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晶体第二课:晶体的初步概念

 一天一招 2012-04-18
晶体的初步概念
我们大概知道,固体物质可以大致分为晶体和非晶体两大类。

黄铁矿


晶体有着天然形成的、能够反映其内部特征的规则的几何外形。

松香非晶态物质则没有这样的外形的规则性。即使某些人工加工而成的非晶体物品有着优美的几何形状,但是,那不是天然形成的,反应其内在本质特征的,比如前面的玻璃、有机玻璃制品。

晶体也可以根据其组成情况再进行分类。

冰糖单晶


比如,有些固体有着完整的规则外形,整体是由一个单个的晶粒组成,这样的晶体称之为单晶体;

冰糖多晶

而也有一些晶体可能是由许多小的晶粒聚集而成的晶簇,或者由更加细小的晶体颗粒聚集而成的、肉眼看不出晶体状态的,我们可以称为多晶体。
晶体和非晶体的概念有着更为严格和科学的定义,将在后面的介绍中逐步展开。
晶体的三个特征
一般来说,晶体有如下三个特征:

1. 单晶体都具有有规则的几何形状,例如,食盐晶体是立方体、冰雪晶体为六角形等。而这种规则的形状是自发形成而不是人为加工而成的,是有其内在的原因的。许多单晶可以聚合而成多晶体,可能就没有整体的规则外形。而非晶体则没有这种规则外形。


2. 晶体有一定的熔点,相同条件下,只有在温度达到熔点后才会发生熔化,同时,此过程还伴随着热量的变化。多晶体这方面和晶体类似,但是略有差别。非晶体可以看成液体状态,随着温度升高就会慢慢变软,流动性增加,不存在固定的熔点。


3. 晶体的物理性质会随着不同方向而有所差别,称为“各向异性”。这也是由于其内部的物质结构所决定的。非晶体的物理性质没有方向上的区别,称为“各向同性”;多晶体虽然各个单独晶粒存在各项异性现象,但是大量晶粒的贡献此消彼长,整个晶体呈现各向同性状态。


晶体和非晶体的概念有着更为严格和科学的定义,将在后面的介绍中逐步展开。


同种物质可能既有晶体又有非晶体形态,而且,随着时间的推移和环境的变换,非晶体与晶体之间还有可能发生转化。
水晶、石英和玻璃
根据前面所讲,固体物质可以大致分为晶体和非晶体两大类别。对于晶体,又可以根据其组成情况划分为单晶体(由单一的晶粒组成)和多晶体(由许多晶粒聚合而成)。
相同的组成成分,可以形成不同分物质形态。比如,水晶、石英和玻璃的成分都是二氧化硅,它们分别是单晶、多晶和非晶体。这些不同的形态的形成是由于其所处的环境造成的。
另外,这些不同形态的固体在一定条件下可以相互转化。水晶晶体熔融后经过冷却可以变成玻璃,而玻璃经过漫长时间也可以渐渐结晶化,转化称为晶体。

实际上,由于晶体的“自由能”较低,自然界中的各种天然矿物绝大部分是以单晶或者多晶状态存在,并且,即使是非晶体,也有向晶体状态演化的趋势。

水晶720x540 石英800x600 玻璃800x600
水晶 石英 玻璃
钻石与石墨

水晶、石英和玻璃是相同成分不同结构,那么,晶莹剔透的钻石和平凡无奇的石墨,会有什么样的关系呢?

钻石与石墨的化学成分都是碳元素,但是两者性质孑然不同。这是由于其内部的结构造成的。同时,在一定条件下,石墨也可以转化为金刚石。这个例子经常会被拿来作为“同素异形体”的例证。

现在,可以通过人工的方法,将石墨在高温高压情况下“生长”、制成人工金刚石。

钻石480x360
钻石
钻石480x360 钻石首饰560x420 石墨480x360
钻石 钻石首饰 石墨
晶体的分类
食盐和黄铁矿都有立方体,而金刚石则有正八面体外形。人们研究晶体,将晶体与非晶体进行区分,并对晶体进行分类,首先就是根据晶体的规则的几何外形作为判据。

后来,人们根据晶体内部结构的不同,把晶体分为不同的种类,形成七大“晶系”。每个晶系的晶体都有着各自几何结构上的特点,并因此会有着相应的性质和应用。

现在先把这七大晶系的简单情况列在这里,以后的内容中我们会更深入地介绍。

晶体的七大晶系如上所示。
晶体的几种类型

晶体根据构成成分的不同,可以分为5种晶体:

. 金属型晶体

. 离子型晶体

. 原子型晶体

. 分子型晶体

. 混合型晶体



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