晶體礦物學(xué)結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)

第一章結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)晶體的概念第二節(jié)晶體的空間格子第三節(jié)晶體的基本性質(zhì)第四節(jié)晶體的形成第一節(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(chǎn)出。水晶綠柱石辰砂鐵鋁石榴子石白鐵礦石鹽

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(gòu)造的固體。2.格子構(gòu)造：晶體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)（分子、原子、離子、絡(luò)陰離子等）在三維空間作周期性重復(fù)排列構(gòu)成格子構(gòu)造。Cl-Na+晶面晶棱石鹽的晶體結(jié)構(gòu)二、晶體的概念

3.晶體與非晶體

4.準(zhǔn)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(guó)學(xué)者葉恒強(qiáng)和國(guó)可信在快速冷卻的Al12Mn和(Ti0.9V0.1)Ni合金中各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的。

第一節(jié)晶體的概念

第二節(jié)晶體的空間格子一、空間格子（空間點(diǎn)陣）

1.空間格子：表示晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)重復(fù)規(guī)律的幾何圖形。

2.相當(dāng)點(diǎn)：在晶體結(jié)構(gòu)中，性質(zhì)、環(huán)境和方位相同的點(diǎn)。

NａCl晶體中的結(jié)構(gòu)微粒：（Cｌ－）（Na+）二、空間格子要素

1.結(jié)點(diǎn)

2.行列

3.面網(wǎng)

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(jié)構(gòu)中，把最小組成單位稱為晶胞。晶胞在三維空間無(wú)間隙的重復(fù)排列形成晶體。三、十四種空間格子

1.平行六面體的幾何特征：大??；形態(tài)；結(jié)點(diǎn)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(gè)棱長(zhǎng)：a0、b0、c0

格子常數(shù)夾角：α、β、γ2）格子常數(shù)組合關(guān)系有七種，相應(yīng)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

第二節(jié)晶體的空間格子三、十四種空間格子

3.結(jié)點(diǎn)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(duì)稱不符I=FF=P六方與本晶系對(duì)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(duì)稱不符理論：由7種平行六面體和4種結(jié)點(diǎn)分布規(guī)律應(yīng)有7×4=28種格子類型實(shí)際：只有14種格子類型原理：將重復(fù)者和不存在者去掉實(shí)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。一、自限性二、均一性和異向性

1.均一性：同一晶體的各個(gè)部分性質(zhì)相同。

2.異向性：同一晶體（格子構(gòu)造），不同方向上質(zhì)點(diǎn)的排列特征不同，晶體的性質(zhì)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(lán)晶石的硬度（如圖）。三、對(duì)稱性四、一定的熔點(diǎn)五、最小熱力學(xué)能和穩(wěn)定性

相同熱力學(xué)條件下，晶體與同種物質(zhì)的氣體、液體和非晶質(zhì)相比，其熱力學(xué)能最小。

第三節(jié)晶體的基本性質(zhì)AA１B１BAA1方向硬度為4~5，小刀能刻動(dòng)；BB1方向硬度為6.5~7，小刀不能刻動(dòng)；一、晶體的形成方式1.由氣相轉(zhuǎn)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(jié)晶而成的晶體。2.由液相轉(zhuǎn)變?yōu)榫w1).從熔體中結(jié)晶，即熔體過冷卻時(shí)發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，出現(xiàn)晶體；2).從溶液中結(jié)晶，即溶液達(dá)到過飽和時(shí)，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(jié)晶出來(lái)；4).通過化學(xué)反應(yīng)生成難溶物質(zhì)。

第四節(jié)晶體的形成石鹽

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(zhì)多象轉(zhuǎn)變是某種晶體在熱力學(xué)條件改變的時(shí)候，轉(zhuǎn)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(xì)粒方解石組成的石灰?guī)r與巖漿接觸時(shí)，受熱再結(jié)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(dú)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(jié)晶，因而形成一向延長(zhǎng)或二向延展的變質(zhì)礦物，如角閃石、云母晶體等；

5).由固態(tài)非晶質(zhì)結(jié)晶，火山噴發(fā)出的熔巖流迅速冷卻，固結(jié)成為非晶質(zhì)的火山玻璃，這種火山玻璃經(jīng)過千百年以上的長(zhǎng)時(shí)間以后，可逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶質(zhì)。

細(xì)粒方解石大理巖

第四節(jié)晶體的形成二、晶體的生長(zhǎng)理論1.科塞爾理論（層生長(zhǎng)理論）

科塞爾(Kossel，1927)首先提出，后經(jīng)斯特蘭斯基(Stranski)加以發(fā)展的晶體的層生長(zhǎng)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(zhǎng)一層原子面時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在界面上進(jìn)入晶格“座位”的最佳位置是具有三面凹入角的位置。質(zhì)點(diǎn)在此位置上與晶核結(jié)合成鍵放出的能量最大。因?yàn)槊恳粋€(gè)來(lái)自環(huán)境相的新質(zhì)點(diǎn)在環(huán)境相與新相界面的晶格上就位時(shí)，最可能結(jié)合的位置是能量上最有利的位置，即結(jié)合成鍵時(shí)應(yīng)該是成鍵數(shù)目最多，釋放出能量最大的位置。質(zhì)點(diǎn)在生長(zhǎng)中的晶體表面上所可能有的各種生長(zhǎng)位置（如圖）：

k為曲折面，具有三面凹人角，是最有利的生長(zhǎng)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(zhǎng)位置是A。由此可以得出如下的結(jié)論即晶體在理想情況下生長(zhǎng)時(shí)，先長(zhǎng)一條行列，然后長(zhǎng)相鄰的行列。在長(zhǎng)滿一層面網(wǎng)后，再開始長(zhǎng)第二層面網(wǎng)。晶面(最外的面網(wǎng))是平行向外推移而生長(zhǎng)的。

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(zhǎng)現(xiàn)象：

1)晶體常生長(zhǎng)成為面平、棱直的多面體形態(tài)。

2)在晶體生長(zhǎng)的過程中，環(huán)境可能有所變化，不同時(shí)刻生成的晶體在物性(如顏色)和成分等方面可能有細(xì)微的變化，因而在晶體的斷面上常?？梢钥吹綆顦?gòu)造。它表明晶面是平行向外推移生長(zhǎng)的。

3)由于晶面是向外平行推移生長(zhǎng)的，所以同種礦物不同晶體上對(duì)應(yīng)晶面間的夾角不變。

4)晶體由小長(zhǎng)大，許多晶面向外平行移動(dòng)的軌跡形成以晶體中心為頂點(diǎn)的錐狀體稱為生長(zhǎng)錐或砂鐘狀構(gòu)造。在薄片中常常能看到。顯晶質(zhì)赤鐵礦晶體生長(zhǎng)的實(shí)際情況要比簡(jiǎn)單層生長(zhǎng)理論復(fù)雜得多。往往一次沉淀在一個(gè)晶面上的物質(zhì)層的厚度可達(dá)幾萬(wàn)或幾十萬(wàn)個(gè)分子層。同時(shí)亦不一定是一層一層地順序堆積，而是一層尚未長(zhǎng)完，又有一個(gè)新層開始生長(zhǎng)。這樣繼續(xù)生長(zhǎng)下去的結(jié)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(shí)際晶體生長(zhǎng)過程并非完全按照二維層生長(zhǎng)的機(jī)制進(jìn)行的。因?yàn)楫?dāng)晶體的一層面網(wǎng)生長(zhǎng)完成之后，再在其上開始生長(zhǎng)第二層面網(wǎng)時(shí)有很大的困難，其原因是已長(zhǎng)好的面網(wǎng)對(duì)溶液中質(zhì)點(diǎn)的引力較小，不易克服質(zhì)點(diǎn)的熱振動(dòng)使質(zhì)點(diǎn)就位。因此，在過飽和度或過冷卻度較低的情況下，晶的生長(zhǎng)就需要用其它的生長(zhǎng)機(jī)制加以解釋。

第四節(jié)晶體的形成

第四節(jié)晶體的形成二、晶體的生長(zhǎng)理論2.螺旋生長(zhǎng)理論

弗朗克等人(1949，1951)研究了氣相中晶體生長(zhǎng)的情況，估計(jì)二維層生長(zhǎng)所需的過飽和度不小于25—50％。然而在實(shí)驗(yàn)中卻難以達(dá)到與過飽和度相應(yīng)的生長(zhǎng)速度，并且在過飽和度小于1％的氣相中晶體亦能生長(zhǎng)。這種現(xiàn)象并不是層生長(zhǎng)理論所能解釋的。他們根據(jù)實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)的各種缺陷中最常見的位錯(cuò)現(xiàn)象，提出了晶體的螺旋生長(zhǎng)理論，即征晶體生長(zhǎng)界面上螺旋位錯(cuò)露頭點(diǎn)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(zhǎng)的臺(tái)階源，促進(jìn)光滑界面上的生長(zhǎng)。這樣便成功地解釋了晶體在很低的過飽和度下能夠生長(zhǎng)的實(shí)際現(xiàn)象。晶體的位錯(cuò)

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

SiC晶體表面上的生長(zhǎng)螺旋紋S螺旋生長(zhǎng)模式

第四節(jié)晶體的形成三、布拉維法則

1855年，法國(guó)結(jié)晶學(xué)家布拉維(A．Bravis)從晶體具有空間格子構(gòu)造的幾何概念出發(fā)，論述了實(shí)際晶面與空間格子構(gòu)造中面網(wǎng)之間的關(guān)系，即實(shí)際晶體的晶面常常平行網(wǎng)面結(jié)點(diǎn)密度最大的面網(wǎng)，這就是布拉維法則。布拉維的這一結(jié)論系根據(jù)晶體上不同晶面的相對(duì)生長(zhǎng)速度與網(wǎng)面上結(jié)點(diǎn)的密度成反比的推論引導(dǎo)而出的。所謂晶面生長(zhǎng)速度是指單位時(shí)間內(nèi)晶面在其垂直方向上增長(zhǎng)的厚度。晶面AB的網(wǎng)面上結(jié)點(diǎn)的密度最大，網(wǎng)面間距也最大，網(wǎng)面對(duì)外來(lái)質(zhì)點(diǎn)的引力小，生長(zhǎng)速度慢，晶面橫向擴(kuò)展，最終保留在晶體上；CD晶面次之；BC晶面的網(wǎng)面上結(jié)點(diǎn)密度最小，網(wǎng)面間距也就小，網(wǎng)面對(duì)外來(lái)質(zhì)點(diǎn)引力大，生長(zhǎng)速度最快，橫向逐漸縮小以致晶面最終消失；因此，實(shí)際晶體上的晶面常是網(wǎng)面上結(jié)點(diǎn)密度較大的面。布拉維法優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.闡明了晶面發(fā)育的基本規(guī)律。

2.解釋了同種物質(zhì)的晶體上，大晶體上的晶面數(shù)目少而簡(jiǎn)單，小晶體上的晶面數(shù)目多而復(fù)雜。不足：1.由于當(dāng)時(shí)晶體中質(zhì)點(diǎn)的具體排列尚屬未知，布拉維所依據(jù)的僅是由抽象的結(jié)點(diǎn)所組成的空間格子