Question

晶体的基本性质

Answer 1

由于一切晶体内部质点的排列都遵循格子构造的规律而与其他物质相区别，因此所有晶体应该具有一些由格子构造所决定的共同区别于其他物质的性质，我们把这些性质称为晶体的基本性质。现简述如下。

1.自限性

晶体的自限性（self-confinement）是指晶体在合适条件下生长时总能自发地形成具有一定凸几何多面体外形的性质。在晶体的凸几何多面体上，平整的面称为晶面，两个晶面的交线称为晶棱，晶棱汇聚成的尖顶称为角顶。晶面数（F）、晶棱数（E）和角顶数（V）的关系符合欧拉定律：

F+V=E+2

晶体的几何多面体形态，是晶体内部格子构造的外部表现。晶体外形上的晶面、晶棱与角顶，实际上对应着格子构造中的面网、行列及结点。晶体的格子构造及其所制约的凸多面体形态均服从于一定的结晶学规律。

应当注意的是，准晶体也具有自限性。

2.均一性

晶体的均一性（homogeneity）是指同一晶体的任何部位其性质是完全相同的。例如，假定我们把一个晶体分成许多小晶块，那么每一块这样的小晶块的物理性质与化学性质都是相同的。这主要是因为在晶体的各个部分都具有相同的格子构造，也即各部分的质点分布相同，因此性质也相同。

若设在x处和x+x′处取得小晶体，则晶体的均一性可作如下数学表示：

F（x）≡F（x+x′）

这里的F为相应晶块的化学组成和物理性质。

必须注意的是，非晶质体也具有均一性，如玻璃的不同部分在折射率、膨胀系数、热导率等性质方面都是相同的。但非晶质体的这种均一性是统计意义上的、平均近似的均一性，称为统计均一性，它与晶体由内部格子构造决定的严格的结晶均一性有着本质的区别，而与液体和气体的统计均一性相似。

3.异向性

晶体的异向性（anisotropy）指晶体的性质因观察方向的不同而表现出差异的特性。同一矿物在不同方向上其解理的发育程度存在明显的差别，这是晶体异向性最明显的例子。晶体的凸6多面体形态也是其异向性的表现。此外，晶体的刻划硬度，只要作精确的测定，都可以发现随刻划方向的不同而异，其中最明显的例子是蓝晶石。在平行蓝晶石晶体延长方向上，其摩斯硬度值约为4，而在垂直晶体延长方向上，其摩斯硬度值约为6，故蓝晶石又被称为二硬石。

由格子构造规律我们知道，晶体结构中质点排列方式和间距，在相互平行的方向上都是一致的，但在不相平行的方向上，一般来说都是有差异的。因此，当沿不同方向进行观察时，晶体的各项性质将表现出一定的差异，这就是晶体具有各向异性的根源。

4.对称性

晶体的对称性（symmetry）是指晶体中的相同部分或性质在不同的方向或位置上有规律地重复出现的特性。我们常常可以看到，在一个晶体的不同方向出现形状和大小完全相同的晶面，这就是晶体外形上的一种对称性。其实，晶体内部质点在三维空间周期性平移重复排列本身就是一种微观的对称性，尽管晶体结构中质点的排列在不同方向上一般是有差异的，但并不排斥其在某些特定方向上的重复。因此，晶体的宏观对称性是其微观对称性的体现，是晶体最重要的性质，也是晶体对称分类的基础。有关晶体的对称性，将在第四章中作进一步的讨论。

5.最小内能性

晶体的最小内能性（minimum internal energy）是指，在相同的热力学条件下，较之于同种化学成分的气体、液体及非晶体而言，晶体的内能最小。这从晶体熔融时要吸热、熔体结晶时会放热得到部分的直观证明。

晶体具有最小内能主要是因为，晶体内部质点在三维空间呈周期性重复的规律排列，这种规则排列是质点间的引力和斥力达到平衡的结果。在此情况下，无论是使质点间的距离增大或是减小，都将导致质点的势能增加。至于气体、液体和非晶质体，由于它们内部质点的排列是无规则的，因此质点间的距离不等于平衡距离，因而它们的势能比晶体大。这就意味着，在相同的热力学条件下，晶体的内能应为最小。

6.稳定性

晶体的稳定性（stability）是指，对于化学组成相同但处于不同物态下的物质而言，以晶体最为稳定。例如，非晶体可以自发转化为晶体，释放出能量，而晶体不可能自发转化为其他物态。

晶体的稳定性是晶体具有最小内能的必然结果，而从根本上讲，它也是由晶体的格子构造规律所决定的。

晶体因其内部质点已达到平衡位置，具有最小内能，要破坏晶体的这种状态，就必须从外界吸收能量，如加热等。同时，由于使晶体中每个质点脱离平衡位置所需能量都是相等的，因此每种晶质体都有自己确定的熔点（非晶质体没有固定的熔点）。与此相反，无论气体、液体或是非晶质体，由于它们内部质点未达平衡位置，当使它们的质点趋向于规则排列而达到平衡位置，亦即向晶体转化时，必定会释放出多余的能量。所以，根据热力学定律，结晶态是最稳定的物态，它不会自发地转化为其他物态。

思考题及习题

1）晶体、非晶质体、准晶体有何区别？

2）结点间距、面网密度、面网间距之间有何联系？

3）如何根据晶体的格子构造解释其基本性质？

4）晶体不一定呈规则的几何多面体外形，这是否与晶体的自限性矛盾？

5）某些固体生长时可以自发地形成规则的几何多面体外形，这些固体肯定是晶体吗？为什么？

6）为什么晶体具有确定的熔点而非晶体不具有确定的熔点？

7）下图的左图和右图分别为石墨晶体结构中平行和垂直结构层的两种碳原子面。试分别以两图中的a，b，c为基点，画出对应的相当点分布图和面网并比较之。

石墨晶体结构中碳原子的分布

（据罗谷风，1985）