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第二章
气体、固体和液体
2.4 固体
食盐颗粒总是呈现立方体形，松香颗粒没有规则的几何形状。
晶体和非晶体
固体可以分为晶体和非晶体两类。
具有规则的几何形状．
晶体
石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、味精等是晶体雪花是水蒸气凝华时形成的晶体，它们都具有相似的几何形状，即图案中都有六个角 (图2.4-1)。
食盐晶体是正六面体形，明矾晶体总是八面体形，天然石英品体(俗称水晶)的中间是一个六棱柱，两端是六棱锥 (图2.4-2)。这些晶体有天然的、规则的几何形状 (图2.4-3)。
没有规则的几何形状。
非晶体
玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体。
松香
沥青
晶体和非晶体的差异
除了形状是否规则外，晶体和非晶体在物理性质上也有所不同。我们在初中已经学过，晶体具有确定的熔点，非晶体没有确定的熔化温度，这就是区别之一。此外，其他物理性质也有差异。
观察玻璃和云母片上石蜡熔化区域的形状
把熔化了的石蜡薄薄地涂在薄玻璃片和单层云母片上，再将烙铁通电烧热，然后用烙铁头分别接触玻璃片和云母片的背面 (图2.4-4)。
观察玻璃片和云母片石蜡熔化区域的形状 (图2.4-5)。
石蜡熔化区域形状的不同说明了什么
从实验结果可以看出，玻璃片上石蜡熔化区域的形状近似于圆形，表明玻璃沿各个方向的导热性能相同；云母片上石蜡熔化区域的形状呈椭圆形，表明云母沿不同方向的导热性能不同。还有些晶体沿不同方向的导电性能不同；而有些晶体沿不同方向的光学性质不同，这类现象叫作各向异性 (anisotropy)。
如图2.4-6，方解石晶体是各向异性的晶体，它能把光分解为两束光而沿不同方向折射，形成双折射现象。非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的这叫作各向同性 (isotropy)。
晶体和非晶体间的转化
(1) 一种物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现，例如水晶。天然水晶是晶体，熔化后再凝结的水晶 (石英玻璃) 就是非晶体，即一种物质是晶体还是非晶体并不是绝对的．
(2) 许多非晶体在一定的条件下可以转化为晶体．
(3) 在冷却得足够快和冷却到足够低的温度时，几乎所有的材料都能成为非晶体。
金属虽然没有规则的几何外形，但是有固定的熔点，所以金属是晶体.
单晶体
从金属的显微图样中可以看到，它是由许多细小的晶粒组成的(图2.4-7)。每个品粒都是一个小的单晶体(monocrystal)，有规则的形状且各向异性。
如果一个物体就是一个完整的晶体，这样的晶体叫做单晶体。
多晶体
但是，由于这些小的单晶体的取向杂乱无章，所以金属没有确定的几何形状，也不显示各向异性，仅保留了在定压强下具有确定熔点的特征，我们把它称为多晶体 (polycrystal)。
如果整个物体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体组成的，这 样的物体叫做多晶体．其中的小晶体叫做晶粒。
常见的金属就是多晶体。
蔗糖受潮后粘在一起形成的糖块，看起来没有确定的几何形状。但是用放大镜观看，仍可以发现组成糖块的一个个品体粒。粘在一起的糖块也是多品体，单个的蔗糖品体颗粒是单品体。
(1) 多晶体没有规则的几何形状．
(2) 多晶体 ：
① 没有规则的几何形状，在物理性质上不具备各向异性 (同非晶体)
(但每一晶粒内部都是各向异性的)。
② 有确定的熔点．
多晶体的特性
多晶体和非晶体比较
(1) 多晶体和非晶体都没有规则的几何形状．
(2) 多晶体有一定的熔点，非晶体没有一定的熔点。
所以固体是否有确定的熔点，可作为区分晶体和非晶体的标志。
(3) 多晶体和非晶体的一些物理性质都表现为各向同性。
晶体的微观结构
为什么品体的形状和物理性质会与非品体不同
人们认为很可能是它们的微观结构不一样。从17世纪到19世纪，陆续出现了一些假说，某一种假说认为各种品体内部的微粒是按各自的规则排列着的，但是，由于当时检测技术的限制，缺少实验证据，所以这些想法只能是假说。
到了20世纪初，通过X射线在品体上衍射的实验，这种假说才得到证实。在20世纪70年代，人们又用电子显微镜观察到了铀、钍原子的像。1982年，人们用扫描隧道显微镜观察到物质表面原子的排列。
晶体微观结构的特点
在各种晶体中，原子(或分子、离子)都是按照一定的规则排列的，具有空间上的周期性。图2.4-8是食盐晶体中氯离子和钠离子分布的示意图。
有的物质在不同条件下能够生成不同的品体，那是因为组成它们的微粒能够按照不同规则在空间分布。例如，碳原子如果按图2.4-9那样排列，就成为石墨，而按图2.4-10那样排列，就成为金刚石。
石墨是层状结构，层与层之间距离较大，原子间的作用力比较弱，所以石墨质地松软，可以用来制作粉状润滑剂；
金刚石中碳原子间的作用力很强，所以金刚石有很大的硬度，可以用来切割玻璃。
原子 (或者分子、离子) 并不是静止不动的，它们在不停地振动。图中所画的那些点，是它们振动的平衡位置。
同种物质也可能以品体和非品体两种不同的形态出现，也就是说，物质是晶体还是非晶体，并不是绝对的。例如，天然石英品体熔化以后再凝固就变成了石英玻璃，而石英玻璃是非晶体 (图2.4-11)。有些非晶体在一定条件下也可以转化为晶体。
用晶体的微观结构解释晶体的特征
由于晶体的物质微粒是按照一定的规则在空间中整齐地排列的，表现在外形上具有规则的几何形状，且不同类型的晶体结构，决定了各种晶体的不同外形。所以食盐晶体呈立方体形，明矾晶体呈八面体等。
在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才引起晶体的不同方向上物理性质的不同。所以才有晶体的各向异性。
石墨烯实验研究背后的故事
我们知道，物体是由原子、分子等微粒组成的，它们按一定规律组成一个个“小单元”，这些“小单元”结合在一起形成了肉眼可见的物体。用机械的方法把物体粉碎、研磨，可以得到很细的粉末，但实际上一粒这样的粉末仍比这里说的“小单元”大得多。当构成材料的“小单元”的某个维度达到纳米尺度时，它的性质就会发生很大的变化。石墨烯就是一个典型的例子。
石墨烯具有六边形的晶格结构 (图2.4-12)，单层厚度仅为0.335 nm。2010年的诺贝尔物理学奖授予了安德烈·盖姆与康斯坦丁·诺沃肖洛夫两人，以表彰他们对石墨烯的开创性实验研究。
图2.4-12 石墨六边形的晶格结构
安德烈对待研究工作一直颇具想象力和好奇心。例如，他在利用超导强磁铁发现水分子具有抗磁性后 (水滴悬浮在磁场中)，便开始思考：生物体内绝大多数物质是水，而且生物体内的蛋白质也具有抗磁性，如果将生物体放入磁场内，会像水滴一样悬浮吗 于是，他把一只活体青蛙放入磁场，在精确的计算下，这只青蛙真的悬浮在了磁场中。安德烈将这个实验结果发表在了物理期刊上，并为他赢得了 2000 年的“搞笑诺贝尔物理学奖”。然而，他的想象力并未止步，也从未停止……
在2004年之前，人类对材料的研究已经进入纳米、甚至原子尺度，人们也对石墨烯的结构有了更清晰的认识，预言了单层石墨可能会有非常好的物理性质。然而，如何把石墨不断磨薄，薄到只有一个原子的厚度，这个世界性难题还是让很多科学家们望而却步了，甚至有人质疑单层石墨是否能够独立存在。安德烈的想象力再一次“拯救”了这项研究，在助手们试图将石墨块磨成石墨烯而陷入“绝境”的时候，安德烈在偶然的机会下，观察到助手们用透明胶带去除石墨块表面的污渍。这时他天才的直觉引导他将粘过的胶带放到仪器下观察，发现远比助手们打磨好的样品薄了许多，有的甚至只有几十个原子那么厚。随即，他便利用透明胶带反复地粘黏，直到获得了单层的石墨——石墨烯。石墨烯独特的结构使它在力学、电学等方面具有很多奇特的物理性质。
在力学特性方面，石墨烯是目前人类已知的强度最高的物质之一。强度比世界上最好的钢铁还要高百倍之多。同时还具有很好的韧性，且可以弯曲。在电学、热学特性方面，电子在石墨烯中“奔跑”的速率比在硅材料中高出数十倍甚至上百倍，这有利于进一步提高计算机处理器的运算速率。
无论是搞笑的，还是货真价实的诺贝尔物理学奖，安德烈的研究总是让人颇感意外。解决具有挑战性的科学问题，除了扎实的理论和精密的仪器外，好奇心、想象力、对日常生活的细致观察和灵活运用也同样重要。
典例探究
例题1：下列说法中正确的是 ( 　 )
A．常见的金属材料都是多晶体
B．只有非晶体才显示各向同性
C．凡是具有规则天然几何形状的物体必定是单晶体
D．多晶体不显示各向异性
ACD
例题2：利用晶体结构，可以用来解释_________
A．晶体有规则的几何外形，非晶体没有规则的几何外形
B．晶体有一定的熔点，非晶体没有熔点
C．晶体的导电性能比非晶体好
D．单晶体的各向异性
ABD
例题3：关于石墨与金刚石的区别，下列说法正确的是______
A．它们是由不同物质微粒组成的不同晶体
B．它们是由相同物质微粒组成的不同晶体
C．金刚石是晶体，石墨是非晶体
D．金刚石比石墨原子间作用力大，金刚石有很大的硬度
BD
练习与应用
1. 某人为了检验一块薄片物质是否为晶体，做了一个实验。他以薄片的正中央 O 为坐标原点，建立 Oxy 平面直角坐标系，在两个坐标轴上分别取两点 x1 和 y1，使 x1 和 y1 到 O 点的距离相等。在 x1 和 y1 上分别固定一个测温元件，再把一个针状热源放在 O 点，发现 x1 点和 y1 点的温度在缓慢升高，但两点温度的高低没有差异，于是得出结论：这块薄片是非晶体。
请说明：以上结论科学吗 为什么
解：不科学，该物质薄片不一定是非晶体，也可能是多晶体. 此外，两个特定方向物理性质的同性，并不能说明各个方向物理性质都同性.
2. 食盐晶体的结构可以用钠离子和氯离子空间分布的示意图表示 (图2.4-8)，图中相邻离子的中心用线连起来了，组成了一个个大小相等的立方体。现在要估算相邻两个钠离子中心的距离，除了知道食盐的密度 ρ 为 2.17×103 kg/m3 外，还要知道哪些数据 请用字母表示这些已知数据，推导出相邻两个钠离子中心距离的表达式。
提示：图中最小立方体的个数与离子数目相等。
解：还需要知道食盐的摩尔质量 M 和阿伏加德罗常数 NA；
一个食盐分子的体积为：V0＝＝，由于一个 NaCl 分子中含有两个离子，
故每个离子体积为：V′＝V0＝；
由于每个离子占据空间体积为立方体模型，故 V′＝a3；
所以，a＝.
相邻两个 Na＋ 之间的距离 d＝a＝1.414.
3.内陆盐矿中开采的氯化钠称为岩盐，岩盐的颗粒很大，我们能清楚地看出它的立方体形状。把大颗粒的岩盐敲碎后，小颗粒的岩盐仍然呈立方体形状。
图2.4-13表示了岩盐晶体的平面结构：空心点为氯离子，实心点为钠离子，如果把它们用直线连起来，将构成一系列大小相同的正方形。作分界线 AA1，使它平行于正方形的对角线；作分界线 BB1，使它平行于正方形的一边。在两线的左侧各取一个钠离子 M 和 N，为了比较这两个钠离子所受分界线另一侧的离子对它作用力的大小，分别以 M、N 为圆心，作两个相同的扇形，不考虑扇形以外远处离子的作用。
(1)如果F表示两个相邻离子之间引力的大小，问：M、N 所受扇形范围内的正负离子对它作用力的合力是F的多少倍 为使问题简化，设所有离子都是质点，而且它们之间的相互作用遵从“平方反比”规律。
解：设每个正方形的边长为 a，相距 r 的两个离子间的作用力为 ，
则两个相邻离子之间引力的大小 F＝ ，
M 受力 FM＝2××cos 45°－
＝0.91＝0.91 F，
N 受力 FN＝－2××cos 45°
＝0.29＝0.29 F.
(2)根据计算结果解释：为什么敲碎的岩盐总是呈立方形状，而不会沿图中 AA1 分界线断开
提示：实际晶体中的作用力要复杂得多，但这里的分析对理解自然现象还是有用的。
解：由于 FM＞FN，所以在岩盐受到敲击时，在沿 BB1 的方向上容易断裂。

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