2-2.2晶體生長理論部分全解

第二節(jié)晶體生長（主要內(nèi)容：晶體的形成方式、層生長理論、螺旋生長理論、布拉維法則、面角守恒定律、晶體定向和晶面符號、晶面符號與單形符號）一、晶體的形成方式

晶體生長過程是物質(zhì)從其它相轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶相的過程，實際上是組成它的質(zhì)點從不規(guī)則排列到規(guī)則排列形成格子構(gòu)造的過程。晶體是在物相轉(zhuǎn)變的情況下形成的。物相有三種，即氣體、液體和固體。

液相

氣相晶體

固相1.由液相轉(zhuǎn)變?yōu)榫w熔體

晶體溶液1）從熔體中結(jié)晶當溫度低于熔點時，晶體開始析出，即過冷卻條件下結(jié)晶才能發(fā)生。

2）從溶液中結(jié)晶當溶液處于過飽和時，溶質(zhì)從溶液中的結(jié)晶出來。其方式有：

A．溫度降低，如巖漿期后的熱液，遠離巖漿源越遠溫度將依次降低，各種礦物晶體陸續(xù)析出。

如含有各種金屬物質(zhì)的熱水溶液中，可沉淀出各種金屬或非金屬礦物，方鉛礦、閃鋅礦、螢石、方解石等。

B．水分蒸發(fā)，如天然鹽湖鹵水蒸發(fā)，鹽類礦物結(jié)晶出來。

C．通過化學反應，生成難溶物質(zhì)。

2．由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)榫w

氣體在過飽和蒸氣壓或過冷卻溫度下，直接由氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。雪花就是水蒸氣冷卻直接結(jié)晶而成的晶體。在火山口附近常由火山噴氣直接生成硫、碘或氯化鈉晶體。

螢石、綠柱石、電氣石等等礦物也可在巖漿作用期后由氣體直接生成。

3．由固相直接轉(zhuǎn)為固相環(huán)境的變化可以引起礦物的成分在固態(tài)情況下產(chǎn)生改組，使原礦物的顆粒變大或生成新的礦物。這種再結(jié)晶可有以下幾種情況：

1）同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變

某種晶體在熱力學條件改變時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N在新條件下穩(wěn)定的晶體，它們在轉(zhuǎn)變前后的成分相同，但晶體結(jié)構(gòu)不同。

2）

原礦物晶粒逐漸變大

如由細粒方解石組成的石灰石與巖漿接觸時，受熱結(jié)晶成為由粗粒方解石晶體組成的大理巖。

3）固溶體分解

在一定溫度下固熔體可以分解成為幾種獨立的礦物。如由一定比例的閃鋅礦和黃銅礦在高溫時組成為均一相的固熔體，而在低溫時就分離為兩種獨立的礦物。

4）變晶

礦物在定向壓力方向上溶解，而在垂直壓力方向上再結(jié)晶，因而形成一向延長或二向延展的變質(zhì)礦物，如角閃石、云母等，這樣的變質(zhì)礦物稱為“變晶”

5）由固態(tài)非晶質(zhì)體結(jié)晶

由非晶質(zhì)體向晶體的轉(zhuǎn)化是自發(fā)的，是釋放能量的過程。這種由玻璃質(zhì)轉(zhuǎn)化為結(jié)晶質(zhì)的作用為晶化作用或脫?；饔?。

與上一作用相反，一些含放射性元素的晶體，由于受到放射性元素發(fā)生蛻變時釋放出來的能量的影響，使原晶體的格子遭到破壞變?yōu)榉蔷з|(zhì)體，這一作用稱為變生非晶質(zhì)化或玻璃化作用）。二、成核作用

晶體的生成一般是先生成晶核，然后再逐漸長大。晶核概念：從母相中初始析出并達到某個臨界大小，從而得以繼續(xù)成長的結(jié)晶相微粒。均勻成核作用初次成核作用成核作用非均勻成核作用二次成核作用晶核由已達過飽和或過冷卻的流體相本身自發(fā)地產(chǎn)生，這種成核作用叫均勻成核作用；晶核借助于非結(jié)晶相外來物的誘導而產(chǎn)生，叫非均勻成核作用；晶體由體系中業(yè)已存在的晶體的誘導而產(chǎn)生，這種成核作用叫二次成核作用。三、層生長理論（Kossel-Stranski模型）由科塞爾在1927年提出，后經(jīng)斯特蘭斯基(Stranski)加以發(fā)展。

晶體生長時，以單個質(zhì)點方式往晶芽上堆積，首先是完成一個行列,再長相鄰行列;長完一層面網(wǎng)再長第二層面網(wǎng)，即晶面是平行向外推移而生長的。層生長理論（Kossel-Stranski模型）注解：關(guān)于層生長理論溶液中質(zhì)點堆積到晶芽的不同位置上時，所受引力大小不同，質(zhì)點將優(yōu)先堆積到引力最強的位置上，以便釋放出可能多的能量，而使晶體的內(nèi)能達到最小；晶體生長過程中，在晶體上可能存在三面凹入角，兩面凹入角，一般位置.由于引力大小與質(zhì)點數(shù)量成正比、與距離的平方成反比，質(zhì)點向晶芽上堆積時，將優(yōu)先落在三面凹入角，其次是兩面凹入角，最后是一般位置。

理想晶體的生長過程在晶芽的基礎(chǔ)上，落入質(zhì)點根據(jù)引力大小落在相應位置，長完一條行列再長相鄰的行列，長滿一層面網(wǎng)再長相鄰的面網(wǎng)，整個面網(wǎng)成層向外平移。當晶體停止生長時，其最外層的面網(wǎng)就是實際晶面。每兩個相鄰面網(wǎng)相交的公共行列就是實際晶棱。整個晶體被晶面包圍，形成占有一定空間的封閉幾何多面體形態(tài)，表現(xiàn)出晶體的自限性。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微的變化，因而在晶體的端面上常?？梢钥吹綆顦?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。層生長的特點層生長理論的缺陷把晶體的生長過程簡單化，所描述的晶體生長過程只有在理想情況下才能出現(xiàn)。四、螺旋生長理論

Frank(1949)等科學家的研究表明，在達不到過飽和或過冷卻的條件下，晶體照樣可以生長，這種現(xiàn)象是層生長理論所不能解釋的。

根據(jù)實際晶體結(jié)構(gòu)中最常見的位錯現(xiàn)象，提出了螺旋生長理論:

即在晶體生長界面上，螺旋位錯露頭點所出現(xiàn)的凹角，及其延伸所形成的二面凹角，可作為晶體生長的臺階源，促進光滑界面上的生長。晶體生長速率R與溶液過飽和度S的關(guān)系

五、布拉維法則1)布拉維法則內(nèi)容在1855年，法國結(jié)晶學家布拉維(A．Bravis)從晶體具有空間格子構(gòu)造的幾何概念出發(fā)，論述了實際晶面與空間格子構(gòu)造中面網(wǎng)之間的關(guān)系（布拉維法則）：即實際晶體的晶面常常平行面網(wǎng)中結(jié)點密度最大的面網(wǎng)。

19面網(wǎng)密度：AB>DC>BC生長速度：AB<DC<BC2）關(guān)于布拉維法則的幾點說明晶體生長時，面網(wǎng)上的結(jié)點密度與該面網(wǎng)在垂直方向的生長速度成反比。面網(wǎng)密度小的晶面（BC）在生長過程中生長速度快，最后被面網(wǎng)密度大的、生長速度慢的相鄰晶面（AB\CD)所遮蓋；晶體上最終保留下來的晶面都是一些面網(wǎng)密度大的晶面---布拉維法則的實質(zhì)。理論的不足：該法則比較粗略，忽視了晶體生長環(huán)境對晶面生長速度的影響。六、面角守恒定律在晶體生長過程中由于受到外部條件的影響，同種晶面發(fā)育的形狀和大小不同，從而形成偏離理想晶體狀態(tài)的的歪晶,因此在很長的歷史年代，人們沒能掌握晶體形態(tài)的規(guī)律。在1669年，丹麥學者斯丹諾（N.Steno)在對石英和赤鐵礦的研究發(fā)現(xiàn)（面角守恒定律）：

即同種物質(zhì)的所有晶體，對應晶面間的角度守恒。

小知識：1780年，法國學者克蘭喬發(fā)明了接觸測角儀。其老師法國學者羅美德利爾（RoméDeL‘Isle）利用這種測角儀進行了20多年的晶體測角工作，測量了500多種礦物晶體的形狀，肯定了面角守恒定律的普遍意義。石英結(jié)晶外形面角：指晶面法線之間的夾角，其數(shù)值等于相應晶面的實際夾角之補角。七、晶體定向和晶面符號一）晶體定向

晶體定向在礦物鑒定、礦物形態(tài)、內(nèi)部構(gòu)造和物理性質(zhì)的研究工作中具有重要的意義。晶體定向：在晶體上建立一個三維空間坐標系統(tǒng)，在晶體上選擇坐標軸和確定每個軸上的度量單位。1、晶體定向的相關(guān)概念1）晶軸及軸單位晶軸為給晶體定向，在晶體上所建立的坐標軸稱為晶軸。晶軸是設(shè)想的貫穿晶體中心的直線，利用它們可以確定晶體中各晶面、晶棱和單形的方位。軸單位各晶軸上的度量單位稱為軸單位（常用abc表示)。2）晶體定向晶軸數(shù)目的確定

取決于晶系的類型（對稱特點）三方晶系及六方晶系為4個晶軸（分別用X、Y、U、Z軸表示)，其它晶系為3個晶軸(用X、Y、Z軸表示)。三軸定向時，晶軸的表示方法

前后軸為x軸，左右軸為y軸，直立軸為z軸，各軸的交點為晶體的中心。正負規(guī)定：各晶軸由中心向前、向右及向上的方向為正，反之為負。在四晶軸定向中α=β=y軸∧z軸=z軸∧x軸=μ軸∧z軸=90°γ=x軸∧y軸=y軸∧μ軸=μ軸∧x軸=120°3）軸角各晶軸之間有一定的夾角關(guān)系，結(jié)晶學中規(guī)定兩個晶軸正端的夾角稱為軸角，分別用α、β、γ表示。

在三晶軸定向中α=y∧z軸β=z軸∧x軸，γ=x軸∧y軸

三晶軸定向α=y∧z軸，β=z軸∧x軸，γ=x軸∧y軸四晶軸定向＋＋＋＋＋＋＋＋＋α=β=y軸∧z軸=z軸∧x軸=μ軸∧z軸=90°γ=x軸∧y軸=y軸∧μ軸=μ軸∧x軸=120°2、晶軸的選擇原則晶體中晶軸選擇與其內(nèi)部晶胞劃分一致，晶體中三根晶軸的方向應平行于晶胞三根棱的方向，軸單位等于晶胞的三根棱長，即晶體行列結(jié)點間距a0、b0、

c0。晶軸選擇時，首先選擇對稱軸為晶軸，當對稱軸數(shù)量不足或無對稱軸時，則選對稱面法線方向為晶軸。如果對稱軸和對稱面的法線不足或無對稱軸時，則選擇較發(fā)育的晶棱方向為晶軸。選出的晶軸位置應相互垂直或盡可能互相垂直。3、晶體常數(shù)（軸率和軸角）晶胞常數(shù)中的a0、b0、c0都是用x射線測定的實際長度值，由于晶體定向的目的主要是確定晶面的方向，而不在于確定其具體位置，因此只要知道三個軸單位的比值就可以了。軸率：定義軸單位a0、b0、c0的連比值a:b:c為軸率。晶體常數(shù)：

定義軸率a:b:c及軸角αβγ總稱為晶體常數(shù)，它是表示坐標系特征的一組常數(shù)。4）各晶系的晶體定向方法由于各晶系對稱特點不同，晶軸的選擇方法和晶體常數(shù)的特點也不同。在等軸、四方、斜方、單斜和三斜晶系中采用三軸定向；在三方和六方晶系中，采用四軸定向，定向時，以唯一的高次軸L3、L6（或Li6）為Z軸；在垂直Z軸平面內(nèi)選擇三個正端互成120°交角的L2或?qū)ΨQ面的法線方向或適當?shù)木Ю夥较蜃鳛樗骄лSx、y、u軸。此時軸角α=β=90°，γ=120°。

二）晶面符號與單形符號1、晶面符號（簡稱面號）1）晶面符號概念晶體定向后，各晶面在空間的相對位置就可確定，表示晶面在空間的相對位置的符號,稱為晶面符號。2）關(guān)于晶面符號的說明晶面符號種類很多，通常采用英國人米勒爾（W.Hmiler)于1839年所創(chuàng)的符號，也稱為米氏符號。米氏符號用晶面在三個晶軸上的截矩系數(shù)的倒數(shù)比來表示。例如：如果晶面ABC在x、y、z三個晶軸上的截距分別為2a、3b、6C。系數(shù)2、3、6稱為截距系數(shù)（通常用p、q、r表示)，其倒數(shù)比為3：2：1，則記作（321）為該晶面的米氏符號，小括號內(nèi)的數(shù)字稱為晶面指數(shù)。確定米氏符號時，應注意以下幾點晶面指數(shù)排列有統(tǒng)一的規(guī)定順序：對三軸定向：按照xyz軸排列，表示為（hkl）;對三方、六方晶系的四軸定向者，指數(shù)按照xyuz軸排列順序，一般寫成（hkIL）。在讀晶面符號時按照字面順序讀出。當晶面平行于某一晶軸時，則看成晶面與該晶軸在無限遠處相交，其截矩系數(shù)為∞，此晶面在此晶軸上的晶面指數(shù)就為0。當晶面與各晶軸相截且截矩系數(shù)相等時，則其晶面指數(shù)相同，晶面符號為（111）；晶面指數(shù)根據(jù)晶面截晶軸在負端或正端有正負之分，在負截矩相應的指數(shù)上方加上“-”號，如（321）如果只知道晶面與晶軸相截交，但不能確定截矩系數(shù)時，則晶面符號寫成一般形式：如（hkl），如果與某一軸平行，則用“0”表示，記為（h0l）。同一晶體上，任何兩個互相平行的晶面，晶面指數(shù)的絕對值相等，但正負號相反。zyxOEDFABC舉例1（2D）yx舉例2（3D）ABO=(???)ACO=(???)DEF=(???)ABC=(???)XYOABC試試看，你掌握了么？八、整數(shù)定律1）整數(shù)定律的內(nèi)容1774年，法國學者阿羽依（R.J.Haiig)發(fā)現(xiàn)：

晶體上任何晶面在各晶軸上的截矩系數(shù)之比，恒為簡單整數(shù)比。

截矩系數(shù)之比數(shù)值都是整數(shù);晶面指數(shù)也是小整數(shù)，一般絕對值不大于3或4，大于6的情況極少。布拉維法則圖解2）解釋晶面是晶體結(jié)構(gòu)中最外層的面網(wǎng)，而晶軸又是晶體構(gòu)造中的行列，所以晶面與晶軸交截地方必定是結(jié)點所在的位置。晶面在晶軸上的截矩即是該晶軸上結(jié)點間距的整數(shù)倍，截矩系數(shù)之比也因而必為整數(shù)比。又根據(jù)布拉維法則，晶體往往被面網(wǎng)密度較大的晶面所包圍。面網(wǎng)密