科学百科第 84 期丨为什么会形成晶体？ 晶体总有一定的形状

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。

作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。

其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。

作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第八十四个问题：

为什么会形成晶体？

为什么晶体总有一定的形状？

通常情况下，物质有三态：气态，液态和固态。在气体中，组成气体的原子或（通常为）分子的能量非常高，或者各个分离的分子之间的引力非常低（或者两者兼备）。以致各个分子独立地进行运动。

如果能量降低到一定点，那么，分子就不能再保持独立性，而必定会互相发生接触。但是这时还有足够的能量可供分子进行运动，使分子在其他分子间滑动。这种情况就是液体。

如果能量进一步降低，各个分离的分子就不能再滑动，而会固定在某个方位上（尽管它们也许能够或确实会在它们的固定位置附近振动）。这种物质就是固体。

在固体中，两个相邻的分子（或原子，或离子）的相对位置不是随意的。它们处于某种有规则的排列之中，这种排列取决于不同的粒子具有什么样的比例，大小有怎样的差别，外部压力有多大，等等。在氯化钠中，钠离子和氯离子的数① 目相等，大小没有太大的差别。在氟化铯中，铯离子和氟离子的数目相等，但铯离子比氟离子大得多。在氯化镁中，镁离子和氯离子的大小没有太大的差别，但是在数目上，氯离子为镁离子的两倍。由于这一原因，每种化合物很自然地以不同的方式进行排列。

2000年，芬兰科学家首次合成了氩的稳定化合物——氟氩化氢（HArF）。—— 注

如果你得到一块可见物质，它是由全部按有序方式排列的原子、离子或分子所组成，那么，这块可见物质就会有一些光滑的表面，它们以一些固定的角度相交（这就像从空中来看一个军队的队形。你也许看不见各个士兵，但是如果他们排列得很好，你就会看见那个队伍，比如说，呈矩形）。这块可见物质（或者说“晶体”）的整个形状取决于原子的排列。对于在一系列给定条件下的任何给定的物质来说，原子排列是固定的，因此晶体总是具有确定的形状。

固体物质从本质上说几乎总是晶体，即使它们看起来并不像是那样。我们知道，要形成一种理想的晶体，最好从处于溶液状态的纯物质着手（这样，外来的原子就不会滑入和打乱排列）。溶液应该缓慢地冷却，以便让原子有时间排成阵列。在自然界往往存在着由几种物质组成的混合物，因此，我们最后得到的，是互相推撞和互相拥挤的几种不同的晶体。不仅如此，如果冷却非常快，那么，就会有许多晶体开始形成，以致其中任何一个晶体都没有机会生长到超过显微的大小，这些晶体各取各的方向，因此没有确定的形状。

因此，在自然界，我们很少能看到足够大的清澈的晶体。通常我们所遇到的，是一些不规则的物质碎块，它们是由我们未察觉到的微晶体构成的。

有一些固体物质不是结晶状的，因此不真正是固体。玻璃就是一个例子。液态玻璃是很有粘性的，因此它的离子就难以运动，也难以排成有序阵列。当玻璃冷却时，离子运动得越来越慢，最后完全停止运动，停在哪儿就将它们的位置保持在那儿。

在这种情况下不存在有规则的排列，因此，“固态”玻璃实际上是一种“超冷的液体”。玻璃可以是硬的，摸起来像是固体，但是它没有晶体结构，而且，它没有明显的熔点，这是它最致命的弱点。所以，“固态”玻璃在加热时就只是逐渐软化而已。