（理論課）+44（實習課）內(nèi)容分為三個部分：第一部分結(jié)晶學基礎(chǔ)（18+18學時）;第二部分礦物晶體化學（礦物學通論）（12+4學時);第三部分：礦物學各論（6+22學時）教學地點：理論；實習D6208

課程簡介：本學科是地質(zhì)學科中基礎(chǔ)的中基礎(chǔ)結(jié)晶學：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：空間性、抽象性、邏輯性、共性與后續(xù)礦物學形成明顯的對比：礦物學:

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)、成因特點等

特點：經(jīng)驗性、感性、具體性、歸納分類性、個性學科主講內(nèi)容本課程是地質(zhì)學專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。在結(jié)晶學部分，主要講授：1.晶體的定義，空間格子、空間格子要素和晶胞的概念。理解晶體的基本性質(zhì)。2.晶體生長的科塞爾原理、布拉維法則、面角恒等定律。3.晶體對稱及對稱特點。對稱要素，對稱定律，對稱要素的組合定律，晶體的分類。4.單形和聚形的概念，單形的種類。5.晶體定向、晶面符號、單形符號、晶帶及晶帶符號。6.晶體的平行連生和雙晶。在礦物學部分，首先介紹礦物的概念、礦物的化學成分及內(nèi)部結(jié)構(gòu)、礦物的形態(tài)和物理性質(zhì)、形成礦物的地質(zhì)作用、礦物的分類和命名，然后分別介紹自然元素大類、硫化物及其類似化合物大類、氧化物及氫氧化物大類、含氧鹽大類、鹵化物大類的主要礦物種（至族）的特征，掌握主要礦物的鑒定特征。

考核與紀律成績分三部分：作業(yè)（10%）+標本考試（30%）+期末考試（60%）;

總分60分及格課堂紀律：1.不準無故缺席，有事請假；2.本課程與實習課為重，若有兩次無故缺席，視作掛科處理第一講1.晶體、非晶質(zhì)體、準晶2.空間格子3.晶體的基本性質(zhì)4.結(jié)晶學概況1.晶體、非晶質(zhì)體、準晶

1.1晶體水晶方解石

石英（Quartz）

什么是晶體？鉻鉛礦（Crocoite

）

電氣石(Tourmaline)石膏(Gypsum)鉬鉛礦(Wulfenite)祖母綠(EmeraldBrooch)鉆石(Diamond)金剛石(Diamond)石榴子石(Garnet)

火蛋白石(FireOpals)紫鋰輝石(Kunzite)

軟玉(Nephrite)常林鉆石重158.786克拉古代人對晶體的理解：古人將凡是天然具有（非人工琢磨而成）幾何多面體形態(tài)的固體稱為晶體。如水晶、石鹽。水晶我國最早稱“水精”，有“幾乃千年老冰”之說。在現(xiàn)實生活中，我們注意到：相同的物質(zhì)，其所有性質(zhì)都相同，但外形不同，如晶體味精與粉狀味精，粗鹽與精鹽，前者具有幾何多面體，后者則不具備。除此而外，其它性質(zhì)均相同，我們就不能把前者稱為晶體而將后者視為非晶體。X射線分析的方法出現(xiàn)，揭示了大量晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓我們對晶體有了更為準確的理解。一切晶體，不論其外形如何，化學組成如何，它的內(nèi)部質(zhì)點（原子、離子或分子）都是作規(guī)律性排列的。也就是說，只要是晶體，其內(nèi)部質(zhì)點都是有規(guī)律排列的。前例提到的粗鹽（具立方體外形）與細鹽（粉狀），僅管其外形不同，但它們內(nèi)部質(zhì)點Na與Cl的排列規(guī)律都是一樣的。

由NaCl結(jié)構(gòu)模型的觀察我們會發(fā)現(xiàn)，晶體內(nèi)部質(zhì)點的規(guī)則排列表現(xiàn)為質(zhì)點的周期重復（舉Na與Cl的周期重復排列的例子）。我們將質(zhì)點的這種周期性重復排列稱之為格子構(gòu)造。因此，凡是內(nèi)部質(zhì)點作規(guī)律排列，即具有格子構(gòu)造的物質(zhì)即為晶體。綜上所述，我們對晶體作出如下定義：

晶體是具有格子構(gòu)造的固體,或內(nèi)部質(zhì)點在三維空間成周期性重復排列的固體。格子構(gòu)造是一切晶體最本質(zhì)的特征。格子構(gòu)造的形象展示石鹽的晶體結(jié)構(gòu)1.2非晶質(zhì)體與晶體結(jié)構(gòu)相反，內(nèi)部質(zhì)點不作周期性的重復排列的固體，即稱為非晶質(zhì)體。非晶質(zhì)體不具格子構(gòu)造，它不是真正意義上的固體，而是一種呈凝固態(tài)的過冷凝體。非晶質(zhì)體如玻璃、琥珀、松香等，這些物質(zhì)的內(nèi)部質(zhì)點的分布類似于液體，在非晶質(zhì)體的各個部位上，沒有任何兩部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是完全相同的，它們只是統(tǒng)計意義上才是均一的。因此，非晶質(zhì)體不具有晶體那樣的性質(zhì)。

水晶玻璃很明顯，水晶內(nèi)部質(zhì)點排列近程有序，遠程同樣規(guī)律有序；但玻璃則具有近程有序，遠程無序。1.3準晶體

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？準晶體與晶體、非晶體的關(guān)系？1.4非晶質(zhì)體與晶體間的轉(zhuǎn)化

晶體的格子構(gòu)造是晶體實現(xiàn)最小內(nèi)能的結(jié)果；晶體只有在得到外來能量時，發(fā)生吸熱反應，從而吸收熱能使之向非晶質(zhì)轉(zhuǎn)化；當晶體吸收熱能達到開始熔化時的溫度點即為晶體的熔點，故晶體具有一定的熔點。非晶質(zhì)體由于內(nèi)部質(zhì)點不作規(guī)律排列，各部分質(zhì)點分布的稀疏程度不一，因而熔化各部分的溫度就有高低之分，所以，非晶質(zhì)體不具有一定的熔點。實例：巖漿迅速冷凝而形成非晶質(zhì)的火山玻璃，經(jīng)漫長的地質(zhì)年代，其內(nèi)部原子進行很緩慢的擴散和調(diào)整，具自發(fā)形成規(guī)則排列的趨向，由非晶質(zhì)的火山玻璃逐漸地向晶態(tài)轉(zhuǎn)變，最終成為晶體。我們在古老的火山巖中常見到這種情況。這種非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的作用過程被稱為晶化或脫?；Ｅc此相反，當晶體因內(nèi)部質(zhì)點的規(guī)則排列遭到破壞而向非晶質(zhì)體轉(zhuǎn)變的作用，則稱為非晶化或玻璃化。例如一些含放射性元素的礦物，其晶格受放射性蛻變時所發(fā)出的—射線的作用破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷з|(zhì)體，這種作用特別稱為變質(zhì)非晶化作用。

非晶質(zhì)體中的質(zhì)點位能較大，故總是趨向于達到最小內(nèi)能，以便使自身趨于穩(wěn)定，故非晶質(zhì)體有自發(fā)地轉(zhuǎn)化為晶體的趨向。實驗證明，當物體由非晶態(tài)過渡到結(jié)晶狀態(tài)時，都是放熱反應，這些析出的熱能，即為質(zhì)點多出的位能。

結(jié)論：對同成分的晶體和非晶體而言，晶體是穩(wěn)定的非而晶體是不穩(wěn)定的，非晶質(zhì)體有自發(fā)地向晶體轉(zhuǎn)化的必然趨勢，但晶體決不會自發(fā)地向非晶質(zhì)體轉(zhuǎn)變。2.空間格子2.1晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平移有序性

晶體內(nèi)部質(zhì)點在三維空間的周期性要重復排列，就體現(xiàn)了晶體結(jié)構(gòu)的平移有序性。那么，什么是晶體結(jié)構(gòu)的平移有序性呢？該模型是從NaCl晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中割取出來的最小的一部分，而NaCl結(jié)構(gòu)就是由若干這樣的部分沿三度空間碓砌而成，由這最小部分的周期性重復排列就構(gòu)成了NaCl的晶體結(jié)構(gòu)。在1mm3的NaCl晶體內(nèi)，就包含了大約7×1017個這樣的立方體小塊。若在NaCl晶體結(jié)構(gòu)中，將一立方體小塊按一定的規(guī)律移動一段距離后，便會與另一立方體小塊重合，這就體現(xiàn)了晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平移有序性。晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有三維平移有序性。

以上從NaCl的晶體結(jié)構(gòu)說明了晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平移有序性，對于其它任何晶體，不管原子種類有多少，也不管這些質(zhì)點在空間排列的具體形式上有多么復雜，但所有這些質(zhì)點在三維空間都是成周期性平移重復規(guī)則排列的。

只不過不同的晶體，其周期性重復排列的規(guī)則不同而已。所以，晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的這種三維平移有序性是一切晶體的共同特征。為了表征和研究這種平移有序的規(guī)律（格子構(gòu)造），我們引入空間格子的概念。2.2空間格子的概念和基本規(guī)律（一）空間格子是從實際晶體構(gòu)造中抽象出相當點組成的一種幾何圖形，是晶體格子構(gòu)造中質(zhì)點排列規(guī)律的形象表征。（二）相當點——質(zhì)點種類相同，環(huán)境也相同的點。（三）相當點的分布體現(xiàn)了晶體格子構(gòu)造中所有質(zhì)點的重復規(guī)律，并且在三度空間作無限規(guī)律重復排列，因而空間格子為抽象的無限幾何圖形。導出空間格子的方法：

首先在晶體結(jié)構(gòu)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。）空間格子與具體的晶體結(jié)構(gòu)是什么關(guān)系？可以認為具體的晶體結(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?？臻g格子僅僅是一個體現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)中的周期重復規(guī)律的幾何圖形，比具體晶體結(jié)構(gòu)要簡單的多。空間格子的要素：

★結(jié)點:空間格子中的點,代表具體晶體結(jié)構(gòu)中的相當點.

★行列:結(jié)點在直線上的排列.（引出:結(jié)點間距）

★面網(wǎng):結(jié)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(guān)系,見下圖）

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.★平行六面體（晶胞）:

結(jié)點在三維空間形成的最小單位(引出:晶胞參數(shù)：a,b,c;α,β,γ,也稱為軸長與軸角）

abc平行六面體對應的實際晶體中相應的范圍叫晶胞。NaCl晶胞金紅石晶胞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。

由晶體的格子構(gòu)造會導致晶體的基本性質(zhì)?！镒韵扌?晶體能夠自發(fā)地生長成規(guī)則的幾何多面體形態(tài)。

★均一性:同一晶體的不同部分物理化學性質(zhì)完全相同。晶體是絕對均一性，非晶體是統(tǒng)計的、平均近似均一性。

3.晶體的基本性質(zhì)

★異向性：同一晶體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。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?★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)律地重復出現(xiàn)。例如下面的晶體形態(tài)是對稱的：★最小內(nèi)能性：晶體與同種物質(zhì)的非晶體相比，內(nèi)能最小。★穩(wěn)定性：晶體比非晶體穩(wěn)定。

﹡要學會用格子構(gòu)造規(guī)律解釋這些基本性質(zhì)?。ㄕ埻瑢W們自己解釋。）4.結(jié)晶學概況結(jié)晶學（crystallography）：是以晶體為研究對象的一門科學自然界中的絕大多數(shù)礦物都是晶體，要了解這些結(jié)晶的礦物，就必須了解和掌握結(jié)晶學特別是幾何結(jié)晶學的基本知識。如：冰、雪、土壤、金屬、礦物、陶瓷、水泥、化學藥品等研究簡史：★1000多年前，認識了石英和石鹽具有規(guī)則的外形；★

17世紀中葉前，以外形研究為主；★

1912年，X射線晶體衍射實驗成功，結(jié)晶學進入快速發(fā)展階段；★

19世紀中葉開始對晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)探索，逐漸發(fā)展成為一門獨立的學科；★

20世紀初,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理論探索。結(jié)晶學的研究意義：是礦物學的基礎(chǔ)是材料科學的基礎(chǔ)是生命科學的基礎(chǔ)

…...現(xiàn)代結(jié)晶學的幾個分支：1、晶體生成學：研究天然及人工晶體的發(fā)生、成長和變化的過程與機理，以及控制和影響它們的因素。2、幾何結(jié)晶學：研究晶體外表幾何多面體的形狀及其規(guī)律性。3、晶體結(jié)構(gòu)學：研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點排列的規(guī)律性，以及晶體結(jié)構(gòu)的不完善性。4、晶體化學：研究晶體的化學組成與晶體結(jié)構(gòu)以及晶體的物理、化學性質(zhì)之間關(guān)系的規(guī)律性。5、晶體物理學：研究晶體的各項物理性質(zhì)及其產(chǎn)生的機理。晶體（遠古年代的定義：自發(fā)形成規(guī)則形態(tài)的物體；（如上圖）

現(xiàn)代的定義：內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有周期重復性，即具有