物质的聚集状态与晶体的常
看穿晶胞、晶格与七大晶系,理解晶体性质的微观根源
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物质的聚集状态与晶体的常
看穿晶胞、晶格与七大晶系,理解晶体性质的微观根源
利用熔点判断晶体或非晶体
前页说到晶体内部排列有规则;实验中不必先看微观结构。把冰块和玻璃分别缓慢加热,观察温度—时间曲线,就能找到判别线索。
晶体到熔点会有一段“停靠”;非晶体更像没有固定站点的区间,只能说在某温区内逐渐软化。
利用X射线衍射区分晶体与
熔点能大致判断晶体或非晶体,但若想「眼见为实」、看清原子排列是否真有周期性,科学家有一把更硬的尺子——X射线衍射。
栅栏缝隙规则→明暗条纹;原子规则→尖锐衍射峰
从晶胞图计算原子数
X射线衍射说明晶体会周期重复。现在把这种重复性落实到晶胞:面对晶胞图,先别数“画了几个圆”,而要判断每个圆由几个相邻晶胞共有。
顶点球由8个晶胞共有,棱心球由4个共有,面心球由2个共有,体内球只归当前晶胞
从X射线衍射图推断晶体结
上页用衍射图判断了「是不是晶体」,但图里的学问远不止于此。峰在哪里、多高、多宽——每一个维度都在告诉我们晶体的不同参数。这一页我们把这张「成绩单」逐项拆开。
指纹看纹路、深浅、清晰度;衍射图看峰位、峰强、峰形——三个维度合一才能识别晶体身份
自发过程
前几页我们用 X 射线衍射辨认晶体结构——可你可能没想过:熔体冷却时,原子凭什么自发排成整齐的晶格?要回答这个问题,得先弄清楚「自发过程」到底指什么。
不推就动,且只往谷底滚;你给它一推(外界做功)又能滚回坡顶
物质的聚集状态
物质的聚集状态:定义、要点与典型应用
物质三态模型
前页我们知道同一物质可以表现为不同聚集状态。今天深入一层:这套「三态分类」背后是什么模型?为什么这样分?它又有哪些装不下的情况?
弹簧=分子间作用力;小球振幅小而有序=固态;挣脱部分束缚滑动=液态;完全挣脱四散=气态
晶态
上一页我们用X射线衍射看到了清晰的衍射斑点——这正是因为原子呈周期性排列。回过头看,这种特殊的聚集状态就叫'晶态'。
士兵按固定间距站成方阵,移位几百米队形依然整齐——对应原子的周期性排列
非晶态
上一页看到晶体的 X 射线衍射图有锐利斑点,这是原子整齐排列的指纹。非晶态呢?衍射图只剩一团弥散的鼓包——因为原子只在邻近位置勉强守规矩,远距离则彻底乱了。
身边几个人挤在一起(短程有序),走出几步就完全无规律(无长程有序)
等离子体
我们熟悉的物质有三态——固、液、气。但宇宙中99%以上的可见物质是另一种状态。从太阳、闪电、极光到霓虹灯,这些都是等离子体。
一颗石子激起的水波扫过整片水面;电子被扰动后,等离子体振荡也掠过整体,而非仅限局部
液晶
前面我们看到固态晶体分子排列整齐,液体里分子则完全无序。但你可能没想到,自然界还有一种「夹心」状态——既像液体能流动,又像晶体有方向性。它就是液晶。
火柴可在盒内滑动,但长轴大致平行——像分子取向有序
热致液晶
上一页我们刚认识了液晶——兼具晶体有序与液体流动的「第四态」。液晶家族内部也分门派:靠温度切换的叫热致,靠浓度切换的叫溶致。这一页专门看热致液晶。
低温牌位置朝向都固定是晶体;加热后牌可整体滑动但朝向大致一致是液晶;再加热牌自由翻转是普通液体
溶致液晶
上一页讲了热致液晶靠温度切换形态。生活中更常见的液晶其实是另一类——肥皂水、洗洁精就属于「溶致液晶」。
头(亲水)朝水、尾(疏水)向内,人多到一定程度自然排队抱团
本节要点
- ✓粒子间作用与热运动的消长决定聚集状态
- ✓等离子体与液晶的有序程度存在明显差异
- ✓恒定熔点可作初判,衍射才是结构判据
- ✓晶胞计数需守恒角点、棱边、面心和内部原子
- ✓衍射峰位置关联晶格,强度关联原子排列
课后思考
先独立思考,再看参考答案。重点不在答对,而在于理清思路。
参考答案晶体内部原子呈长程有序排列,各处键合环境相同,升温至熔点时所有键几乎同时断裂,故有固定熔点;非晶体只有短程有序,键合环境不一,没有统一的熔断温度。
参考答案晶胞是周期性重复的基本单元。顶点被 8 个相邻晶胞共用,分 1/8;面心被 2 个晶胞共享,分 1/2;棱上原子分 1/4;体心和完全在晶胞内的原子完整属于本晶胞。
参考答案自发只决定热力学方向(ΔG<0),与速度无关。金刚石→石墨在常温常压下自发,但因活化能极高,地质时间尺度都难观察到。速度由动力学(活化能、机理)决定。