晶体的概念

如题所述

晶体的分布十分广泛,自然界中冰、雪和组成地壳各类岩石中的不同矿物,人们日常生活中食用的味精、食盐,以及使用的陶瓷和金属材料,甚至组成生命有机体的蛋白质等等莫不都是晶体。可以毫不夸张地说,现今我们是生活在一个晶体世界中。

人类对晶体的认识与研究起源于对天然晶体形态的观察和总结。晶体最引人注目的特点是它们常呈一定形状的规则几何多面体产出。如我国早期的《本草衍义》中对“嘉州峨峨山出菩萨石(水晶)”的形态做了这样的描述:“形六棱而锐首,色莹白而明澈”(图2-1)。然而,事实说明,仅仅从有无规则的几何多面体外形来区分是否是晶体显然是不恰当的。例如,具有规则几何多面体外形的玻璃、松香等并不是晶体;相反,有些从表面上看并不具规则几何多面体形状的固体,如粉粒状食盐(NaCl)却是晶体,它与那些粗粒具有立方体外形的食盐,除形态粗细外,两者所有的性质都完全相同。因此,晶体规则的几何外形不是识别晶体的必要条件,而是晶体内部本质因素的一种外在表现。

图2-1 α-石英晶簇

利用X射线实验技术对晶体结构的大量研究结果表明,任何晶体,不论其外形是否规则,还是晶体结构是否相同,具有格子状构造是一切晶体所具有的共同属性。所以,晶体的现代定义是:内部质点(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性平移重复的规律而做有序排列的固体物质;或者说,晶体是具有格子状构造的固态物质。

图2-2A为食盐(NaCl)晶体的结构图。图2-2B所示仅是从其结构中依一定条件割取的一个能代表整个结构规律的最小单位(晶胞)。在1mm3的NaCl晶体中,就包含了大约7 × 1017个这样的单位晶胞。由图中可以看出,Cl-和Na在空间的不同方向上,各自都是按着一定的排列间距而重复出现的。若沿着图2-2B中立方体三组棱的方向,Cl-和Na均以0.5628nm相等的间隔重复排列,而在其他任何方向上,情况也完全类似,只不过各自间隔重复的间距大小不同而已。如果我们用大小不同的圆球的球心分别代表Cl-和Na中心点,并用直线将它们连接起来,就可以得出如图2-2C所示的格子状晶格图。食盐如果在生长时有足够的时间和自由空间,最终必定能够发育成为规则的立方体外形,这是其内部格子构造规律制约的结果。由于晶体生长的环境和空间条件等因素的影响,晶体结晶颗粒的大小和外形,也会有较大的差异。在矿物学、岩石学等学科中,为了区别,通常将“晶体”一词用于指具有几何多面体外形的晶体,而将不具有几何多面体外形的晶体,依其晶体大小又分别称之为晶粒或晶块。此外,对于晶体的集合体,则根据结晶颗粒的粗细,即凡结晶颗粒能用肉眼或普通放大镜分清颗粒者,称为显晶质;而无法分辨颗粒者,则称为隐晶质。

图2-2 石盐的晶体结构

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