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大自然的鬼斧神工——晶体

来源:https://www.xiutupi.com 发布时间:2021-10-12热度:

晶体,自古以来就为人们所特别关注。在人们的意识中,晶莹剔透、美丽完整、质地纯洁、类宝石的固体就是晶体。确实如此,古人就把具有规则几何多面体形状的水晶称为晶体,并将其来源归于大自然的鬼斧神工。
后来,人们越来越多地发现这类天然自发形成几何多面体外形的固体,越来越希望对这类固体内在的特性和本质有更加深入的了解。
    
在19世纪末,德国科学家伦琴发现了x射线,为人们认识微观世界提供了有力的武器。
1912年,德国物理学家劳厄首次用x射线证明了晶体内部质点在三维空间周期性排列的特性,即格子构造特性。
由此,人们给晶体以严格定义,即晶体是具有格子构造的固体。
由于晶体整体与其原子级的周期相比,尺度相差甚大,这种结构也称其为内部质点的长程有序。
我们也可以简单地将晶体理解为质点在格子结构中排列所形成的固体。
与此相反,不具有格子构造的物质称为非晶体或非晶态。
近年来,由于准晶和微纳米结构的研究,晶体的定义有所扩展。但是一般仍然将晶体定义为长程有序结构的固态物质。

我们为什么如此强调晶体的长程有序构造呢?社会中担当重要角色的晶体,具有许多神奇的性质长程有序的格子结构。
因为在现代科技和信息而这些性质起源于这种晶体有什么基本特性呢2首先,我们认识晶体是从晶体规则的外形开始的。
晶体这种在适当条件下可以自发地形成封闭几何多面体外形的性质,我们称之为晶体的自限性。

同时,晶体在一个方向上的不同部分质点分布是相同的,这就造就了晶体的均一性特征。
而也正由于晶体在不同方向上格子质点的排列可能不同,而形成品体各个方向上性质的不同,我们称之为晶体性质的各向异性。
晶体的均一性和各向异性由于晶体内部的格子构造而完美统一,晶体的许多神奇特性也起源于此。
但是,晶体具有各向异性,并不排斥晶体在某些特定方向上具有相同性质。

我们从晶体外形上就可以看到某些晶面,品棱和角顶会按一定规律重复出现,这种相同性质在晶体不同方向或位置规律性出现的特点,就是晶体的对称性。
晶体的对称性是晶体极其重要的特性,可以说,晶体物理及其应用在很大程度上都建立于晶体对称性的基础上。
最后,我们可以知道在相同的热力学条件下,晶体与同种物质的其他形态相比,其内能为最小,此即晶体的最小内能性,最小内能性直接导出晶体的稳定性。
因此,从热力学观点上来说,世间所有非晶态物质都有自发向晶态物质转变的趋势,而晶体则永远不会自发地转变为非晶态物质。

正是由于晶体的稳定性,晶体的分布十分广泛。
自然界的固态物质,绝大多数是晶体,从食盐到钻石,从土壤到矿石、建材,从蛋白质到牙齿、骨头,大部分是晶体。但是这些晶体的颗粒大小十分悬殊,大者可达几米乃至几十米,小者可为微米乃至纳米,这就构成五彩摈纷、绚丽多彩的晶体世界及其相应的晶体科学与技术。
目前,在信息社会中起着重要支柱作用的微电子产业的基础,就是硅单晶。
晶体在人类高技术发展中的作用,如何强调都不会过分。
1984年,人们在电镜观察中,发现了介于晶态和非晶态之间的物质状态,人们称之为难晶态或准晶体,又为人类世界的多样性提供了实例


大自然的鬼斧神工——晶体第1张图

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