叶大年，中国科学院院士，现任中国科学院地质研究所研究员。广东省鹤山市人，1939年7月生于香港。1962年毕业于北京地质学院（现中国地质大学）地质系岩石学及矿物学专业。同年考上了中国科学院地质研究所研究生，研究矿物晶体结构，1966年毕业并留该所工作至今。先后从事结构性矿物学、造岩矿物学、X射线粉末分析、工艺岩石学和矿物材料科学研究。曾获全国科学大会奖、中国科学院自然科学奖和国家科学计数进步奖多项。

    1870年偏光显微镜被引入矿物学研究，随之又建立了油浸折射率测定法，1889年费多洛夫发明了二轴旋转台，1929年艾姆士将旋转台改进为五轴旋转台，致使矿物学家可以测量完整的光学数据，资料大量的积累，形成了矿物学的一个分支学科——光性矿物学。光性矿物学已经是地质学家（特别是矿物学家和岩石学家）以及材料科学家的必修课程。1895年伦琴发现X射线，1912年劳埃发现晶体对X射线的衍射现象。此后成千上万的晶体结构被物理学家、化学家和矿物学家用X射线分析出来，从而使人们对晶体内部原子的排列形式有了明确的认识，晶体化学、晶体物理学等新学科也就应运而生。

    晶体（矿物）的光学性质与成分和结构之间究竟有什么关系呢？自然就成了20世纪20年代、30年代的热点问题。1922年著名的岩石矿物学家尼格里就指出：“总有一天人们可以从晶体的化学成分和结构计算出它的光学性质来，这一项基础性的工作，希望物理学家、化学家和矿物学家来一个竞赛，看谁先解决这个问题。”1924年著名的晶体光学家布拉格成功地应用电场理论计算出方解石和文石的主折射率。1931年晶体物理学家伍斯特总结出晶体重折射率和光符与结构定性关系的六条定性法则。化学家们，如法物斯学派，约厾—波基—巴查洛夫学派开展了折射度加和性与化合物结构关系的研究。1921年矿物学家拉尔森首次将格拉斯顿—代尔折射度的概念引入矿物学，并给出一系列组分的格拉斯顿经验常数，从而使矿物平均折射率计算变得十分简单。这个经典问题似乎已经解决了，无论是物理学，化学还是矿物学教科书中都把上述例子反复引用。很长一段时间，这个问题竟然被“遗忘”了，问津者寥寥无几。

    叶大年还在大学二年级时就注意到专业基础课光性矿物学竟然只是一堆枯燥的数据，几乎没有什么理论可讲，他苦苦地思索：为什么一门起源于物理学的“技术学科”居然没有自己的理论呢？不可能，绝对不可能，必定有很多规律还没有被人认识。他就暗暗下决心，一定要探索矿物光学性质与结构之间的关系。学校里著名的岩石学家池际尚教授和著名的矿物学家彭志忠教授非常支持他的想法。在他们的推荐下，叶大年报考了中国科学院地质研究所何作霖教授（著名光性矿物学家）的研究生。在地质所的学习和工作中得到何作霖教授和涂光炽教授的教导和鼓励，为这个目标奋斗了整整25年，终于揭示出一个个定量或定性的规律，他把这个领域称之为结构光性矿物学。1988年，他出版了世界上第一本结构光性矿物学专著。

    1921年，美国光性矿物学家拉尔森首次将适合于溶液的Gladstone－Dale公式引入到矿物学中，即

    n矿物平均折射率，d密度，k格拉斯顿常数，ki和pi分别是组分i在矿物中的格拉斯顿常数和重量百分数。

    拉尔森给出一系列组分的k值，从此矿物学家很容易从成分和密度计算矿物的平均折射率。究竟格拉斯顿常数与什么有关呢？一直没有找到定量的规律。叶大年把以化合物形式给出的格拉斯顿常数分解为离子的格拉斯顿常数（即离于折射度GDIR值），给出一张离子的GDIR值表。从那张表可分析离子折射度与离子的电子构型和元素在周期表中的位置的关系，得出了如下规律性：

    （1）各主族元素的离子折射度与原子序呈严格的线性关系，如Li＋、Na+、K+、Rb+、Cs+的GDIR=2.654＋0.2195N（N原子序），r＝0.983；Be+2、Mg+2、Ca+2、Sr+2、Ba+2的 GDIR＝3.25＋0.254N，r=0.974等等，相关系数都大于0.97。

    （2）从GDIR值的图与表可以看到镧系收缩的影响。

    （3）过渡元素的二价离子，其离子折射度与轨道的电子数呈“双驼峰”关系。3d0，3d5和3d10的离子有相对低的折射度。用晶体场理论可以很好地解释这一点。

    （4）三价稀土离子折射度与4f轨道电子数呈反线性相关，反映了镧系收缩和电子屏蔽效应的影响。而且明显地区分为轻稀土和重稀土两个亚族。并且可以从稀土离子折射度和离子半径变化的规律性证明，复合稀土化合物与单稀土化合物有几乎相同的折射率。

    （5）Ti+4，Nb+5和W+6有异常高的折射度，它们的价电子分别是4s23d2，5s24d3和6s25d4。

    叶大年注意到地壳中丰度最高的氧、硅、铝、镁、钠、磷、硫、氯和氟离子有1s22s22p6的电子构型（即氖型），他把全由氖型离子组成的化合物称为氖型离子化合物。这类化合物有50多个，它们有一个特点，即折射率与密度呈线性关系，而与成分和结构无关。

    其中硅酸盐，磷酸盐和氧化物

    n=1+0.204d （3）

    硫酸盐和高氯酸盐

    n＝1＋0.188d （4）

    氟化物

    n＝1＋0.116d （5）

    并且以（3）～（5）为依据修正了Na2O，Al2O3，P2O5的格拉斯顿常数。

    晶体物理学家和矿物学家们早就注意到氧最紧密堆积构造的晶体具有较高的折射率（1.7左右），而架状硅酸盐具有较低的折射率。可是谁也没有找出这些晶体折射率与结构的定量关系。1964年，即大学毕业后两年，叶大年通过晶体结构的对比研究指出，氧最紧密堆积构造的晶体的折射率是氧离子平均占有体积、八面体孔隙和四面体孔隙占位度、重阳离子种类和数目、硅氧四面体聚合度等的线性函数。用这个函数式可以精确地、毫无例外地计算出它们的折射率来，从而第一次把几十种晶体的折射率与结构关系定量地表示出来。他曾用这公式仅用了5分钟就预测锂铍石Li2BesiO4（我国发现的一种新矿物）中的锂的配位数是4而不是6，后被结构分析证实，因而在同行中传为佳话。他又指出，架状硅酸盐的折射率是其每个四面体平均占有体积和异价类质同像代替引起折射率增量的直线性函数。从而再一次用一个公式将50余种矿物折射率与结构关系定量地表示出来。在此基础上，他论证了水分子的折射度是常数，与结构形式无关；矿物中水的分子体积接近一个常数。他进一步引伸，得到含氧盐和某些有机化合物分子体积的加和性，发表了20余篇有价值的论文。
　　本文标题：叶大年与结构光性矿物学
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