结晶学与矿物学-1晶体性质生长规律

1结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy黄静宜地质教研室地震科学系2结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy结晶矿物学是地球科学专业基础课课程研究对象：晶体和矿物晶体和矿物在工业、农业、国防上意义重大；晶体和矿物与我们日常生活也有密切联系：衣—防火衣（石棉）食—中药矿物药：朱砂安神丸（辰砂）；硫磺（内外用）；思密达（蒙脱石）住—石材（大理石、水泥－方解石）行—沥青宝玉石、化妆品3结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy4结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy5结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy第一篇结晶学基础（50%学时）第一章晶体与晶体的基本性质第二章晶体生长模型与面角恒等定律第三章晶体的测量与投影第四章晶体的外部对称第五章晶体定向与晶体符号第六章单形与聚形第七章晶体的规则连生第八章晶体结构第九章晶体化学6第二篇矿物学（50%学时）第十章矿物与矿物学的发展趋势第十一章矿物的型态第十二章矿物的物理性质第十三章矿物的化学成分第十四章矿物的命名与分类第十五章自然元素矿物大类第十六章金属互化物矿物大类第十七章硫化物及其类似化合物矿物大类第十八章氧化物和氢氧化物矿物大类第十九章含氧盐矿物大类（一）第二十章含氧盐矿物大类（二）第二十一章卤化物矿物大类结晶学与矿物学crystallographyandmineralogy7第一篇结晶学第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal本章概要1.晶体、非晶体2.空间格子——抽象，难点3.晶体6个基本性质8第一篇结晶学第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal矿物——几乎全是晶体9第一篇结晶学第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal第一节结晶学研究对象及其科学地位结晶学与矿物学：地球科学专业的主干课程，专业基础课。结晶学crystallography：矿物晶体（生成和变化、外部形态几何性质、内部结构、化学成分、物理性质及其相互关系）10第二节晶体、非晶体与准晶体的概念问：生活中很多是晶体：？？？？？水晶、食盐、冰糖水晶花岗岩中石英晶体？非晶体？1912年劳埃利（M.V.Laue德）第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal11晶体？非晶体？12第二节晶体、非晶体与准晶体的概念1.晶体与非晶质体晶体crystal：内部质点在三维空间呈周期性平移重复排列形成的具有格子构造的固体。短程有序＋长程有序（short+longrangeorder）非晶体noncrystal：仅短程有序第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal短程有序：质点在三维空间排布的局部的规律性，叫做近程规律或短程有序。长程有序：质点排布方式在整个晶体中贯穿始终的规律称为长程规律或长程有序（longrangeorder）。13晶体非晶体SiO214第二节晶体、非晶体与准晶体的概念玻璃化、非晶化晶体非晶体脱玻化、晶化问：稳定性？火山玻璃－雏晶，放射性蜕变第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal15第二节晶体、非晶体与准晶体的概念2.准晶体quasicrystal：质点的排列符合短程有序但不体现周期平移重复，即不存在格子构造。准晶体：有严格的位置序和自相似分行结构非晶体第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal16具五次对称轴，无格子构造短程有序17第三节空间格子-spacelattice1.空间格子的导出相当点：环境、方位相同——几何点，空间意义CsCl晶体结构空间格子空间格子：就是表示晶体内部质点在三维空间做周期性平移重复排列的几何图形。第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal18第三节空间格子-spacelattice2.空间格子要素及基本规律（1）结点-node,代表相当点，几何点，几何意义（2）行列-row，任意二结点，结点间距（row-spacing）（3）面网-net面网密度、面网间距（4）平行六面体-parallelhexahedron实际晶体单位晶胞第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal19第三节空间格子-spacelattice第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal空间格子中的结点、行列与面网modelNodeRowNet20A'B'C'D'd1D2D3d4b0β1β2β3β4ABCDC1cA11aBb面网密度与面网间距关系示意图平行六面体21第四节晶体的基本性质-theultimatepropertiesofcrystal1自限性—self-confinement，形态，晶面—面网、晶棱—行列、角顶—结点2均一性–homogeneity各部分完全相等；非晶体统计学意义相等3异向性–anisotropy方向上4对称性–symmetry5最小内能—minimuminternalenergy结晶时放热、熔融吸热6稳定性—stability第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal22矿物自限性23矿物自限性F＋V＝E＋2（欧拉定律）晶面数角顶数晶棱数24矿物均一性石英F（x）＝F（x＋x’）25矿物异向性菱猛矿蓝晶石26矿物对称性石榴子石27矿物最小内能性、稳定性吸热，内能增大晶体非晶体放热，内能减小小结自限性－对称性均一性－异向性最小内能性－稳定性28第一篇结晶学第一章晶体与晶体的基本性质crystalandtheultimatepropertiesofcrystal本章思考题及习题：1.晶体、非晶质体、准晶体有何区别？2.结点间距、面网密度、面网间距之间有何联系？3.如何根据晶体的格子构造解释其基本性质？4.晶体不一定呈规则的几何多面体外形，这是否与晶体的自限性矛盾？5.某些固体生长时可以自发地形成规则的几何多面体外形，这些固体肯定是晶体吗？为什么？6.为什么晶体具有确定的熔点而非晶体不具有确定的熔点？29本章结束第二章30第二章晶体生长模型与面角守恒定律本章概要1.晶体生长途径2.晶体生长二个理论：层生长、螺旋生长理论3.晶面发育理论：布拉维法则、周期键链4.影响晶体生长外因、几何淘汰率5.面角守恒定律31第二章晶体生长模型与面角守恒定律第一节晶体生长的途径Thewaysofcrystalformation1.气相----固相如火山喷气S，窗花等凝华作用2.液相---固相熔体中结晶，如岩浆岩，金属晶体溶液中结晶，如温度降低，水分蒸发，化学反应32第二章晶体生长模型与面角守恒定律第一节晶体生长的途径3固相----晶体非晶体—晶体：火山玻璃－石英长石雏晶晶体—晶体：同质多相：β石英－α石英固溶体分离再结晶：变质作用331123第二章晶体生长模型与面角守恒定律第二节晶体的层生长和螺旋生长晶体生长的二个重要理论，晶体生长模型1.层生长理论layergrowth--W.Kossel—I.N.Stranski二维成核理论三面凹角二面凹角一般位置质点优先进入顺序：（1）1＞2＞3（2）质点行列面网（3）层层向外34ⅠⅡⅢⅣⅤ03mm1.层生长理论石英的环带结构351.层生长理论黄铁矿面平棱直361.层生长理论面角守恒定律：同种物质的晶体上对应晶面间的夹角不变。372.螺旋生长理论晶面上的螺旋纹382.螺旋生长理论spiralgrowth螺旋位错F.C.Frank,W.K.Burton等人提出。位错—凹角—堆积—螺旋生长凹角39abcdfe螺旋生长模型40第二章晶体生长模型与面角守恒定律第三节晶面发育的二个理论布拉维法则和周期键链理论何种面网发育成晶面？1.布拉维法则--法国结晶学家A.bravis提出：实际晶体的面网常常是由晶体格子构造中面网密度大的面网发育成的。41aA3BbC2D1ABCD晶面生长速度与面网密度关系面网密度小生长速度快，晶面消失快；面网密度大生长速度慢，易保留下来成为晶面。理想状态，不考虑外界条件生长速度面网密度小42ABCDEEDCBAAB晶面交角和生长速度对晶面发育的约束432.周期键链（PBC）理论periodicbondchain1955年P.HartmanandN.G.Perdok提出（1）概念晶体存在强键链。晶体平行键链生长，键力最强的方向生长最快；平行强键链最多的面常成为晶面。44强键链方向？黑电气石金绿柱石45（2）周期键链理论对晶面发育的解释比较KSF面成长速度F面：平坦面，有两个以上的PBC与之平行，面网密度最大生长速度最慢易成为晶面S面：阶梯面，有一个PBC与之平行，面网密度中等生长速度中等K面：扭折面，不平行任何PBC，面网密度小生长速度最快，消失快46第二章晶体生长模型与面角守恒定律第四节影响晶体生长的外部因素介质流动、温度、杂质与酸碱度、粘度、结晶速度、生长顺序与生长空间、应力作用471、晶簇丛生于岩石空洞或裂缝中某一基底之上，另一端朝向自由空间并具有完好晶形的单晶体群第二章晶体生长模型与面角守恒定律第五节晶簇与几何淘汰率48第二章晶体生长模型与面角守恒定律第五节晶簇与几何淘汰率2、几何淘汰率生长速度最大方向与基底平面垂直的晶体继续生长ⅠⅠⅠⅡⅡⅢ49第二章晶体生长模型与面角守恒定律第六节歪晶和面角守恒定律1.歪晶distortedcrystalmmrrzmmmrrzz石英的理想晶体歪晶50第二章晶体生长模型与面角守恒定律第六节歪晶和面角守恒定律2.面角守恒定率lawofconstancyofangle1669年丹麦学者N.Steno研究石英和赤铁矿晶体，发现同种物质的晶体，其对应晶面间的角度守恒重要发现，为几何结晶学研究奠定基础51第二章晶体生长模型与面角守恒定律第六节歪晶和面角守恒定律层生长mmrrzmmmrrzz石英的理想晶体歪晶52第二章晶体生长模型与面角守恒定律思考题及习题:1.自然界中晶体生长的途径主要有哪些？试举例说明。2.矿物晶体按照层生长或螺旋生长机制生长的标志有哪些？3.晶面发育的布拉维法则和周期键链理论的表述和本质涵义有何异同？4.试根据晶面发育的理论阐明通常情况下小颗粒的矿物不同晶面数目较多、形态较复杂，而大颗粒的矿物不同晶面的数目较少、形态较简单。5.何为歪晶？它是如何形成的？它在矿物成因研究中有何意义？6.从晶体的格子构造及晶体的生长过程，分析同种晶体相应晶面夹角守恒的必然性。53本章结束