晶體是具有格子構造的固體，其內部質點（原子、離子或分子）都作規律排列。以下圖為例，為一個單位晶胞（cell），在晶體材料中原子的排列是由這樣一個單位晶胞呈週期性排列而產生的，８個頂角上的原子各在unit cell 中佔有1/8個原子權重，故總和為１顆原子；而6個面心上每個原子佔了1/2個原子權重，故總和為３顆原子，習慣上我們會採用這樣的原則來描述unit cell 中的原子總數。
而這六個參數即為晶格參數，結晶學家將晶格歸類成七大晶系14種Bravais晶格，以下將介紹七大晶系 (Seven Crystal Systems)。這七大晶系是根據晶體的三個基本晶軸（a、b、c）的相對長度和它們之間的夾角（α、β、γ）來定義的。這七種晶系包含了所有已知的結晶結構，從最對稱的等軸晶系到最不對稱的三斜晶系。
晶體結構 (Crystal Structure)
指晶體材料中原子、離子或分子在三維空間中呈現有規律、重複排列的方式。它是礦物的基本屬性，就像建築物的骨架一樣，決定了礦物絕大部分的物理和化學性質。
與無定形物質（如玻璃或蛋白石）不同，晶體內部具有一種稱為晶格 (Crystal Lattice) 的有序排列模式。這種模式由一個最小的重複單元——晶胞 (Unit Cell)——在空間中不斷平移複製而構成。
晶體結構的組成要素
晶體結構可以理解為由兩部分組成：
晶格 (Lattice)： 晶格是一個抽象的、無限的點陣，這些點在三維空間中呈週期性排列。它定義了晶體中原子排列的重複模式。根據晶格點的排列方式，可以分為 14 種布拉菲晶格 (Bravais Lattices)。
基元 (Basis / Motif)： 基元是位於每個晶格點上的一組原子、離子或分子。這個基元在每個晶格點上的排列和數量都是相同的。
晶體結構 = 晶格 + 基元
這意味著，即使晶格相同，如果基元不同，也會形成不同的晶體結構。
晶體結構的分類：七大晶系
這七大晶系分別是：
- 立方/等軸晶系 (Cubic System / Isometric System)：
- 晶軸特點：
三個晶軸互相垂直，且長度相等 (a=b=c, α=β=γ=90°)。
- 特徵：
具有高度對稱性。
- 常見礦物：
石榴石、黃鐵礦、螢石、尖晶石、鑽石。
- 正/四方晶系 (Tetragonal System)：
- 晶軸特點：
三個晶軸互相垂直，其中兩個晶軸長度相等，第三個晶軸長度不同 (a=b≠c, α=β=γ=90°)。
- 特徵：
具有四重對稱軸。
- 常見礦物：
鋯石、金紅石、黃銅礦。
- 六方晶系 (Hexagonal System)：
- 晶軸特點：
有三根相等的水平晶軸，互相夾 120°，第四根垂直於這三根，長度不同（a1=a2=a3≠c，三軸夾 120°，c 軸與其他三軸垂直）。
- 特徵：
具有六重對稱軸。
- 常見礦物：
綠柱石（祖母綠、海藍寶）、石英（水晶、紫水晶、黃水晶）、冰洲石（方解石的一種光學品種）、方解石（注：方解石有時也被歸類為三方晶系，但這兩者關係密切，三方晶系可看作六方晶系的一個子分類）。
- 三方晶系 (Trigonal System)：
- 晶軸特點：
通常被視為六方晶系的一個子類，具有三重對稱軸，但與六方晶系在對稱元素上有所區別。其晶軸關係與六方晶系相同，但晶體形態和對稱元素限制更嚴格。
- 特徵：
具有三重對稱軸。
- 常見礦物：
石英（最典型的代表）、方解石、電氣石、赤鐵礦、菱錳礦、菱鎂礦、菱鋅礦。
5. 菱方晶系 (Rhombohedral System)
也稱為三方晶系 (Trigonal System)，是七大晶系之一。它是根據晶體內部原子排列的對稱性來劃分的，具有一個獨特的三重對稱軸。雖然在某些較老的分類或簡化表示中，三方晶系會被歸類為六方晶系的一個子類，因為它們在晶軸關係上有很多相似之處。然而，現代礦物學和晶體學普遍將三方晶系視為一個獨立的晶系，因為它在對稱元素上（尤其缺乏六方晶系特有的六重對稱軸）與六方晶系有本質的區別。
晶軸特點：菱方晶系晶體的晶軸：
- 三個晶軸長度相等： a=b=c
- 三個晶軸之間的夾角相等且不等於 90°： α=β=γ=90°
- 具有一個三重對稱軸： 這是菱方晶系最主要的特徵，表示晶體繞著這個軸旋轉 120 度（360°/3）後，其外觀會重複。
這種獨特的晶軸關係和對稱性，使得菱方晶系晶體常形成一些特殊的幾何形狀。
菱方晶系的主要特徵
- 三重對稱軸： 所有菱方晶系的晶體都必須包含至少一個三重對稱軸。這個軸通常是晶體的主軸（c軸）。
- 常見晶形：
- 菱面體 (Rhombohedron)： 這是菱方晶系最典型的晶形，形狀類似被擠壓或拉長的立方體，其各個面都是菱形。例如方解石的解理塊就是完美的菱面體。
- 六方稜柱與菱面體結合： 許多菱方晶系的礦物，如石英，會呈現六方稜柱（由六個長方形晶面組成）和頂部（或底部）的金字塔狀菱面體（由菱形晶面組成）結合的形態。
- 完美解理： 許多菱方晶系的礦物（尤其是碳酸鹽礦物）都具有完美的菱面體解理，這意味著它們在受到敲擊時，會沿著特定的晶面方向裂開成小的菱形塊。
菱方晶系的常見礦物
許多重要的礦物都屬於菱方晶系，包括：
- 石英 (Quartz)：這是最著名的菱方晶系礦物，包括白水晶、紫水晶、黃水晶、茶晶、煙晶、粉晶等。它們通常以六方稜柱體和六方雙錐體（或菱面體）結合的形式出現。
- 方解石 (Calcite)：化學成分為碳酸鈣 (CaCO3)。方解石是菱方晶系中最典型的代表，以其完美的菱面體解理和普遍存在而聞名，黃方解石就是其中一種。
- 白雲石 (Dolomite)：化學成分為鈣鎂碳酸鹽 (CaMg(CO3)2)。與方解石類似，也常形成菱面體晶體。
- 菱錳礦 (Rhodochrosite)：化學成分為碳酸錳 (MnCO3)。以其美麗的玫瑰粉色到紅色而著稱，紅紋石就是它的別稱。
- 菱鎂礦 (Magnesite)：化學成分為碳酸鎂 (MgCO3)。通常為白色或灰色，是提煉鎂的重要礦石。
- 菱鋅礦 (Smithsonite)：化學成分為碳酸鋅 (ZnCO3)。以其多樣的色彩和葡萄狀集合體而聞名。
- 赤鐵礦 (Hematite)：化學成分為氧化鐵 (Fe2O3)。有時會形成菱面體晶體，但更多見的是腎狀、塊狀等慣態。
- 電氣石 (Tourmaline)：雖然電氣石的晶體形態常呈柱狀，但其晶體結構屬於三方晶系。
菱方晶系的重要性
· 礦物鑑定： 了解礦物的晶系特徵是礦物鑑定的基礎之一。菱方晶系的獨特對稱性和常見晶形有助於識別礦物。
· 工業應用： 許多菱方晶系的礦物在工業上具有重要應用，如石英用於電子產品和光學儀器，方解石用於水泥、建材等。
· 寶石與收藏： 許多菱方晶系的礦物，如石英家族的寶石和菱錳礦，因其美觀而受到寶石愛好者和收藏家的追捧。
- 斜方晶系 (Orthorhombic System)：
- 晶軸特點：
三個晶軸互相垂直，但長度均不相等 (a≠b≠c, α=β=γ=90°)。
- 特徵：
具有多個二重對稱軸。
- 常見礦物：
黃玉、橄欖石、直閃石、硫磺、葡萄石、白鉛礦。
- 單斜晶系 (Monoclinic System)：
- 晶軸特點：
三個晶軸長度均不相等，其中兩根晶軸互相垂直，第三根晶軸傾斜於其中一根（a≠b≠c，α=γ=90°≠β）。
- 特徵：
只有一個二重對稱軸或一個對稱面。
- 常見礦物：
正長石、透輝石、角閃石、石膏、輝石、藍銅礦、孔雀石。
- 三斜晶系 (Triclinic System)：
- 晶軸特點：
三個晶軸長度均不相等，且晶軸之間的夾角也均不相等 (a≠ b≠c, α≠β≠γ≠90°)。
- 特徵：
對稱性最低，僅具有中心對稱。
- 常見礦物：
斜長石（如拉長石、月光石）、藍晶石、綠松石。
影響晶體結構的因素
晶體在形成過程中，其結構會受到多種因素的影響：
化學成分： 這是最基本的決定因素，不同原子之間的鍵合方式和原子大小決定了它們如何排列。
溫度和壓力： 不同的溫壓條件會導致相同的化學成分形成不同的晶體結構，這種現象稱為同質異形 (Polymorphism)。例如，碳在高溫高壓下形成鑽石，而在常溫常壓下形成石墨，兩者化學成分相同但晶體結構截然不同。
生長環境： 溶液的濃度、雜質的存在、生長速度、以及可利用的空間等外部因素，雖然不改變晶體的根本結構，但會影響晶體的發育程度和外觀慣態。
晶體結構的重要性
晶體結構是礦物學研究的核心，它對礦物的性質具有決定性的影響：
物理性質：
硬度 (Hardness)： 原子間鍵合的強度和排列方式決定了礦物的硬度。例如，鑽石的極高硬度歸因於其碳原子之間強大的共價鍵和緊密的立方結構。
解理 (Cleavage)： 晶體結構中存在原子鍵合較弱的平面，礦物就會沿這些平面裂開，形成解理。雲母的片狀解理就是因為其層狀結構。
光學性質： 如折射率、雙折射、顏色、光澤等都與晶體結構中電子如何與光相互作用有關。
比重 (Density)： 原子的排列密度直接影響礦物的比重。
化學性質：
溶解度： 晶體結構的穩定性影響礦物在化學溶劑中的溶解難易程度。
反應活性： 晶體表面原子的排列方式和鍵合狀態會影響其化學反應活性。
地質過程：
礦物穩定性： 礦物在不同溫壓條件下的穩定性由其晶體結構決定，這對於理解地殼深處的變質作用和岩漿作用至關重要。
風化作用： 晶體結構中較弱的鍵合或裂隙可能成為風化的起始點。
技術應用： 許多礦物的晶體結構使其具有獨特的電學、磁學或光學特性，從而在電子、通訊、珠寶等領域得到應用（例如石英的壓電性）。
簡而言之，晶體結構是礦物的「DNA」，它不僅解釋了礦物為何會有特定的外觀形狀，更決定了它們在自然界中的行為以及人類如何利用它們。
沒有留言:
張貼留言