晶體與非晶體的區(qū)別

1、 JISHOUUNIVERSITY固體物理期末考核報(bào)告晶體與非晶體的區(qū)別摘要：自然界中的固體物質(zhì)可以分為晶體和非晶體兩大類。其中，晶體是指那些內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)(原子、離子或分子)在三維空間周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。 與此相反，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間無規(guī)律地排列的固體物質(zhì)為非晶體或非晶態(tài)。非晶體的各種物理性質(zhì)，在各個(gè)方向上都是相同的，即各向同性。非晶體沒有固定的熔點(diǎn)，在熔化過程中，隨著溫度的升高，它首先變軟，然后逐漸由稠變稀，經(jīng)歷一個(gè)軟化過程。這些特征和晶體是不同的。晶體可對(duì)X射線發(fā)生，非晶體不可對(duì)X射線發(fā)生衍射。非晶態(tài)內(nèi)能高、不穩(wěn)定，而晶態(tài)內(nèi)能低、穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：晶體 非晶體 區(qū)別一、定義晶體：內(nèi)部微

2、粒(原子、離子或分子)在空間按一定規(guī)律做周期性重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。如石英、云母、食鹽、明礬等。非晶體：內(nèi)部原子或分子的排列呈現(xiàn)雜亂無章的分布狀態(tài)的固體物質(zhì)。如玻璃、橡膠、松香、瀝青等。一些物質(zhì)又有晶體和非晶體不同形態(tài)，如天然水晶和石英玻璃都有二氧化硅成分，但前者是晶體，后者是非晶體。二、晶體與非晶體的區(qū)別表1 晶體與非晶體的主要區(qū)別晶體非晶體性質(zhì)自范性（本質(zhì)區(qū)別）有無各向異性有無固定熔沸點(diǎn)有無能否發(fā)生X 射線衍射（最科學(xué)的區(qū)分方法）能不能（能發(fā)生散射）內(nèi)能小而最穩(wěn)定大而不穩(wěn)定（一）外形1、區(qū)別晶體都具有規(guī)則的幾何形狀，而非晶體沒有一定的幾何外形。晶體自范性的本質(zhì):晶體中粒子微觀空間里是呈現(xiàn)

3、周期性的有序排列的。晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列有序,外形規(guī)則。例如。在氯化鈉晶體內(nèi)部，無論任何方向上CI一和Na+都是相間排列的，如圖1，代表Na離子，代表Cl離子，其外形是非常規(guī)則的立方形，從鹽場生產(chǎn)的粗大鹽粒到實(shí)驗(yàn)室用的基準(zhǔn)氯化鈉微粒，無論大小都是立方形的。圖1 NaCl晶體結(jié)構(gòu)17世紀(jì)中葉，丹麥礦物學(xué)家斯迪諾在研究石英晶體斷面時(shí)發(fā)現(xiàn)，石英晶面的大小和形狀盡管千變?nèi)f化，但相應(yīng)晶面問的夾角卻是相等的。如圖2所示，無論哪種形狀的石英晶體，其晶面a，b，C相互間的夾角均保持相等。隨后人們又研究了大量不同形狀的晶體。發(fā)現(xiàn)每種晶體不同晶面間的夾角都保持相等，從而就誕生了結(jié)晶學(xué)上的第一個(gè)定律晶面夾角守恒定律。正

4、因?yàn)榫w的生長必須遵循晶面夾角守恒定律，所以晶體由一個(gè)微小的結(jié)構(gòu)單元生長成宏觀晶體時(shí)永遠(yuǎn)保持有規(guī)則的外形。圖2 不同石英晶體的外形和晶面結(jié)構(gòu)非晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列雜亂無章，外形不規(guī)則。例如玻璃內(nèi)部各種離子雜亂無章地堆積在一起，外形沒有一定之規(guī)，人們可以在生產(chǎn)中任意改變其外部形貌。眾多構(gòu)造繁雜外形精美的玻璃藝術(shù)品，正是利用玻璃外形可以任意改變的性能而加工制成的。一些蠟像藝術(shù)品也是因?yàn)槭瀸儆诜蔷w而得來。2、晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）七大晶系晶體的外形決定于晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。能代表晶體全部結(jié)構(gòu)特征和性質(zhì)特點(diǎn)的最小重復(fù)單位稱為晶胞。晶胞可以用六面體的3個(gè)棱邊的邊長a，b，c和構(gòu)成同一頂點(diǎn)的3個(gè)面之間的夾角口,

5、來描述，如圖3根據(jù)晶胞的棱邊邊長和晶面夾角，將晶體分成七大類型，通常稱為七大晶系。圖4繪出了其相應(yīng)結(jié)構(gòu)。圖3 晶胞示意圖圖4 七大晶系的結(jié)構(gòu)示意圖（2）十四種晶格在各種晶系中，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)排列方式的區(qū)別又分成不同的晶格。晶格是一種幾何概念，是組成晶體的質(zhì)點(diǎn)在空間的排列方式。也將晶格稱為布拉韋格子或布拉韋點(diǎn)陣。從幾何學(xué)的角度講，空間點(diǎn)陣有三種方式：線狀、層狀、三維立體構(gòu)型。在晶體學(xué)中常見的十四種晶格如圖5。有的物質(zhì)由于微粒能夠形成不同的空間點(diǎn)陣，因此能夠生成種類不同的幾種晶體。例如：碳原子可以形成非常軟的石墨，也可以形成硬度很大的金剛石。圖5 十四種晶格結(jié)構(gòu)（二）各向異性1、區(qū)別晶體的各種物理性質(zhì)，

6、在各個(gè)方向上都是不同的，即各向異性；非晶體則顯各向同性。由于晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列有序，在不同的方向上質(zhì)點(diǎn)的排列密度往往不同，因此在不同的方向上晶體對(duì)光、電、磁、熱的傳導(dǎo)速率和強(qiáng)度往往具有較大差異，這種差異被稱之為各向異性。例如，石墨和藍(lán)寶石是常見的晶體,其中石墨的結(jié)構(gòu)呈層狀,在與層垂直方向的導(dǎo)電率為與層平行方向上導(dǎo)電率的1/10000;藍(lán)寶石在不同方向上的硬度是不同的。對(duì)于非晶體而言，從微觀角度講，質(zhì)點(diǎn)的排列雜亂無序，從宏觀統(tǒng)計(jì)的角度看，在所有方向上質(zhì)點(diǎn)的排列密度均相同，對(duì)光、電、磁、熱的傳導(dǎo)速率和強(qiáng)度也都相同，所以是各向同性的。例如玻璃在破碎時(shí)，其碎片的形狀是完全任意的。需要注意的是，并非所有晶

7、體都具備各向異性，當(dāng)晶體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)在各個(gè)方向上排列相同時(shí)，它就是各向同性的，如氯化鈉、氯化鉀、氯化銫等晶體都是各向同性的。2、晶體和非晶體導(dǎo)熱性能比較在一塊云母片和一塊玻璃表面均涂上一層石蠟，然后用熱的針尖接觸石蠟，由圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)云母和玻璃導(dǎo)熱是有明顯區(qū)別的,尤其是燒熔最大區(qū)域的比較有很明顯的不同.石英晶體表面的石蠟熔化成橢圓形，而玻璃表面的石蠟熔化成圓形。證明在不同方向上云母對(duì)熱的傳導(dǎo)速率不同，而玻璃對(duì)熱的傳導(dǎo)在所有方向上都是相等的。圖6 涂覆云母上石蠟的熔化過程圖7涂覆玻璃上石蠟的熔化過程（三）熔點(diǎn)晶體必須到達(dá)熔點(diǎn)時(shí)才能熔解，而非晶體在熔解的過程中，沒有明確的熔點(diǎn)，隨著溫度升高，物質(zhì)

8、首先變軟，然后逐漸由稠變稀。晶體在熔化時(shí)，溫度不變，晶體有確定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)，同一種晶體物質(zhì)的凝固點(diǎn)跟它的熔點(diǎn)相同，不同的晶體，具有各不相同的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)。例如在常壓下，當(dāng)冰的溫度達(dá)到熔點(diǎn)(27315K)時(shí)，冰必定開始熔化，同樣當(dāng)氯化鈉的溫度達(dá)到熔點(diǎn)(1074K)時(shí)，也必定開始熔化。而當(dāng)加熱石蠟、瀝青、玻璃、塑料等無定形固體時(shí)，你只能觀察到它們逐漸軟化，最后變成了易流動(dòng)的液體，但你永遠(yuǎn)無法知道它們是在哪一確切溫度開始熔化的，也就是說它們根本就沒有固定的熔點(diǎn)。表2 晶體和非晶體融化和凝固的比較晶體非晶體物質(zhì)舉例海波、冰、石英、食鹽、水晶、明礬、蔡、各種金屬 松香、玻璃、蜂蠟、瀝青熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)同一

9、晶體的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)相同非晶體無固定的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)熔化過程吸收熱量.溫度不變吸收熱量，溫度升高凝固過程放出熱量，溫度不變 放出熱量，溫度降低熔化條件 溫度達(dá)到熔點(diǎn)，繼續(xù)吸熱吸收熱量凝固條件溫度達(dá)到凝尚點(diǎn)，繼續(xù)放熱放出熱量融化曲線凝固曲線（四）對(duì)X射線的衍射晶體可對(duì)X射線發(fā)生，非晶體不可對(duì)X射線發(fā)生衍射，當(dāng)單一波長的X-射線通過晶體時(shí)，會(huì)在記錄儀上看到分立的斑點(diǎn)或明銳譜線。而在同一條件下攝取的非晶體圖譜中卻看不到分立的斑點(diǎn)或明銳譜線。晶格具有一定的對(duì)稱性和周期性，周期性排列的晶體相當(dāng)于三維光柵，能使波長相當(dāng)?shù)腦射線、電子流和中子流產(chǎn)生衍射效應(yīng)，成為了解晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要實(shí)驗(yàn)方法。非晶質(zhì)沒有周期性結(jié)

10、構(gòu)，只能產(chǎn)生散射效應(yīng)，得不到衍射圖像。僅從外觀上,用肉眼很難區(qū)分晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體。一塊加工過的水晶晶體與同樣形狀的玻璃(非晶體)外觀上幾乎看不出任何區(qū)別。常用的鑒定技術(shù)是X光技術(shù)。X射線衍射是判定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有力手段之一。X射線是由高能的光子構(gòu)成，通過晶體后，由于晶體晶格的作用，會(huì)產(chǎn)生一定的衍射圖樣。不同的晶體，其圖樣以及圖樣的尺寸結(jié)構(gòu)有所不同，因此，可以利用這一性質(zhì)來進(jìn)行物質(zhì)判定。X射線衍射是常用的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析手段之一。 三、晶體與非晶體的相互轉(zhuǎn)化晶體與非晶體在一定條件下是可以互相轉(zhuǎn)化的。 由非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)，這一過程稱為晶化或脫?；?。晶化過程可以自發(fā)進(jìn)行，因?yàn)榉蔷B(tài)內(nèi)能高、不穩(wěn)定，而晶態(tài)

11、內(nèi)能低、穩(wěn)定。相反，晶體也可因內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則排列遭到破壞而轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)，這個(gè)過程稱為非晶化。非晶化一般需要外能。因?yàn)榫w比非晶體穩(wěn)定，所以晶體的分布十分廣泛，自然界的固體物質(zhì)中，絕大多數(shù)是晶體。我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|到的石頭、沙子、金屬器材、水泥制品、食鹽、糖、甚至土壤等等，大多數(shù)是由晶體組成的。在這些物質(zhì)中，晶體顆粒大小十分懸殊，有的晶體尺寸可達(dá)幾米或幾十米，但有的晶體（例如在土壤中的晶體）則只有微米級(jí)大小。參考文獻(xiàn)：1 鄭少山，李春密，李正福.晶體和非晶體導(dǎo)熱性能比較實(shí)驗(yàn)的探討. 物理實(shí)驗(yàn)，2011-01-202 宋其圣，孫思修.無機(jī)化學(xué)教程.濟(jì)南市：山東大學(xué)出版社，2001 3 章偉光.無機(jī)

12、化學(xué).北京市：科學(xué)出版社，20114 陸達(dá)用.物理的捷徑.廣西民族出版社，2011 5 周公度.晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對(duì)稱性.北京市：高等教育出版社，1992 6 王煜明.非晶體及晶體缺陷的X射線衍射.北京市：科學(xué)出版社，19887 黃建華.太陽能光伏理化基礎(chǔ). 北京市：化學(xué)工業(yè)出版社，20118 趙海霞，劉春廷.工程材料及其成形技術(shù), 北京市：化學(xué)工業(yè)出版社，20109 聶小武實(shí)用有色合金鑄造技術(shù). 沈陽市：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2009 10 白素琴.屬學(xué)及熱處理.京市：冶金工業(yè)出版社，2009單晶，多晶，非晶，微晶，無定形，準(zhǔn)晶的區(qū)別何在？要理解這幾個(gè)概念，首先要理解晶體概念，以及晶粒概念。自

13、然界中物質(zhì)的存在狀態(tài)有三種：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài) 固體又可分為兩種存在形式：晶體和非晶體 晶體是經(jīng)過結(jié)晶過程而形成的具有規(guī)則的幾何外形的固體；晶體中原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性重復(fù)的排列。晶體共同特點(diǎn)：均 勻 性： 晶體內(nèi)部各個(gè)部分的宏觀性質(zhì)是相同的。 各向異性： 晶體種不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)。 固定熔點(diǎn)： 晶體具有周期性結(jié)構(gòu)，熔化時(shí)，各部分需要同樣的溫度。 規(guī)則外形： 理想環(huán)境中生長的晶體應(yīng)為凸多邊形。 對(duì) 稱 性： 晶體的理想外形和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有特定的對(duì)稱性。 對(duì)晶體的研究，固體物理學(xué)家從成健角度分為離子晶體 原子晶體 分子晶體 金屬晶體 顯微學(xué)則從空間幾何上來分，有七大晶系，

14、十四種布拉菲點(diǎn)陣，230種空間群，用拓?fù)鋵W(xué)，群論知識(shí)去研究理解。可參考晶體學(xué)中的對(duì)稱群一書 （郭可信，王仁卉著）。與晶體對(duì)應(yīng)的，原子或分子無規(guī)則排列，無周期性無對(duì)稱性的固體叫非晶，如玻璃，非晶碳。一般，無定型就是非晶,英語叫amorphous，也有人叫g(shù)lass(玻璃態(tài)）.晶粒是另外一個(gè)概念，搞材料的人對(duì)這個(gè)最熟了。首先提出這個(gè)概念的是凝固理論。從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程首先要成核，然后生長，這個(gè)過程叫晶粒的成核長大。晶粒內(nèi)分子、原子都是有規(guī)則地排列的，所以一個(gè)晶粒就是單晶。多個(gè)晶粒，每個(gè)晶粒的大小和形狀不同,而且取向也是凌亂的,沒有明顯的外形,也不表現(xiàn)各向異性,是多晶。英文晶粒用Grain表示，

15、注意與Particle是有區(qū)別的。有了晶粒，那么晶粒大?。ňЯ６龋?，均勻程度，各個(gè)晶粒的取向關(guān)系都是很重要的組織（組織簡單說就是指固體微觀形貌特征）參數(shù)。對(duì)于大多數(shù)的金屬材料，晶粒越細(xì)，材料性能（力學(xué)性能）越好，好比面團(tuán)，顆粒粗的面團(tuán)肯定不好成型，容易斷裂。所以很多冶金學(xué)家材料科學(xué)家一直在開發(fā)晶粒細(xì)化技術(shù)?？茖W(xué)總是喜歡極端，看得越遠(yuǎn)的鏡子叫望遠(yuǎn)鏡；看得越細(xì)的鏡子叫顯微鏡。晶粒度也是這樣的，很小的晶粒度我們喜歡，很大的我們也喜歡。最初，顯微鏡倍數(shù)還不是很高的時(shí)候，能看到微米級(jí)的時(shí)候，覺得晶粒小的微米數(shù)量是非常小的了，而且這個(gè)時(shí)候材料的力學(xué)性能特別好。人們習(xí)慣把這種小尺度晶粒較微晶。然而科學(xué)總是發(fā)

16、展的，有一天人們發(fā)現(xiàn)如果晶粒度再小呢，材料性能變得不可思議了，什么量子效應(yīng)，隧道效應(yīng)，超延展性等等很多小尺寸效應(yīng)都出來了，這就是現(xiàn)在很熱的，熱得不得了的納米，晶粒度在1nm-100nm之間的晶粒我們叫納米晶。再說說非晶，非晶是無規(guī)則排列，無周期無對(duì)稱特征，原子排列無序，沒有一定的晶格常數(shù)，描敘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的只有徑向分布函數(shù)，這是個(gè)統(tǒng)計(jì)的量。我們不知道具體確定的晶格常數(shù)，我們總可以知道面間距的統(tǒng)計(jì)分布情況吧。非晶有很多誘人的特性，所以也有一幫子人在成天做非晶，尤其是作大塊的金屬非晶。因?yàn)樗膽?yīng)力應(yīng)變曲線很特別。前面說了，從液態(tài)到到固態(tài)有個(gè)成核長大的過程，我不讓他成核呢，直接到固態(tài)，得到非晶，這需要很

17、快的冷卻速度。所以各路人馬一方面在拼命提高冷卻速度，一方面在不斷尋找新的合金配方，因?yàn)椴煌暮辖鹋浞接胁煌姆蔷纬赡芰ΓǔＳ蠺g參數(shù)表征，叫玻璃化溫度。非晶沒有晶粒，也就沒有晶界一說。也有人曾跟我說過非晶可以看成有晶界組成。 那么另一方面，我讓他成核，不讓他長大呢，不就成了納米晶。人們都說，強(qiáng)扭的瓜不甜，既然都是抑制成核長大，那么從熱力學(xué)上看，很多非晶，納米晶應(yīng)該不是穩(wěn)態(tài)相。所以你作出非晶、納米晶了，人們自然會(huì)問你熱穩(wěn)定性如何。后來，又有一個(gè)牛人叫盧柯，本來他是搞非晶的，讀研究生的時(shí)候他還一直想把非晶的結(jié)構(gòu)搞清楚呢（牛人就是牛人，選題這么牛，非晶的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在人們還不是很清楚）。他想既然我把非

18、晶做出來了，為什么我不可以把非晶直接晶化成納米晶呢，納米晶熱啊，耶，這也是一種方法，叫非晶晶化法。既然晶界是一種缺陷，缺陷當(dāng)然會(huì)影響材料性能，好壞先不管他，但是總不好控制。如果我把整個(gè)一個(gè)材料做成一個(gè)晶粒，也就是單晶，會(huì)是什么樣子呢，人們發(fā)現(xiàn)單晶確實(shí)會(huì)有多晶非晶不同的性能，各向異性，誰都知道啊。當(dāng)然還有其他的特性。所以很多人也在天天搗鼓著，弄些單晶來?，F(xiàn)在不得不說準(zhǔn)晶。準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)，是20世紀(jì)80年代晶體學(xué)研究中的一次突破。這是我們做電鏡的人的功勞。1984年底，D.Shechtman等人宣布，他們?cè)诩崩淠痰腁l Mn合金中發(fā)現(xiàn)了具有五重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱但并無無平移周期性的合金相，在晶體學(xué)及相關(guān)的學(xué)術(shù)界引起了很大的震動(dòng)。不久，這種無平移同期性但有位置序的晶體就被稱為準(zhǔn)晶體。后來，郭先生一看，哇，我們這里有很多這種東西啊，抓緊分析，馬上寫文章，那段金屬固體原子像的APL,PRL多的不得了，基本上是這方面的內(nèi)容。準(zhǔn)晶因此也被D.Shechtman稱為“中國像”。斑竹也提到過孿晶，英文叫twinning，孿晶其實(shí)是金屬塑性變形里的一個(gè)重要概念。孿生與滑移是兩種基本的形變機(jī)制。從微觀上看，晶體原子排列沿某一特定面鏡像對(duì)稱。那個(gè)面叫欒晶面。很多教科書有介紹。一般面心立方結(jié)構(gòu)的金屬材料，滑移