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晶体形成的物理原因 晏成和 一百年前，元素周期和自然晶体在科学家案头呈现，这些晶体是怎样形成？面对各种晶体：金属晶体、离子晶体、共价晶体。金属键、离子键、共价键等多种化学键理论应运而生。 尽管化学键理论解释原子的连接晦涩、牵强，有人会说，这些键与各种晶体一一对应，也还行啊！你上篇文章谈到：原子相互吸引价电子形成价和运转、把质子对电子的引力演化成原子的两两结合、构成了物质的内聚力，虽然有理，但也只是解释了氢气、氧气的形成，能解读这各种各样的晶体吗？能！这正是本文要谈及的。
晶体 自然界大多数固体物质都是以晶体状态呈现、其原子都是按一定的规律整齐有序的重复排列——形成整齐有序的晶格点阵，这种排列与元素核外电子数密切相关，所以就有了金属晶体、共价晶体等等，同一族元素价电子数相同，晶格结构完全一样或大部分相同。
上一讲我们谈到：质子的引力吸引相邻原子不稳定的外层电子，形成外层电子的价和运转，促成了原子的两两结合、形成结构元。除惰性气体外，所有物质的原子都是由价和运转结合成结构元。结构元首先是结合成晶体，再构成大千物质世界。
质子的引力没有边界，原子有几个价电子，就吸引相邻的几个核心的外层电子构成几个结构元。原子通过这几个结构元与周围几个原子连接，围绕核心的结构元只有按一定的空间位置均匀分布，才能使得价和电子运行线路最短，以利价电子共享，无数个核心都如此均匀规则排列，就形成整齐有序的晶体。
如Ⅳ族元素碳、硅、锗等，其原子外层有4个价电子，在质子引力作用下，吸引周边的4个原子的价电子在空间环绕进行价和运转，构成了4个结构元。该元素所有的原子都象这样一个连着4个，规律重复。形成了Ⅳ族晶体的点阵结构──金刚石型结构。（图1-1左） 同样的，Ⅴ族元素如砷、锑等，其一个原子通过5个结构元在空间与周边5个原子连接，形成了菱方结构的晶格（图1-1右）。Ⅵ族元素硒、碲等构成的是双菱结构。 金刚石结构 菱方结构 图1—1 晶体的结构 原子有几个价电子，就能够构建几个结构元，因而晶体结构与其价电子数息息相关。无数个这样由结构元联接而成的几何形体在空间扩展开来就形成了整齐有序的晶格点阵，所以同一族元素的晶格结构完全一样或大部分相同。 大自然就是这样用质子对电子的引力和价电子的个数，构成了各种晶体。自然界用这些美丽的晶体告诉人们核外电子的运动线路，可惜没有引起人们的注意。 晶体整齐有序的结构是核外电子按规律、精准线路运行的结果，那些电子云的重叠、化学键的耦合是不可能如此清楚地解读晶体的构成。晶体的规则结构对核外电子的规则运转线路作了最美丽的诠释 若按传统的理论只考虑原子间的引力与斥力，那么，所有的晶体将是呆板雷同的。若按传统的共价键理论，其每个原子的核外电子是电子云、所有电子都在作无规则运转，如何能形成与价电子数相对应的键？如何能形成如此多姿多彩的晶体？
以上我们讨论了价电子数为4—7的非金属晶体，那么只有1、2、3个价电子的金属是如何构成其金属晶体结构、如何构成其面心立方、体心立方晶体？为此，我们先要来了解构成物体、使物质的原子结合、内聚的力——价和力和电磁力。 价和力 以上所讲：两个核心相互吸引对方的外电子，这样就把原子核对电子的吸引力——部分变成了两原子之间的结合力，在这种结合力的作用下，结构元内的两核心结合十分紧密，我们把结构元内两原子之间价和电子运转所形成的结合力叫做价和力。 价和力是非金属晶体的主要结合力，非金属晶体就是靠价和力结合成一个整体的。而不是所谓的共价键、极性键。 价和力与价和电子运转速度的平方成正比、与运转半径成反比，价和电子的速率越高、两核心的半径之和越小，价和力就越大，原子之间结合得越紧密。价和电子的动能也就构成了结构元内两原子之间的结合能。 碳原子的核心半径很小，价和电子的速率很高，所以其价和力较大，加之有四个结构元形成金刚石结构，外力极难损坏。宏观的表现就是：金刚石的硬度很高、强度很好。 当然石墨也是碳原子构成的同素异构体，由于其原子间距很大，价和电子的速率不高，所以强度很差，我们将另题讨论。
图1-2，左图为非金属物体（碳、硅）的结构示意：处出在三棱锥每个定点上的原子也象其中心的原子一样，有4 条价和轨道的环绕，如此连续有序地向周围扩展，形成了稳定的固体结构。 价和结构 电磁力结构
图1-2
在金属物质中，原子核外层只有1、2个价电子，价和运转只能形成1、2个结构元，不可能像硅那样有多个结构元结合成空间结构。那么，只有１个价电子的铜、银；２个价电子的铁、镍；３个价电子的铝，是如何构成其金属的晶体结构？ 在价和电子组成结构元，形成价和力的同时还伴生着另一种力： 电磁力 我在以上文章多次谈及：电子的运动伴生着电磁场。当价和电子高速运转时，在与旋转平面垂直的方向产生着较强的磁力，每个结构元如同一个微型磁铁，这些磁力南、北极相互吸引，把结构元相互吸引在相对固定的位置，于是就形成了物质内另一种内聚力——电磁力。
金属原子之间主要是靠电磁力维系其结构。例如铜，铜元素只有一个价电子，每个铜原子只能与相邻的一个原子结合成一个结构元。当价和电子高速旋转时，在旋转平面的垂直方向伴生着较强的电磁力，电磁力作用于价电子的旋转中心、南北指向。与相邻结构元的电磁力南北极相互吸引，使价和电子的轨道相互调整到彼此平行的位置且稳定运转，无数个结构元这样相互吸引整齐排列，就构成了铜的金属晶体结构，如图1-2右。 图为金属物体（铜、银）的结构示意：棱形表示价和电子运转轨道所在的平面，上下两平面相互平行，价和电子运转所形成的电磁力南北极相互吸引，同时还有处在与此平面垂直位置的价和电子的运转，形成三维方向的电磁力，构成了金属结构。 由于金属结构元间靠电磁力维系其结构，这种结构，如同无数个微型磁铁相互吸引结合在一起。受到较大外力时,结构元能在物质内滑移换位，重新结合。如果不认可金属结构元的滑移、换位、重新结合，物理学永远也解读不了金属所具有延展性和塑性，永远解释不了金能制成金箔、银能拉成细丝，铁板冲压成杯子的自然事实。
由于金属的价电子少，价和电子速率高，伴生着频率很高的电磁波。这样的电磁波能反射某些频率的光波，因而许多金属具有金属光泽。 金属键理论不仅成键理论牵强，同时完全不能解读金属的延展性和塑性、也不能说明金属光泽、更不能解释金属与高温时的熔化（相变），常见的相变成了科学之谜，我将专题阐释物质的相变问题。 价和力、电磁力的大小取决于价和电子的速率及线路的稳定。价和电子运转所产生的价和力、电磁力形成了物质的内聚力，构成了各种物质的形体结构、构成了物体的强度、导致了物质的各种特性、构成了丰富多彩的物质世界。 是的，今天我们探测核外电子运转规律是很困难的，但我们不能信奉“测不准”而不去作为。科学的职责就是探寻事物运动的客观规律，从古到今，人类都在不屈不挠地追求测准。想当年我们人类还不是结绳记事，跨步丈量，壶漏计时。我们禅精竭虑努力测准，我们并没有因为测不准而放弃，人类才一步一步从蛮荒走今天的数字时代。宣扬无作为、把测不准作为原理而禁锢探索是反科学的。 价和力、电磁力实质上是价和电子向心运动所致，也就是说原子之间是通过价和电子的向心运转而维持其相对位置的。联想到宇宙天体、世上万物无不是在向心力的作用上而保持其相对位置，这种不谋而合使得自然的法则更加和谐、系统。 2014-11-2修改 参考文献： 1，晏成和：《物理新视点》，湖北人民出版社，2006。 2, IRA N.LEVINE[美]:《物理化学》,李芝芬等译,北京大学出版社,1987。 3, 阎守胜:《固体物理基础》,北京大学出版社, 2000。 4，Ｃ．基泰尔 [美]:《固体物理导论》, 杨顺华等译,科学出版社,1986。 |
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