Марфушш А. С. Введение в физику минералов. M.v «Недра», 1974, 328 с.
В книге рассмотрены фундаментальные понятия и представления, характеризующие физическую природу минералов. Освещены теория кристаллического поля, метод молекулярных орбита лей, зонная теория, спектроскопия и химическая связь, оптические спектры поглощения и природа окраски минералов, особенности связи в силикатах и сульфидах.
Книга рассчитана на широкий круг минералогов, геохимиков, петрографов,, химиков-неоргаников, а также может быть использована аспирантами и студентами старших курсов соответствующих специальностей.
Таблиц 50, иллюстраций 136, список литера^ туры — 591 название.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Физика минералов включает фундаментальные разделы понимания природного вещества, начиная со строения атома и его поведения в геохимических процессах, атомного и электронного строения минералов, свойств минералов с их генетическим, геофизическим и техническим значением, механизма явлений и реакций при образовании и превращениях минералов и кончая всем циклом физических методов, применяемых как в минералого-геохимических и рудно-петрографических исследованиях, так и в огромных объемах при поисково-разведочных и геологосъемочных работах.
Физика минералов находится на стыке минералогии, геохимии, петрографии с физикой твердого тела, как геофизика — на стыке физики и геологии, как ядерная геология — на стыке ядерной физики и геологии.
В минералогии с нею связана третья за прошедшие полвека перестройка: после коренных изменений, внесенных физико-химической минералогией (от экспериментальных исследований систем до парагенетического анализа) и кристаллохимией, настала очередь физики твердого тела, сложившейся в современной форме в последние 20—25 лет.
Книга представляет общее введение для всех разделов физики минералов. Существо ее составляют теории твердого тела (теории химической связи), рассматриваемые применительно к минералам*. Это система идей, моделей, частных теорий, формализмов, способов расчета, экспериментальных параметров, определяющих природу минерального вещества. Сюда входят теории кристаллического поля, молекулярных орбиталей и зонная теория. С ними связана смена предпосылок, смена геохимического мировоззрения, сложившегося в работах А. Е. Ферсмана, В. И. Вернадского, В. М. Гольдшмидта и определявшего в течение десятилетий представления о веществе земной коры и подход к его изучению.
Вместо истории атомов с постоянными свойствами (атомными и ионными радиусами, потенциалами ионизации, электроотрицательностями, энергетическими константами) — история самосогласующихся атомов в минералах земной коры, свойства которых изменяются в каждом соединении, описываются
* Дальнейшие разделы физики минералов будут рассмотрена! в книге А. С. Марфу-айна «Спектроскопия, люминесценция и радиационные центры в минералах», подготавливаемой к изданию.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие................................. 3
1. Квантовая теория и строение атомов..................... 6
1.1. Геохимия — история самосогласующихся атомов в минералах Земли ...... 6
1.2. Начала квантовой теории......................... 8
Модель атома по Резерфорду — Бору и три основные начала «старой квантовой теории» (8). Расчет радиуса и энергии орбит атома водорода (10). Строение атома (водорода) и спектры (11). Тонкая структура спектров и развитие квантовой теории; квантовые числа (13).
1.3. Основное уравнение квантовой механики — уравнение Шредингера .:..._. 18 Физические основы (18). Вывод уравнения Шредингера (23)
1.4. Атомные орбитали (решения уравнения Шредингера)............. 29
Физическое значение решений уравнения Шредингера (31). Физическое значение атомных орбиталей (31). Систематика атомных орбиталей по типу s, p, d,
1 (35).
1.5. Орбитальные радиусы (решения уравнения Шредингера)........... 38
О расчетах структур многоэлектронных атомов (38). Орбитальные радиусы
и волновые функции атомов (40)
1.6. Спин электрона..................•............ 43
1.7. Электронные конфигурации и периодическая система элементов........ 45
1.8. Термы и состояния атомов......................... 48
Описание состояний атомов (48). Обозначение состояний атома с помощью термов (51). Вывод термов из электронных конфигураций (51). Схема энергетических уровней и гамильтониан свободного атома и иона (54). Энергии термов
'свободных атомов и ионов (55). Атомная спектроскопия и спектральный анализ минералов, пород, руд; спектроскопия — космохимия — астрофизика (55)
2. Теория кристаллического поля......v.................. 57
2.1. Действие симметрии кристаллического поля на атомные орбитали и термы атомов. 58 Симметрия атомных орбиталей в кристаллическом поле; понятие о характерах
и неприводимых представлениях ( = типах симметрии) (58). Таблицы корреляций типов симметрии в различных точечных группах (69). Правила отбора, связанные с типами симметрии (71)
2.2. Три типа поведения ионов в кристаллическом поле: слабое, среднее и сильное кристаллические поля............................ 75
2.3. Группа железа: расщепление термов кристаллическим полем......... 77
Электронные конфигурации, термы, расщепление кубическим полем (качественные схемы) (77). Параметры кубического кристаллического поля; диаграммы Та-набе — Сугано (81). Расщепления вследствие спин-орбитального взаимодействия, конфигурационной неустойчивости, понижения симметрии (83)
3. Теория молекулярных орбиталей....................... 94
3.1. Введение ................................ 94
3.2. Общая теория химической связи; метод молекулярных орбиталей (МО), метод валентных связей (ВС) . .......................... 98
322
Описание и классификация молекулярных орбит'алей (98). Расчет энергии и коэффициентов молекулярных орбиталей (на примере молекулярного иона HJ) (107). Расчет молекулярных орбиталей октаэдрических и тетраэдрических комплексов переходных и непереходных ионов (115). Метод валентных связей; гибридные атомные орбитали (129). 3.3. Анализ схемы МО: получаемых из нее информация и основные понятия теории
химической связи............................. 134
Общая модель химической связи в методе МО (134). Кулоновские интегралы 36АА в методе МО — потенциалы ионизации — ЭИВС; глубокий смысл самосогласования; алектроотрицательность (135). Коэффициенты ci и анализ заселенности; ионность-ковалентность связи и эффективные заряды; валентность и заряд-ность (148).
4. Зонная теория и спектры отражения минералов............... 152
4.1. Основные понятия и методы зонной теории................. 153
Волновой вектор k в случае свободного электрона (153).-Два приближения зонной теории: слабой связи (почти свободных электронов) и сильной связи (154). Понятие о fc-пространстве и зонах Бриллюэна (156). Классификация орбиталей в кристаллах по типу симметрии (158). Схемы зонного (полосового) строения (161). Заполнение зон; распределение электронов по состояниям; поверхность Ферми (163). О методах расчета зонного строения (163).
4.2. Разбор зонных схем и спектров отражения минералов............ 164
Спектры собственного поглощения и отражения; измеряемые и вычисляемые параметры (165). Структурный тип NaCl—MgO—PbS (167). Структурный тип сфалерита (169). Структурный тип вюртцита (172).
5. Спектроскопия и химическая связь...................... 173
5.1. Общий обзор и параметры спектроскопии твердого тела: мессбауэровской, рентгеновской, оптической, радиоспектроскопии (ЭПР, ЯМР, ЯКР)........ 173
5.2. Основные понятия и параметры химической связи с точки зрения спектроскопии 178
6. Оптические спектры поглощения и природа окраски минералов ........ 184
6.1. Параметры спектров поглощения...................... 184
Единицы измерения энергии оптических переходов (184). Интенсивность поглощения (186). Зависимость от концентрации (188). Спектры диффузного отражения (190).
6.2. Типы оптических спектров поглощения и правила отбора.......... 191
6.3. Описание спектров поглощения ионов группы железа ............ 194
Титан (194). Ванадий (198). Хром (201). Марганец (204). Железо (208). Кобальт (217). Никель (222). Медь (224).
6.4. Природа окраски минералов........................ 226
Типы окраски минералов (227).
7. Структура и химическая связь ....................... 230
7.1. Современные методы описания и расчета химической связи в твердом теле .... 230
7.2. Энергия решетки ионных кристаллов.................... 233
7.3. Решеточные суммы, параметры кристаллического поля, спектроскопические параметры и внутрикристаллическое распределение............. 241
7.4. Атомные и ионные, орбитальные и средние -радиусы............. 248
Ионные радиусы и молекулярные орбитали (249). Системы аддитивных ионных и атомных радиусов (252). Оценка систем аддитивных радиусов (254). Орбитальные радиусы (255). Экспериментальные рентгенографические и электронографические определения размеров атомов (255). ••
8. Химическая связь в отдельных классах п группах минералов (теоретические рас-
четы и экспериментальные параметры)................... 259
8.1. Многообразие аспектов сложного явления химической связи и многосторонние экспериментальные и расчетные возможности, предоставляемые зонной теорией
и -теорией молекулярных орбиталей..................... 259
8.2. Химическая связь в силикатах....................... 262
Описание химической связи в SiOJ~ в рамках рассчитанной схемы молекулярных орбиталей (262). Схема МО SiOJ~no рентгеновским и рентгеноэлектронным спектрам (262). Эффективные заряды Si и А1 в силикатах и алюмосиликатах (264).
Об описании химической связи в силикатах в зонной модели (265). Степень ион-ности-ковалентности связи в катионных полиэдрах по данным сверхтонкой структуры спектров ЭПР (266). Энергии структурных положений, энергии стабилизации и внутрикристаллические поля в силикатах (267). Состояние связи железа в силикатах и внутрикристаллическое распределение в катионных-полиэдрах по
21* 323
мессбауэровским спектрам (269). Химический смысл параметров ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в силикатах (269). Вариации расстояний Si—О и валентных углов Si—О—Si и изменения состояния связи мостиковых и немостиковых кисло-родов (270).
8.3. Химическая связь в сульфидах и близких к ним соединениях........ 272
Многообразие аспектов химической связи в сульфидах и близких соединениях
и теоретические схемы (273). Ширина запрещенной зоны в сульфидах, типы кристаллов и типы оптических переходов; ионность и зонная схема (274). Взаимодействие М—М и М—S—М в сульфидах переходных металлов и связь со свойствами и структурой (277). Состояние Fe (Sn, Аи, Те) в сульфидах по данным мес-сбауэровских спектров (282). Полярность связи и донорно-акцепторные взаимодействия в сульфидах и сульфосолях As, Sb, Bi по данным ЯКР (283). Структурные особенности сульфидов и близких соединений с точки зрения электронного строения (286). Обзор данных по химической связи изученных сульфидных систем (289).
8.4. Особенности химической связи в других классах минералов......'. . . 293
Окислы (293). Соли кислородных кислот (294). Галоиды (294). Межмолекулярные взаимодействия (294). Водородная связь (295).
Предметный указатель.............................. 297
Список литературы .............................. 301
Цена: 300руб.
