第三节 晶核的形成
晶体从液相或气相中生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；③生长阶段。
人工合成宝石晶体大多数是从液相中生长出来的，因此，本节着重介绍在液体中，特别是在熔体中发生结晶作用时，晶核形成所遵循的基本规律。
一、成核作用
当熔融体过冷却或溶液达到过饱和时，并不意味着整个体系能同时结晶。液体中相应组分的质点，将按照格子构造形式首先聚合成一些达到一定大小，但实际上仍是极其微小的微晶粒子。这时若温度或浓度有局部变化，或受外力撞击，或一些杂质粒子的存在，都会导致体系中出现局部过饱和度或过冷却度较高的区域，使这些微晶粒子的大小达到临界值以上。这种形成微晶粒子的作用称之为成核作用，这些微晶粒子则称为晶核。在以后的结晶过程中，它们将是晶体成长的中心。
熔体发生结晶作用的必要条件是熔体局部存在过冷却。在过冷却熔体中晶核形成的理想过程是：两个或两个以上的质点在一直线上连接构成线晶，在线晶的另一个方向上又连接质点而构成面晶，再在面晶的第三个方向上连接质点形成了晶芽，晶芽再逐步长大到一定尺寸而形成晶核。晶核形成以后，在一定条件下将稳定下来。条件允许时，晶核又继续长大而生成具有一定形状的晶体。
在不稳定的熔体中，质点常常是一下子就聚集成具有三度空间的晶芽，并迅速长大成晶体。当熔体的内能较大时，这种自发形成的晶芽在形成以后常立即分散以致消失，因为此时质点具有较大的动能，质点之间不能互相约束，无法形成稳定存在的晶芽而发育成晶核。只有当熔体具有较小的内能，即质点具有较小的动能（如过冷却的熔体）时，这些随时形成的晶芽才能逐步发展成晶核。
在熔体中，晶核的形成有均一性成核和非均一性成核两类。
二、熔体的均一性成核
由于过冷却而在熔体中自发形成晶核的作用，称为均一性成核，又称为熔体的过冷成核。
若晶体的熔点（也是晶体的结晶温度）为T0，熔体的过冷却温度为T，则熔体的过冷度ΔT=T0-T。实践证明，熔体中晶核的形成速度（J）、晶体成长的线速度（V）与熔体的过冷度之间是有一定关系的。晶体成长的线速度（V）是指晶面在其法线方向单位时间所增长的厚度。ΔT、V和J三者之间有以下三种典型关系。
①晶体成长线速度最大时的温度（Tm）在晶核形成所必需的过冷却温度范围以外，见图2-7（a）。此时，结晶作用不能发生。因为在晶体成长的温度下，熔体中不能自发地形成晶核。而当熔体的过冷度增大时，熔体中可以自发形成晶核，但晶体又不能成长。所以熔体中不可能自发地析出晶体。
图2-7 熔体中晶核形成和晶体成长的关系
②晶核形成速度曲线与晶体成长线速度曲线相交，见图2-7（b）。此时，晶核的形成和晶体的成长可以在低于晶体成长线速度最大时的温度（Tm）的某一温度范围内同时进行。在这种情况下，熔体中可以结晶出晶体，只是晶体的成长速度较慢，晶体的数量亦较少。
③晶体成长线速度最大时的温度（Tm）在晶核形成速度曲线之内，见图2-7（c）。熔体在低于晶体熔点（T0）的某一温度时，晶核的形成和晶体的成长可以同时进行，只是两者的相对速度随熔体的过冷度变化而不同。在这种情况下，只要熔体的过冷度控制得适当，结晶作用可以较快地进行。
这三种典型关系的共同点是：晶体成长线速度最大时的温度高于晶核形成速度最大时的温度，即当熔体温度高于晶体的熔点（T0）时，晶核形成以及晶体成长都不能发生；熔体必须在晶核形成和晶体成长的合适过冷温度条件下保持一定的时间，才能产生结晶作用。
因此，均一性成核时，晶核在熔体区域内各处的成核概率是相同的，并且需要克服相当大的表面能位垒，即需要相当大的过冷度才能成核。
三、熔体的非均一性成核
当熔体中含有难熔的杂质，或熔体的局部组成不均匀时，在熔体内将出现不同相之间的相界面。相界面的存在，在熔体中就容易导致以相界面为衬底的晶核形成。这种成核作用称为熔体的非均一性成核，又称为异性衬底成核。
非均一性成核从热力学观点来看，当相界面与将要形成的晶核之间的界面能小于熔体与将要形成晶核之间的界面能时，在相界面上就易于形成晶核。从晶体构造的角度来看，将要结晶的晶体构造中，某层面网构造与熔体中存在的杂质（晶体）的表面构造相同或相近时，或者熔体中不同组成的相界面之近程有序的结构、与将要结晶的晶体构造中质点排列相同或相近时，就可能形成以杂质（晶体）表面或相界面为衬底的晶核。引入晶核剂制作微晶玻璃便是根据这一原理进行生产的。
由此可见，非均一性成核过程是由于体系中存在某种不均匀性，例如悬浮的杂质微粒、容器壁上凹凸不平等，它们能有效地降低表面能成核时的位垒，优先在这些具有不均匀性的地方形成晶核。因此在过冷度很小时亦能局部地成核。
四、临界晶核
临界晶核是指在熔体中能单独存在并可以继续发育成晶体的最小晶核颗粒。
当熔体和晶核之间处于不稳定的平衡状态时，若晶核的尺寸稍大于临界晶核尺寸，晶核就会自动长大而发育成晶体；若晶核尺寸略小于临界晶核尺寸，晶核就会自动熔化，不能成长为晶体。临界晶核的大小因结晶物质不同而变化。因为不同物质的晶核内构造单位数目是不同的，其临界晶核的大小也就不可能一样。另外，临界晶核的尺寸还与熔体的过冷度有直接的关系。若过冷度变大，熔体的黏度也增大，临界晶核的尺寸就变小。关于临界晶核对应于不同晶体的形状和大小，目前还没有在理论上得出完整的结论。有人曾指出临界晶核的尺寸一般是在10～100nm范围内。