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(jià)電子)的相互作用。如果結(jié)合力強(qiáng)，晶體有較高的熔點(diǎn)。如果它們稍弱一些，晶體將有較低的熔點(diǎn)，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(shí)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(jià)晶體)的原子或分子共享它們的價(jià)電子(共價(jià)鍵)。鉆石、鍺和硅是重要的共價(jià)晶體。金屬晶體是金屬的原子變?yōu)殡x子，被自由的價(jià)電子所包圍，它們能夠容易地從一個(gè)原子運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)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(yùn)動(dòng)時(shí)，它們的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)有微小的變動(dòng)。因?yàn)檫@個(gè)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(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子。共價(jià)晶體的原子分享它們的價(jià)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(gè)弱的電引力使分子就位。
用來(lái)制作工業(yè)用的晶體的技術(shù)之一，是從熔液中生長(zhǎng)。籽晶可用來(lái)促進(jìn)單晶體的形成。在這個(gè)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(gè)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(diǎn)高，制成一個(gè)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(guò)火焰下滴到籽晶上?；鹧鎸⒎廴劢猓缓笤谧丫现匦陆Y(jié)晶。
生長(zhǎng)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(guò)程用來(lái)純化半導(dǎo)體工業(yè)中的硅晶體。一個(gè)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(méi)有固定的熔點(diǎn)。
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(duì)稱排列的，形成很規(guī)則的幾何空間點(diǎn)陣?？臻g點(diǎn)陣排列成不同的形狀，就在宏觀上呈現(xiàn)為晶體不同的獨(dú)特幾何形狀。組成點(diǎn)陣的各個(gè)原子之間，都相互作用著，它們的作用主要是靜電力。對(duì)每一個(gè)原子來(lái)說(shuō)，其他原子對(duì)它作用的總效果，使它們都處在勢(shì)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(gè)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(dòng)(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(shí)，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(wú)規(guī)則的均勻排列，沒(méi)有一個(gè)方向比另一個(gè)方向特殊，如同液體內(nèi)的分子排列一樣，形不成空間點(diǎn)陣，故表現(xiàn)為各向同性。
當(dāng)晶體從外界吸收熱量時(shí)，其內(nèi)部分子、原子的平均動(dòng)能增大，溫度也開(kāi)始升高，但并不破壞其空間點(diǎn)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(diǎn)時(shí)，其分子、原子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度可以破壞其有規(guī)則的排列，空間點(diǎn)陣也開(kāi)始解體，于是晶體開(kāi)始變成液體。在晶體從固體向液體的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，吸收的熱量用來(lái)一部分一部分地破壞晶體的空間點(diǎn)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(kāi)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(diǎn)陣，只用來(lái)提高平均動(dòng)能，所以當(dāng)從外界吸收熱量時(shí)，便由硬變軟，最后變成液體。玻璃、松香、瀝青和橡膠就是常見(jiàn)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(wú)規(guī)則的，每個(gè)單晶體的取向不同。雖然每個(gè)單晶體仍保持原來(lái)的特性，但多晶體除有固定的熔點(diǎn)外，其他宏觀物理特性就不再存在。這是因?yàn)榻M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(shí)不會(huì)破壞其空間點(diǎn)陣，故仍存在熔解溫度。而其他方面的宏觀性質(zhì)，則因?yàn)槎嗑w是由大量單晶體無(wú)規(guī)則排列成的，單晶體各方向上的特性平均后，沒(méi)有一個(gè)方向比另一個(gè)方向上更占優(yōu)勢(shì)，故成為各向同性。各種金屬就屬于多晶體。它們沒(méi)有固定的獨(dú)特形狀，表現(xiàn)為各向同性。
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