Mineralogical Applications of Crystal Field Theory (Cambridge Topics in Mineral Physics and Chemistr pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Cambridge University Press

作者:Roger G. Burns

出品人:

页数:576

译者:

出版时间:2005-08-22

价格:USD 95.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780521017855

丛书系列:

图书标签:

• Crystal Field Theory
• Mineralogy
• Geochemistry
• Solid State Chemistry
• Spectroscopy
• Mineral Physics
• Crystallography
• Transition Metals
• Electronic Structure
• Optical Properties

岩石学与矿物学前沿专题：矿物晶体结构、演化与地球物理性质 本书将深入探讨现代矿物学与岩石学的核心议题，聚焦于构成我们星球的固体物质——矿物的微观结构、宏观聚集态及其在地球深部过程中的动力学行为。全书旨在为研究人员、高年级本科生及研究生提供一个全面、深入且具有前瞻性的知识框架，侧重于从晶体化学角度理解矿物的稳定性和反应性，并将其与地球物理观测结果联系起来。 --- 第一部分：晶体结构基础与矿物化学计量学（Foundations in Crystal Structure and Stoichiometry） 本部分奠定了理解复杂矿物体系的基础，超越了基础晶体学入门知识，深入到结构畸变、化学键合的精细控制及其对宏观性质的影响。 第一章：晶体化学原理的深化理解 本章从基本晶格能理论出发，探讨离子半径比、电荷密度与配位几何之间的相互制约关系。重点分析了波恩-哈伯循环的修正模型在预测复杂硅酸盐和氧化物晶格稳定性中的局限性与应用潜力。我们将详细考察吉尔森（Gillespie）的VSEPR理论在矿物体系中的局限性，转而采用更适合于高压、高配位环境的密度泛函理论（DFT）对键合角度和键长的微调效应。此外，对结构弛豫与相变的理论建模进行梳理，解释为何特定矿物在温度和压力梯度下会发生结构重构，而非简单的体积变化。 第二章：固溶体与化学非化学计量性（Non-stoichiometry） 矿物的现实状态很少是完美的化学计量体。本章核心在于解析点缺陷理论在解释矿物固溶体行为中的关键作用。我们将区分范德维尔（Schottky）缺陷、弗伦克尔（Frenkel）缺陷以及类质同象替代的驱动力。深入研究维格纳-塞茨元胞（Wigner-Seitz Cell）的变形对固溶体边界的约束，并讨论如何利用克拉珀龙（Clapeyron）方程的复杂形式来预测特定组分区间内固溶体的溶解度极限。对铁钛氧化物（如磁铁矿-钛铁矿系列）中氧化还原耦合缺陷（如铁的价态变化导致的氧空位生成）的微观机制进行深入分析。 第三章：晶体对称性、极化性与铁电性 超越基本的点群与空间群分类，本章聚焦于晶体对称性如何直接决定矿物的电学和光学性质。详细阐述了压电效应和热释电效应的本构方程，并将其与特定矿物晶族（如电气石、磷灰石）的结构极性轴联系起来。讨论了铁电性的起源，特别是软模（Soft Modes）在结构相变中的作用，以及如何通过外部电场诱导的畴壁运动来理解矿物的介电响应。 --- 第二部分：矿物动力学、反应性与界面现象（Kinetics, Reactivity, and Interfacial Processes） 本部分关注矿物在地球环境（从地表风化到地幔熔融）中的动态行为，强调反应速率、扩散机制以及固-液/固-固界面的重要性。 第四章：矿物扩散机制与高压扩散动力学 扩散是控制矿物化学演化的核心过程。本章详细分析了大离子（Large Ion）和小离子（Small Ion）在硅酸盐晶格中通过点缺陷进行的扩散路径选择。重点探讨了离子对扩散（Interstitial Pair Diffusion）在高温高压下的主导地位。引入阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程在矿物学中的修正形式，考虑晶格应力对扩散激活能的影响。特别关注地幔矿物（如橄榄石、尖晶石）中氧、硅、镁离子的扩散各向异性，以及这些差异如何塑造地幔的粘滞性和对流模式。 第五章：矿物表面化学与溶解/沉淀速率 矿物表面是地球化学反应的主要场所。本章深入探讨表面结构对反应性的控制，分析不同晶面（如（100）面与（110）面）的原子排列如何影响吸附能和溶解速率。引入能量密度（Eshelby Energy）的概念来量化晶面能的差异。详细讨论酸性溶解机制，包括表面络合物的形成、产物层的钝化作用（Passivation Layer）以及扩散控制的溶解模型。对于水溶液中的成核与生长，讨论劳森（Lawson）-布雷迪（Brady）的成核理论在水热合成和地质沉淀过程中的适用性。 第六章：固态反应与相变动力学 固态反应，如变质过程中的矿物重结晶和反应结核的生成，是地球演化的重要驱动力。本章侧重于成核与生长理论在固态系统中的应用。分析界面能与应变能在驱动固-固相变中的协同作用。深入研究沃尔布朗（Walther-Brown）机制在复杂硅酸盐（如云母向石榴石的转变）中的适用性，并讨论反应动力学受扩散控制与界面控制之间的转换点。高压下，如橄榄石向尖晶石结构的相变，其形变机制（如孪晶与位错滑移）如何影响反应速率的温度依赖性。 --- 第三部分：结构对地球物理性质的影响（Structural Control on Geophysical Properties） 本部分将理论矿物结构与宏观的地球物理观测数据（地震波速、电导率、热导率）建立精确联系。 第七章：晶体结构与地震波速度的各向异性 地震学观测到的速度各向异性是理解地幔流变学和构造历史的关键窗口。本章核心在于建立弹性张量（Elastic Tensor）与晶体学对称性之间的精确映射关系。详细分析了单晶体弹性模量（Voigt and Reuss averages）如何通过特定的取向分布函数（ODF）转化为多晶体的有效模量。针对地幔中普遍存在的橄榄石织构，探讨了其对P波和S波速度劈裂（Splitting）的贡献，并讨论了高压下不同多晶体组构（如“着色”结构）对速度的影响。 第八章：离子迁移率与矿物的电导率 矿物的电导率是理解深部地球导电性的基础。本章侧重于通过点缺陷的迁移率来解释高温下的电导机制。深入分析了位错辅助的离子迁移（Dislocation-Enhanced Transport）在应力岩石中的重要性，这通常比纯晶格扩散更有效。讨论了在含水或富挥发分的体系中，质子（H+）导电性如何主导电导，并将其与地幔过渡带含水量估计联系起来。 第九章：热力学稳定性与地球深部相图构建 本章旨在整合结构、化学与环境参数，构建精确的矿物相图。核心方法论包括晶格振动模型（如德拜模型和量子修正）对定压热容的计算，以及兰道（Landau）理论在理解一级和二级相变中的应用。讨论了吉布斯自由能最小化原理在预测多组分、多压力下的相平衡点（如橄榄石-尖晶石-钙钛矿的三相点）中的实际操作。重点分析了体积效应（Pressure Effect）如何通过矿物的晶格压缩（用拜尔-格吕内森（Birch-Murnaghan）方程描述）来校准相变压力。 --- 本书的特色在于其跨学科的整合性，它不仅详述了矿物的晶体结构与化学，更着重于这些微观特征如何通过动力学过程（扩散、反应）最终决定了地球深部物质的宏观物理属性，为地球物理学家和材料科学家提供了坚实的矿物物理化学基础。

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我一直坚信，科学的魅力在于将看似孤立的现象联系起来，并从中发现普适的规律。这本书的书名《Mineralogical Applications of Crystal Field Theory》恰恰体现了这种精神。我对于书中可能涉及的“矿物的功能化”（mineral functionalization）和“矿物基材料”（mineral-based materials）的应用领域非常感兴趣。随着科技的发展，人们越来越关注如何利用天然矿物材料的特殊性质来开发新的功能材料，例如在催化、储能、传感器或光电转换等领域。晶体场理论能够帮助我们理解和调控矿物中的过渡金属离子，从而赋予它们特定的功能。例如，某些过渡金属氧化物矿物，由于其特殊的电子结构，可能表现出优异的导电性或催化活性。书中是否会探讨，如何通过改变矿物的晶体场环境（例如通过掺杂、退火或表面改性）来优化其功能性质？我期待书中能提供一些具体的案例，展示晶体场理论在设计和开发新型矿物基功能材料中的指导作用。这种将基础理论与前沿应用相结合的视角，对我来说具有非常重要的学习意义，能够激励我去探索矿物学更广阔的应用前景。

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我一直认为，真正理解矿物的行为，需要深入到它们最基本的组成部分——原子和电子。这本书的出现，正好提供了一个绝佳的机会，让我能够从这个角度来审视矿物世界。我对书中关于“配位化合物”（coordination compounds）在矿物学中的类比和应用非常感兴趣。许多矿物，特别是含水矿物或含有复杂阴离子的矿物，其结构中常常包含着由金属离子和氧、羟基、碳酸根等配位基团组成的八面体或四面体单元。晶体场理论最初就是为解释这些配位化合物的电子结构和光谱性质而发展起来的，那么它在复杂的矿物体系中能够提供哪些洞察？例如，在某些粘土矿物（Clay Minerals）中，铝、镁、铁等离子可能存在于八面体层或四面体层中，它们的电子结构如何影响粘土矿物的吸附性能、离子交换能力以及表面催化活性？书中是否会提供一些量化的分析，例如如何计算这些离子在不同配位环境下的晶体场稳定化能（Crystal Field Stabilization Energy, CFSE），以及CFSE如何影响矿物的结构稳定性和热力学性质？这些信息对于理解土壤科学、地质化学以及材料科学等领域都具有重要意义。

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我一直对矿物学中那些看似微不足道的细节如何影响宏观性质感到着迷，而这本书似乎正是解答这些疑问的钥匙。作者在阐述晶体场理论时，是否也提及了“低维矿物”（low-dimensional minerals）或“层状矿物”（layered minerals）的特殊情况？例如，在云母（Mica）和蛇纹石（Serpentine）这类层状硅酸盐矿物中，过渡金属离子可能存在于特殊的八面体层或四面体层中，其配位环境可能与块状矿物有所不同。这种差异是否会导致显著的晶体场效应，从而影响它们的颜色、介电性能或催化活性？我尤其好奇书中是否会涉及“空间群”（space groups）和“对称性”（symmetry）在晶体场理论应用中的重要性。矿物的晶体结构决定了其对称性，而对称性又直接影响了电子能级的简并度和分裂方式。对于那些低对称性的矿物，它们的晶体场分裂可能更加复杂，但同时也提供了更多信息。书中是否会提供一些实例，展示如何根据矿物的晶体结构信息，推导出其电子能级图，并预测其光谱或磁学性质？这种将抽象的群论概念与具体的矿物性质联系起来的讲解方式，对我来说具有极大的启发意义。

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这本书的书名本身就极具吸引力，将“晶体场理论”这个在化学领域有着重要地位的概念，与“矿物学应用”这一更为具体的学科相结合，仿佛打开了一扇通往全新理解的大门。我在阅读过程中，特别留意到作者是如何将理论的抽象性与矿物的具体实例巧妙地融合在一起的。例如，书中关于“配体场理论”（Ligand Field Theory）的阐述，以及它如何修正和完善了简单的晶体场理论，对于理解过渡金属离子在复杂的矿物晶体结构中的行为至关重要。我曾经在学习辉石和角闪石族矿物时，对它们晶体结构中不同八面体空隙（M1, M2）对金属离子配位环境的影响感到困惑，书中是否会详细分析这些几何差异如何导致不同的晶体场分裂能（Δ）和能级排列，从而影响到它们的X射线衍射峰位和光学吸收光谱？此外，我还对书中可能涉及的“ Jahn-Teller效应”在某些特定矿物（如某些铜、锰矿物）中的表现感到好奇，这种效应如何导致晶体结构的畸变，进而影响到矿物的物理性质？这本书的价值在于，它不仅仅是理论的罗列，更是理论在解释真实世界矿物现象中的强大应用范例，这对于我这样的学生来说，无疑是宝贵的学习资源，能够帮助我建立起坚实的理论基础和解决实际问题的能力。

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这本书的封面设计就有一种引人入胜的魔力，深邃的蓝色背景搭配着抽象的晶体结构图案，瞬间就能抓住那些对矿物世界充满好奇的读者。我一直对矿物学抱有浓厚的兴趣，尤其是在探索它们内在奥秘的过程中，总觉得隐藏着许多未知的理论和模型。当我在书店里看到这本《Mineralogical Applications of Crystal Field Theory》时，一种强烈的预感告诉我，这可能就是我一直在寻找的那把钥匙。我并没有立刻购买，而是花了很多时间仔细翻阅，从目录到章节标题，再到一些随机挑选的段落，都让我感受到作者在材料科学和地球科学交叉领域深厚的功底。书中提及的“晶体场理论”这个概念，对我来说既熟悉又陌生，熟悉是因为我在一些基础的化学课程中接触过，但陌生是因为我从未将其与矿物学的具体应用联系起来。这本书似乎就是一座桥梁，连接了我对微观粒子行为的理解和宏观矿物性质的认识。我尤其期待书中能够深入剖析诸如过渡金属离子在矿物晶体中的电子结构如何影响其光学性质、磁性以及催化活性等关键问题。而且，它作为“Cambridge Topics in Mineral Physics and Chemistry”系列的一员，本身就代表着一种学术的严谨性和前沿性，这让我对书中内容的质量和深度充满了信心。我相信，通过阅读这本书，我不仅能巩固和拓展我在矿物学方面的知识，更能理解到物理化学原理在解释自然现象中的强大力量，从而获得一种全新的视角来审视我们周围的岩石和矿物。

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这本书的吸引力在于它提供了一个强大的理论框架，能够解释矿物世界中许多看似复杂和难以理解的现象。我对于书中关于“颜色”（color）和“光学性质”（optical properties）的讨论尤其感兴趣。很多矿物的颜色，比如绿松石的蓝绿、孔雀石的翠绿，以及许多宝石的绚丽色彩，都与其中微量过渡金属离子的电子跃迁密切相关。晶体场理论正是解释这些光学现象的基石。我期待书中能够详细阐述，例如铜离子（Cu²⁺）在四方或八面体配位环境下的d-d跃迁如何产生特定颜色的吸收峰，以及这些吸收峰的位置和强度如何受到配体场强度的影响。此外，书中对于“磁性”（magnetic properties）的讨论也让我非常着迷。像磁铁矿（Magnetite）和铬铁矿（Chromite）这类矿物，它们的磁性行为与其中铁、铬等金属离子的电子自旋排布和交换作用密切相关。晶体场理论能否解释这些矿物中的反铁磁性（antiferromagnetism）或铁磁性（ferromagnetism）？书中是否会提供一些实例，展示如何利用磁学测量（如磁化率测量）来推断矿物中的电子构型和配位环境？这本书为我提供了一种从微观电子层面理解矿物宏观物理性质的途径，这对我而言是极其宝贵的。

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这本书的书名《Mineralogical Applications of Crystal Field Theory》本身就预示着一种深度和广度，将一个基础的物理化学理论与一个庞大而复杂的学科——矿物学——紧密结合。我对手书中关于“缺陷”（defects）和“杂质”（impurities）在矿物中的影响非常感兴趣。在真实的矿物晶体中，完全理想的结构是罕见的，通常会存在各种类型的点缺陷、线缺陷或层错。当过渡金属离子作为杂质进入晶格时，它们所处的局部环境可能与主晶格中的金属离子有所不同，这会如何影响其晶体场分裂能和光谱性质？例如，在石英（Quartz）中，痕量的Al³⁺杂质通常会取代Si⁴⁺，而为了电荷平衡，附近可能会伴随一个碱金属阳离子（如Na⁺或K⁺）。这种“杂质-补偿离子”对的形成，是否会改变Al³⁺的配位环境，从而影响石英的光学性质，甚至使其在特定波长下发光？书中是否会提供一些案例，说明如何利用晶体场理论来解释和量化这些微量元素对矿物功能性质的影响？这对于理解宝石的色心、矿物的辐射敏感性以及某些催化性能都至关重要。

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我一直认为，理解矿物的内在属性，需要超越简单的化学成分和晶体结构描述，而深入到它们原子尺度上的电子行为。这本书的出现，正好填补了我在这一领域的知识空白。特别是书中关于“自旋状态”（spin state）在解释矿物相变和物理性质变化中的作用，引起了我极大的兴趣。我曾在文献中读到过关于铁元素在高温高压下可能发生自旋交叉（spin crossover）现象，这不仅会改变其磁性，甚至可能影响到矿物的结构稳定性。这本书是否会详细探讨这种现象在地幔矿物（如铁镁矿、石榴石）中的具体表现，以及它对地球动力学过程的潜在影响？此外，我对书中可能包含的“光谱学方法”（Spectroscopic Methods）在应用晶体场理论来分析矿物方面的介绍也充满期待，例如，如何通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis Spectroscopy）、拉曼光谱（Raman Spectroscopy）或红外光谱（IR Spectroscopy）来识别矿物中的特定金属离子，并推断其配位环境和价态？这些技术不仅在实验室研究中至关重要，在野外勘探和矿物鉴定中也具有重要的应用价值。这本书如果能提供相关的实验案例和数据分析指南，那将是我学习道路上的一大助力。

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这本书的选题非常有前瞻性，将“晶体场理论”这一在现代科学中依然保持活力的理论，与“矿物学”这个古老而又不断发展的学科相结合，必定能碰撞出智慧的火花。我对于书中关于“光谱学与矿物学”的交叉研究方向感到特别兴奋。很多现代矿物学研究都依赖于各种先进的光谱技术，例如X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）以及同步辐射光源支持下的各种光谱分析。晶体场理论为解释这些谱学数据提供了必要的理论基础。书中是否会详细介绍，如何利用这些技术来探测矿物表面的化学状态、价态分布和电子结构？例如，对于一些风化或蚀变作用下的矿物，其表面成分和结构可能与内部发生显著变化，晶体场理论是否能帮助我们理解这些变化背后的电子过程？此外，我还对书中可能提及的“计算矿物学”（Computational Mineralogy）方法感到好奇。通过密度泛函理论（DFT）等第一性原理计算，结合晶体场理论的理念，是否能够更精确地预测和分析矿物的性质？这本书如果能提供一些具体的计算实例或与实验数据进行对比分析，那将极大地提升其学术价值和实用性。

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翻开这本书，首先映入眼帘的是清晰的排版和严谨的学术风格，虽然我对晶体场理论的某些方面还不是特别熟悉，但这并没有阻碍我被书中内容的深度和广度所吸引。作者似乎非常有条理地从晶体场理论的基本概念讲起，逐步深入到其在各种矿物体系中的具体应用。我特别关注到书中关于铁、锰、铬等常见过渡金属离子在不同配位环境下的电子构型和光谱性质的讨论。这些元素在很多重要矿物中都扮演着关键角色，它们的价态变化和电子能级跃迁直接影响着矿物的颜色、磁性，甚至在高温高压下的相变行为。我曾经在学习某些变质岩时，对岩石中矿物的颜色变化感到困惑，例如石榴石的红色、辉石的绿色，以及角闪石的暗色，书中对这些现象的解释，是否能通过晶体场理论提供一个统一的框架？我期待着书中能够提供详细的计算方法和实验数据支持，例如通过X射线吸收光谱（XAS）或电子顺磁共振（EPR）等技术来验证理论模型的准确性。同时，我也对书中关于“低自旋”和“高自旋”状态在解释矿物晶体中电子行为方面的重要性感到好奇，这是否与它们在地球深部环境下的稳定性息息相关？这本书的出现，让我有机会将那些抽象的物理化学原理与我所熟悉的矿物标本一一对应，这是一种非常令人兴奋的学习体验。

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