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1、第一章 晶体及结晶学本讲稿第一页，共三十七页课程简介：课程简介：结晶学：结晶学：结晶学：结晶学：以晶体为研究对象，主要研究晶体的对称规律。以晶体为研究对象，主要研究晶体的对称规律。研究的是晶体的共同规律，不涉及到具体的晶体种类。研究的是晶体的共同规律，不涉及到具体的晶体种类。特点：空间性、抽象性、逻辑性、共性。特点：空间性、抽象性、逻辑性、共性。特点：空间性、抽象性、逻辑性、共性。特点：空间性、抽象性、逻辑性、共性。与后续矿物学形成明显的对比：与后续矿物学形成明显的对比：矿物学：矿物学：矿物学：矿物学：以矿物晶体为研究对象，主要研究各具体矿物晶体的以矿物晶体为研究对象，主要研究各具体矿物晶体的
2、成分、物理性质、成因特点等。成分、物理性质、成因特点等。特点：经验性、感性、具体性、归纳分类性、个性特点：经验性、感性、具体性、归纳分类性、个性特点：经验性、感性、具体性、归纳分类性、个性特点：经验性、感性、具体性、归纳分类性、个性.本讲稿第二页，共三十七页第一部分 结晶学基础n n第一章第一章第一章第一章 晶体及结晶学晶体及结晶学晶体及结晶学晶体及结晶学n n第二章第二章第二章第二章 晶体的形成晶体的形成晶体的形成晶体的形成n n第三章第三章第三章第三章 晶体的宏观对称晶体的宏观对称晶体的宏观对称晶体的宏观对称n n第四章第四章第四章第四章 晶体的定向和晶面符号晶体的定向和晶面符号晶体的定向
3、和晶面符号晶体的定向和晶面符号n n第五章第五章第五章第五章 晶体的理想形态晶体的理想形态晶体的理想形态晶体的理想形态n n第六章第六章第六章第六章 晶体的规则连生晶体的规则连生晶体的规则连生晶体的规则连生n n第七章第七章第七章第七章 晶体结构的几何理论晶体结构的几何理论晶体结构的几何理论晶体结构的几何理论n n第八章第八章第八章第八章 晶体化学晶体化学晶体化学晶体化学本讲稿第三页，共三十七页第一章第一章 晶体及结晶学晶体及结晶学晶体的概念空间格子晶体的基本性质结晶学及其主要研究内容本讲稿第四页，共三十七页 本章涉及一些重要的基本概念，这些概念在整个结晶学中都经常出现，一定要牢固掌握。本讲稿
4、第五页，共三十七页一、晶体的基本概念1.晶体的定义：人类最早把具有人类最早把具有天然规则几何多面体天然规则几何多面体形态的固形态的固体体叫晶体。叫晶体。现代对晶体的定义是：现代对晶体的定义是：晶体（晶体（crystal)crystal)是内部是内部质点（原子、离子或分子）在三维空间周期性地质点（原子、离子或分子）在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间周期性地重复排列也称周期性地重复排列也称格子构造格子构造，所以，所以晶体是具晶体是具有格子构造的固体。有格子构造的固体。本讲稿第六页，共三十七页石盐的晶体结构本讲稿第七页，共三十七页2
5、.不具格子构造的物质称为非晶体或非晶态3.晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化 非晶态 晶态 (晶化，自发进行)晶态 非晶态 (非晶化，需要外能)晶体晶体具有格子构造具有格子构造既有近程规律也有远程规律既有近程规律也有远程规律非晶体非晶体不具格子构造不具格子构造只有近程规律（无定形体）只有近程规律（无定形体）本讲稿第八页，共三十七页 所以所以,晶体比非晶体稳定。自然界的固体物晶体比非晶体稳定。自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。质中，绝大多数是晶体。4.准晶体（quasicrysatl)：一种新的物态，其内部质点排列具有一种新的物态，其内部质点排列具有远程规远程规律律，但没有平移周期，即不具格
6、子构造。这种物，但没有平移周期，即不具格子构造。这种物态是介于晶体与非晶体之间的一种状态。态是介于晶体与非晶体之间的一种状态。本讲稿第九页，共三十七页二、空间格子1.1.概念：概念：空间格子空间格子就是表示晶体内部结构中质点周期就是表示晶体内部结构中质点周期 性重复排列规律的几何图形。性重复排列规律的几何图形。空间格子的导出：空间格子的导出：空间格子的导出：空间格子的导出：（a a）晶体平面结构图晶体平面结构图（b b）相当点相当点(空间点阵空间点阵)（c c）空间格子空间格子相当点：是指质点种类相同，周围环境（分布种类相同和取向相同是指质点种类相同，周围环境（分布种类相同和取向相同的其他质点
7、）也一样的几何点。的其他质点）也一样的几何点。本讲稿第十页，共三十七页 首先在晶体结构中找出首先在晶体结构中找出首先在晶体结构中找出首先在晶体结构中找出相当点相当点相当点相当点，再将相当点按照一定的，再将相当点按照一定的，再将相当点按照一定的，再将相当点按照一定的规律连接起来就形成了空间格子。规律连接起来就形成了空间格子。规律连接起来就形成了空间格子。规律连接起来就形成了空间格子。相当点相当点相当点相当点（两个条件：两个条件：1 1、性质相同，、性质相同，2 2、周围环境相同。）、周围环境相同。）本讲稿第十一页，共三十七页空间格子与具体的晶体结构是什么关系？空间格子与具体的晶体结构是什么关系？
8、可以认为具体的晶体结构是多套空间格子组成的，见图。可以认为具体的晶体结构是多套空间格子组成的，见图。可以认为具体的晶体结构是多套空间格子组成的，见图。可以认为具体的晶体结构是多套空间格子组成的，见图。具体的具体的具体的具体的晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构是多种原子、离子组成的，使得其重复规是多种原子、离子组成的，使得其重复规是多种原子、离子组成的，使得其重复规是多种原子、离子组成的，使得其重复规律不容易看出来，而律不容易看出来，而律不容易看出来，而律不容易看出来，而空间格子空间格子空间格子空间格子就是使其重复规律突出表现出就是使其重复规律突出表现出就是使其重复规律突出表现出就是使其重复规律突
9、出表现出来。来。来。来。空间格子仅仅是一个体现晶体结构中的周期重复规律的空间格子仅仅是一个体现晶体结构中的周期重复规律的空间格子仅仅是一个体现晶体结构中的周期重复规律的空间格子仅仅是一个体现晶体结构中的周期重复规律的几何图形，比具体晶体结构要简单的多几何图形，比具体晶体结构要简单的多几何图形，比具体晶体结构要简单的多几何图形，比具体晶体结构要简单的多。本讲稿第十二页，共三十七页2.空间格子的要素：（1 1）结点：）结点：是空间格子中的点是空间格子中的点，它们，它们代代表晶体表晶体结构中的相当点结构中的相当点。在。在实际晶体实际晶体中中,结点的位置一定结点的位置一定由同种质点所占据。在空间格子中
10、，它们只有几由同种质点所占据。在空间格子中，它们只有几何意义，为几何点。何意义，为几何点。本讲稿第十三页，共三十七页（2 2）行列：）行列：结点在直线上的排列构成行列。结点在直线上的排列构成行列。空间空间格子中任意两个结点联结起来就是一条行列的方向。格子中任意两个结点联结起来就是一条行列的方向。在在同一行列中同一行列中结点间距是相等的，在结点间距是相等的，在平行的行列上平行的行列上结点间距也是相等的；结点间距也是相等的；不同方向的行列不同方向的行列，其结点间，其结点间距一般是不等的。距一般是不等的。空间格子中的行列本讲稿第十四页，共三十七页（3 3）面网：）面网：结点在平面上的分布构成面网。结
11、点在平面上的分布构成面网。n n空间格子中不在同一行列上的任意三个结点就可以联结成空间格子中不在同一行列上的任意三个结点就可以联结成一个面网，即任意两个相交的行列就可以决定一个面网。一个面网，即任意两个相交的行列就可以决定一个面网。n n面网上单位面积内结点密度称为面网上单位面积内结点密度称为面网密度面网密度。n n相互平行的面网相互平行的面网，面网密度相同，面网密度相同，面网间距（面网间距（两相邻面网两相邻面网间的垂直距）也必定相等；间的垂直距）也必定相等；n n互不平行的面网互不平行的面网互不平行的面网互不平行的面网，面网密度，面网密度及面网间距一般不同。及面网间距一般不同。空空间间格格子
12、子中中的的面面网网本讲稿第十五页，共三十七页面网密度与与面网间距之间关系的示意图之间关系的示意图1234结论：结论：面网密度面网密度大的面网其大的面网其面网间距面网间距也大，反之，密度也大，反之，密度小，间距也小。小，间距也小。本讲稿第十六页，共三十七页（4 4）平行六面体：）平行六面体：是空间格子中所划分出的最小是空间格子中所划分出的最小重复单位重复单位。它由六个两两平行而且相等的面组成。它由六个两两平行而且相等的面组成。n n实际晶体结构中实际晶体结构中所划分出的这种最小重复单位所划分出的这种最小重复单位,称为称为晶胞晶胞。n n整个整个晶体结构晶体结构可视为可视为晶胞晶胞在三维空间平行地
13、、在三维空间平行地、毫无间隙地重复累叠而成。毫无间隙地重复累叠而成。n n晶胞的形态和大小晶胞的形态和大小取决于取决于晶胞参数（晶胞参数（a a、b b、c c；、，也称为，也称为轴长轴长和和轴角）轴角）。本讲稿第十七页，共三十七页平行六面体平行六面体空间格子空间格子返回本讲稿第十八页，共三十七页 平行六面体可具有各种不同的形状，各种形状的平行六面体可具有各种不同的形状，各种形状的平行六面体可具有各种不同的形状，各种形状的平行六面体可具有各种不同的形状，各种形状的平行六面体的晶胞参数怎么样？平行六面体的晶胞参数怎么样？平行六面体的晶胞参数怎么样？平行六面体的晶胞参数怎么样？我们以后将会看到，平
14、行六面体的形状一共有我们以后将会看到，平行六面体的形状一共有我们以后将会看到，平行六面体的形状一共有我们以后将会看到，平行六面体的形状一共有7 7 7 7种，对应有种，对应有种，对应有种，对应有7 7 7 7套晶胞参数套晶胞参数套晶胞参数套晶胞参数的形式，也对应的形式，也对应的形式，也对应的形式，也对应7 7 7 7个晶系个晶系个晶系个晶系。本讲稿第十九页，共三十七页三、晶体的基本性质1、自限性：是指晶体在适当条件下，可以自发地形成几何多是指晶体在适当条件下，可以自发地形成几何多面体外形的性质。面体外形的性质。其表现在其表现在晶体为平的晶体为平的晶面晶面所包围所包围,是格子构造在外形上的直接反
15、映。是格子构造在外形上的直接反映。晶面晶面(晶体表面自发形成的平面晶体表面自发形成的平面)面网面网 晶棱晶棱(两个晶面的交棱）两个晶面的交棱）行列行列角顶角顶(晶棱会聚成尖的角顶晶棱会聚成尖的角顶)结点结点 晶面、晶棱、角顶与面网、行列、结点的关系示意图本讲稿第二十页，共三十七页 晶体的几何多面体形态受格子构造制约，它晶体的几何多面体形态受格子构造制约，它服从于一定的结晶学规律。服从于一定的结晶学规律。2、均一性：是指同一晶体的各个不同部分都具有相同的是指同一晶体的各个不同部分都具有相同的物理性质和化学性质物理性质和化学性质。因为晶体是具有格子构造因为晶体是具有格子构造的固体的固体,在一个晶体
16、的各个不同部分都具有完全在一个晶体的各个不同部分都具有完全相同的格子构造，所以它们所表现出的各项性质相同的格子构造，所以它们所表现出的各项性质也必定完全相同也必定完全相同结晶均一性结晶均一性。本讲稿第二十一页，共三十七页 非晶质体具有统计均一性。因为非晶质体因为非晶质体不具有格子构造（质点排列不具远程规律），非晶不具有格子构造（质点排列不具远程规律），非晶质体的各个不同部分，没有任何两部分的内部结构质体的各个不同部分，没有任何两部分的内部结构是完全相同的，它们所以它们所表现出的各项性质是完全相同的，它们所以它们所表现出的各项性质也只是在统计意义上才是均一的。如玻璃的不同部也只是在统计意义上才是
17、均一的。如玻璃的不同部分折射率等也是相同的。分折射率等也是相同的。本讲稿第二十二页，共三十七页3、异向性（各向异性）：是指晶体的性质随方向不同而有所差异。是指晶体的性质随方向不同而有所差异。因因为同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一为同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，因此沿不同方向观察时，晶体的各项性质将表现样的，因此沿不同方向观察时，晶体的各项性质将表现出差异来。如出差异来。如蓝晶石（二硬石）蓝晶石（二硬石）的硬度，的硬度，随方向的不同而有显著的差别随方向的不同而有显著的差别。平行晶。平行晶体的延长方向体的延长方向AAAA可用小刀刻动，而垂直可用小刀刻动，而垂直晶
18、体的延长方向晶体的延长方向BBBB小刀不能刻动。小刀不能刻动。非晶质体一般具各向同性，而无异向性。非晶质体一般具各向同性，而无异向性。本讲稿第二十三页，共三十七页4、对称性：n n 是指在晶体的外形上,相等的晶面、晶棱和角顶重复出现的性质。晶体的格子构造本身就是质点重复规律的体现。所以一切晶体都是对称的。n n 对称性是晶体极其重要的性质,是晶体分类的基础。本讲稿第二十四页，共三十七页5、最小内能：是指在相同的热力学条件下，晶体与同种物是指在相同的热力学条件下，晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小.内能动能（与物质所处的热力学条件有关
19、，温度越高，质点运动越强，动能也越大，不能用来比较内能的大小。）势能（位能，取决于质点间的距离与排列。势能越大，内能也越大。)本讲稿第二十五页，共三十七页 因为，晶体是具有格子构造的固体，其内部质点是有规律排列的，这种规律的排列是质点间的引力与斥力达到平衡的结果。所以，晶体具有最小内能。对比加热曲线：熔点时间 温度晶体温度时间非晶质体本讲稿第二十六页，共三十七页晶体有固定的熔点，而非晶质体没有固定的熔点。晶体有固定的熔点，而非晶质体没有固定的熔点。6、稳定性：是指在相同的热力学条件下，晶体比具有相同是指在相同的热力学条件下，晶体比具有相同化学成分的非晶质体稳定。化学成分的非晶质体稳定。因为，非
20、晶质体有自因为，非晶质体有自因为，非晶质体有自因为，非晶质体有自发转变为晶体的必然趋势，而晶体决不会自发转发转变为晶体的必然趋势，而晶体决不会自发转发转变为晶体的必然趋势，而晶体决不会自发转发转变为晶体的必然趋势，而晶体决不会自发转变为非晶质体。变为非晶质体。变为非晶质体。变为非晶质体。非晶质体外界能量晶体自发地 晶体的稳定性是晶体具有最小内能的必然结果。晶体本讲稿第二十七页，共三十七页“结晶学”发展历史及分支学科简介：发展历史及分支学科简介：始于始于始于始于1717世纪中叶人类的矿业活动，与天文学一起成为人世纪中叶人类的矿业活动，与天文学一起成为人世纪中叶人类的矿业活动，与天文学一起成为人世
21、纪中叶人类的矿业活动，与天文学一起成为人类自然科学发展最早的两门科学。类自然科学发展最早的两门科学。类自然科学发展最早的两门科学。类自然科学发展最早的两门科学。1717171718181818世纪：世纪：世纪：世纪：以研究晶体形态为主，也初步推测研究晶体内部结构的几何以研究晶体形态为主，也初步推测研究晶体内部结构的几何以研究晶体形态为主，也初步推测研究晶体内部结构的几何以研究晶体形态为主，也初步推测研究晶体内部结构的几何规律；规律；规律；规律；19191919世纪末世纪末世纪末世纪末20202020世纪初：世纪初：世纪初：世纪初：X X射线的发现及其对晶体结构的测量，进入晶射线的发现及其对晶体
22、结构的测量，进入晶射线的发现及其对晶体结构的测量，进入晶射线的发现及其对晶体结构的测量，进入晶体内部结构研究阶段；体内部结构研究阶段；体内部结构研究阶段；体内部结构研究阶段；20202020世纪世纪世纪世纪70707070年代以来：年代以来：年代以来：年代以来：透射电镜研究晶体内部超微结构细节；透射电镜研究晶体内部超微结构细节；透射电镜研究晶体内部超微结构细节；透射电镜研究晶体内部超微结构细节；20202020世纪世纪世纪世纪80808080年代，年代，年代，年代，发现准晶体，开辟了晶体对称理论新领域。发现准晶体，开辟了晶体对称理论新领域。发现准晶体，开辟了晶体对称理论新领域。发现准晶体，开辟
23、了晶体对称理论新领域。本讲稿第二十八页，共三十七页分支学科：分支学科：分支学科：分支学科：几何结晶学几何结晶学几何结晶学几何结晶学研究晶体宏观形态几何规律，主要是对称研究晶体宏观形态几何规律，主要是对称研究晶体宏观形态几何规律，主要是对称研究晶体宏观形态几何规律，主要是对称 规律。规律。规律。规律。晶体结构学晶体结构学晶体结构学晶体结构学研究晶体内部结构几何规律及缺陷。研究晶体内部结构几何规律及缺陷。研究晶体内部结构几何规律及缺陷。研究晶体内部结构几何规律及缺陷。晶体化学晶体化学晶体化学晶体化学研究晶体成分与结构的关系。研究晶体成分与结构的关系。研究晶体成分与结构的关系。研究晶体成分与结构的关
24、系。晶体生长学晶体生长学晶体生长学晶体生长学研究晶体生长机理及其影响因素。研究晶体生长机理及其影响因素。研究晶体生长机理及其影响因素。研究晶体生长机理及其影响因素。晶体物理学晶体物理学晶体物理学晶体物理学研究晶体物理性质及其产生机理。研究晶体物理性质及其产生机理。研究晶体物理性质及其产生机理。研究晶体物理性质及其产生机理。本课程本课程本课程本课程以晶体形态对称规律及晶体内部结构以晶体形态对称规律及晶体内部结构以晶体形态对称规律及晶体内部结构以晶体形态对称规律及晶体内部结构对称规律为主，简介晶体化学与晶体生长。对称规律为主，简介晶体化学与晶体生长。对称规律为主，简介晶体化学与晶体生长。对称规律为
25、主，简介晶体化学与晶体生长。本讲稿第二十九页，共三十七页本章重点（3组重要的基本概念）n n晶体的概念晶体的概念（着重理解晶体内部质点的排列规律（着重理解晶体内部质点的排列规律格格子构造子构造）n n空间格子空间格子（理解和熟记名词、术语，如空间格子、相当（理解和熟记名词、术语，如空间格子、相当点、结点、行列、面网、面网密度与面网间距的关系、点、结点、行列、面网、面网密度与面网间距的关系、结点间距、平行六面体；理解空间格子结点间距、平行六面体；理解空间格子晶体结构）晶体结构）n n晶体的基本性质晶体的基本性质：自限性、均一性、异向性、对称自限性、均一性、异向性、对称性、最小内能、稳定性，并解释
26、为什么。性、最小内能、稳定性，并解释为什么。本讲稿第三十页，共三十七页思考题1.1.什么是晶体？晶体和非晶体有何本质区别？什么是晶体？晶体和非晶体有何本质区别？2.2.现代结晶学有哪几个分支现代结晶学有哪几个分支?3.3.判断下列物质中哪些是晶体，哪些是非晶体？判断下列物质中哪些是晶体，哪些是非晶体？冰糖冰糖 金刚石金刚石 沥青沥青 水晶水晶 玻璃玻璃 水水 空气空气 方解石方解石4.4.面网密度大的面网，其面网间距也大，这种说明对不对？试面网密度大的面网，其面网间距也大，这种说明对不对？试画简图加以定性的说明。画简图加以定性的说明。5.5.晶体和非晶体在内部结构和基本性质上的主要区别是什么？晶体和非晶体在内部结构和基本性质上的主要区别是什么？6.6.为什么晶体具有均一性和异向性？为什么晶体具有均一性和异向性？本讲稿第三十一页，共三十七页晶体（a）与非晶质体（b）结构示意图ab返回本讲稿第三十二页，共三十七页具具十次对称十次对称的准晶体的准晶体具具五次对称五次对称轴长程有序但轴长程有序但无近程有序的图形无近程有序的图形返回本讲稿第三十三页，共三十七页下一张本讲稿第三十四页，共三十七页下一张本讲稿第三十六页，共三十七页返回本讲稿第三十七页，共三十七页