晶體是怎么形成的
晶體是怎么形成的
晶體的分布非常廣泛，自然界的固體物質(zhì)中，絕大多數(shù)是晶體。氣體、液體和非晶物質(zhì)在一定的合適條件下也可以轉(zhuǎn)變成晶體。那么晶體怎么形成的呢?
晶體的種類：
晶體的一些性質(zhì)取決于將分子聯(lián)結(jié)成固體的結(jié)合力。這些力通常涉及原子或分子的最外層的電子(或稱價電子)的相互作用。如果結(jié)合力強(qiáng)，晶體有較高的熔點。如果它們稍弱一些，晶體將有較低的熔點，也可能較易彎曲和變形。如果它們很弱，晶體只能在很低溫度下形成，此時分子可利用的能量不多。
有四種主要的晶體鍵。離子晶體由正離子和負(fù)離子構(gòu)成，靠不同電荷之間的引力(離子鍵)結(jié)合在一起。氯化鈉是離子晶體的一例。原子晶體(共價晶體)的原子或分子共享它們的價電子(共價鍵)。鉆石、鍺和硅是重要的共價晶體。金屬晶體是金屬的原子變?yōu)殡x子，被自由的價電子所包圍，它們能夠容易地從一個原子運動到另一個原子，可形象的描述為沉浸在自由電子的海洋里(金屬鍵)。當(dāng)這些電子全在同一方向運動時，它們的運動稱為電流。分子晶體的分子完全不分享它們的電子。它們的結(jié)合是由于從分子的一端到另一端電場有微小的變動。因為這個結(jié)合力很弱(范德華力和氫鍵)，這些晶體在很低的溫度下就熔化，且硬度極低。典型的分子結(jié)晶如固態(tài)氧和冰。
在離子晶體中，電子從一個原子轉(zhuǎn)移到另一個原子。共價晶體的原子分享它們的價電子。金屬原子的一端有少量的負(fù)電荷，另一端有少量的正電荷。一個弱的電引力使分子就位。
用來制作工業(yè)用的晶體的技術(shù)之一，是從熔液中生長。籽晶可用來促進(jìn)單晶體的形成。在這個工序里，籽晶降落到裝有熔融物質(zhì)的容器中。籽晶周圍的熔液冷卻，它的分子就依附在籽晶上。這些新的晶體分子承接籽晶的取向，形成了一個大的單晶體。藍(lán)寶石和紅寶石的基本成分是氧化鋁，它的熔點高，制成一個盛裝它的熔液的容器是困難的。人工合成藍(lán)寶石和紅寶石是用維爾納葉法(焰熔法)制成，即將氧化鋁粉和少量上色用的鈦、鐵或鉻粉，通過火焰下滴到籽晶上。火焰將粉熔解，然后在籽晶上重新結(jié)晶。
生長人造鉆石需要高于1600℃的溫度和60000倍大氣壓。人造鉆石砂粒小且黑，它們適宜工業(yè)應(yīng)用。區(qū)域熔化過程用來純化半導(dǎo)體工業(yè)中的硅晶體。一個單晶體垂直懸掛在硅棒的頂端上。在兩者接觸處加熱，棒的頂端熔化，并在單晶體上重結(jié)晶，然后將加熱處慢慢地沿棒下移。
晶體的形成：
固態(tài)物質(zhì)分為晶體和非晶體。非晶體的外形是不規(guī)則的，物理性質(zhì)也表現(xiàn)為各向同性。非晶體是隨溫度的升高逐漸由硬變軟，而熔化，非晶體沒有固定的熔點。
晶體和非晶體所以含有不同的物理性質(zhì)，主要是由于它的微觀結(jié)構(gòu)不同。組成晶體的微粒──原子是對稱排列的，形成很規(guī)則的幾何空間點陣。空間點陣排列成不同的形狀，就在宏觀上呈現(xiàn)為晶體不同的獨特幾何形狀。組成點陣的各個原子之間，都相互作用著，它們的作用主要是靜電力。對每一個原子來說，其他原子對它作用的總效果，使它們都處在勢能最低的狀態(tài)，因此很穩(wěn)定，宏觀上就表現(xiàn)為形狀固定，且不易改變。晶體內(nèi)部原子有規(guī)則的排列，引起了晶體各向不同的物理性質(zhì)。例如原子的規(guī)則排列可以使晶體內(nèi)部出現(xiàn)若干個晶面，立方體的食鹽就有三組與其邊面平行的平面。如果外力沿平行晶面的方向作用，則晶體就很容易滑動(變形)，這種變形還不易恢復(fù)，稱為晶體的彈性。從這里可以看出沿晶面的方向，其彈性限度小，只要稍加力，就超出了其彈性限度，使其不能復(fù)原;而沿其他方向則彈性限度很大，能承受較大的壓力、拉力而仍滿足胡克定律。當(dāng)晶體吸收熱量時，由于不同方向原子排列疏密不同，間距不同，吸收的熱量多少也不同，于是表現(xiàn)為有不同的傳熱系數(shù)和膨脹系數(shù)。
非晶體的內(nèi)部組成是原子無規(guī)則的均勻排列，沒有一個方向比另一個方向特殊，如同液體內(nèi)的分子排列一樣，形不成空間點陣，故表現(xiàn)為各向同性。
當(dāng)晶體從外界吸收熱量時，其內(nèi)部分子、原子的平均動能增大，溫度也開始升高，但并不破壞其空間點陣，仍保持有規(guī)則排列。繼續(xù)吸熱達(dá)到一定的溫度──熔點時，其分子、原子運動的劇烈程度可以破壞其有規(guī)則的排列，空間點陣也開始解體，于是晶體開始變成液體。在晶體從固體向液體的轉(zhuǎn)化過程中，吸收的熱量用來一部分一部分地破壞晶體的空間點陣，所以固液混合物的溫度并不升高。當(dāng)晶體完全熔化后，隨著從外界吸收熱量，溫度又開始升高。而非晶體由于分子、原子的排列不規(guī)則，吸收熱量后不需要破壞其空間點陣，只用來提高平均動能，所以當(dāng)從外界吸收熱量時，便由硬變軟，最后變成液體。玻璃、松香、瀝青和橡膠就是常見的非晶體。
多數(shù)的固體晶體屬于多晶體(也叫復(fù)晶體)，它是由單晶體組成的。這種組成方式是無規(guī)則的，每個單晶體的取向不同。雖然每個單晶體仍保持原來的特性，但多晶體除有固定的熔點外，其他宏觀物理特性就不再存在。這是因為組成多晶體的單晶體仍保持著分子、原子有規(guī)則的排列，溫度達(dá)不到熔解溫度時不會破壞其空間點陣，故仍存在熔解溫度。而其他方面的宏觀性質(zhì)，則因為多晶體是由大量單晶體無規(guī)則排列成的，單晶體各方向上的特性平均后，沒有一個方向比另一個方向上更占優(yōu)勢，故成為各向同性。各種金屬就屬于多晶體。它們沒有固定的獨特形狀，表現(xiàn)為各向同性。
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