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雪花形状

 dongchang 2013-12-12

一、故事梗概
约公元前135年,中国人认识到雪花的形状是六角形。大韩婴在名为《韩诗外传》的书中提到:“草木的花一般是五角形,而雪花,称为霙(yīng)者,为六角形。” 实际上,六角形这一概念是中国早期的史前科学基础知识。在雪花为六角形这一认识上,中国要先于欧洲至少一千余年。

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雪花形状


二、科学原理
雪花的形状,涉及到水在大气中的结晶过程。大气中的水分子在冷却到冰点以下时,就开始凝华,而形成水的晶体,即冰晶。冰晶和其他一切晶体一样,其最基本的性质就是具有自己的规则的几何外形。冰晶属六方晶系,六方晶系具有四个结晶轴,其中三个辅轴在一个平面上,互相以六十度角相交;另一主轴与这三个辅轴组成的平面垂直。六方晶系的最典型形状是六棱柱体。但是,当结晶过程中主轴方向晶体发育很慢,而辅轴方向发育较快时,晶体就呈现出六边形片状。大气中的水汽在结晶过程中,往往是晶体在主晶轴方向生长速度慢,而三个辅轴方向则快得多,冰晶多为六边片状。当大气中的水汽十分丰富的时候,周围的水分子不断地向最初形成的晶片上结合,其中,雪片的六个顶角首当其冲,这样,顶角上会出现一些突出物和枝杈。这些枝叉增长到一定程度,又会分叉。次级分又与母枝均保持六十度的角度.这样,就形成了一朵六角星形的雪花。


三、现代运用
晶体学是材料科学家常常使用的研究工具。若所要研究物质为单晶体,则其原子排布结构直接决定了晶体的外形。另外,结晶材料的许多物理性质都极大地受到晶体内部缺陷(如杂质原子、位错等等)的影响,而研究这些缺陷又必须以研究晶体结构作为基础。在多数情况下,研究的材料都是多晶体,因此粉末衍射在确定材料的微观结构中起着极其重要的作用。
除晶体结构因素外,晶体学还能确定其他一些影响材料物理性质的因素。譬如:粘土中含有大量细小的鳞片状矿物颗粒。这些颗粒容易在自身平面方向作相对滑动,但在垂直自身平面的方向则极难发生相对运动。这些机制可以利用晶体学中的织构测量进行研究。
晶体学在材料科学中的另一个应用是物相分析。材料中不同化学成分或同一种化学成分常常以不同物相的形式出现,每一相的原子结构和物理性质都不相同,因此要确定或设计材料的性质,相分析工作十分重要。譬如,纯铁在加热到912℃时,晶体结构会发生从体心立方(body-centered cubic,简称bcc)到面心立方(face-centered cubic,简称fcc)的相转变,称为奥氏体转变。由于面心立方结构是一种密堆垛(duǒ)结构,而体心立方则较松散,这解释了铁在加热过912℃后体积减小的现象。典型的相分析也是通过分析材料的X射线衍射结果来进行的。

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四、文献记载
公元前135年,韩婴《韩诗外传》附带提到了当时已是常识的现象:“草木之花多五出,独雪花六出”。
公元6世纪的诗人萧统(501~531)曾在诗中写道:“红云在天蓝色的空中呈现四片叶状,而白雪的雪片则展现出六角形的花朵。”
公元12世纪朱熹(1130~1200)写道:“地球产生的数字‘六’是水的成数,由于雪是由水凝成的晶体之花,所以这些雪花常为六角形。”
唐锦《梦余录》:“草木的花一般是五角形,雪花是六角形,古时儒家认为,六是水的成数,水若结为雪花,那一定是六角形。”
谢在杭《五杂徂》中写道:“......每年冬末春初,我总是取来雪花仔细观察,都是六角形。”

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