§9-7  固体的性质及晶体结构的一般概念

    固体有两类,即晶体和非晶体。晶体又分为单晶体和多晶体,而多晶体是由许多小单晶体(称为晶粒)组成的。这里所说的固体一般性质主要是指固体不同于气体和液体的性质,以及晶体与非晶体相比较的突出特性。

    一、固体的一般性质

    1. 固体具有一定的体积并保持自己的一定形状

    液体的分子密度比气体的高3~4个数量级,一般认为分子是一个挨着一个排列的。而液体转变为固体时,体积一般将缩小约10%,分子间距将缩小约3%,所以固体中分子之间的相互作用比其液态时更强。固体分子的热运动一般不会在整个固体内平移运动,而只能在自己的平衡位置上作热振动。因而固体不仅具有一定的体积,还能保持一定的形状。

    也正是由于组成固体的分子之间具有比流体更强的相互作用,使固体能够保持自己的一定形状,才使得固体的弹性既表现在当固体发生长变(或体变)时能够产生相应的压应力和张应力,也表现在当固体发生剪切时能够产生相应的剪应力。因而在固体中既能够形成和传播纵波,也能够形成和传播横波。流体通常却只能形成和传播纵波,而不能形成和传播横波。

    在保持一定形状方面,单晶体与非晶体相比具有不同的性质。单晶体具有自发地形成封闭凸多面体的特性,这称为晶体的自限性。这种特性是晶体内部原子的规则排列在晶体宏观形态上的反映。通常把围成单晶凸多面体的光滑平面称为晶体的晶面,不同晶面之间的交线称为晶棱,不同晶棱的交汇点称为顶点。由于生长条件的不同,同一种晶体会有不同的外形。图9-18中表示了石英晶体的几种常见外形。尽管同一种晶体有不同的外形,但是相应晶面间的夹角却是恒定不变的,这个规律称为晶面角守恒定律。如图9-18中表示的石英晶体, 晶面ab间的夹角是141°47¢, 晶面bc间的夹角是120°00¢,晶面ac间的夹角是113°08¢

                          图9-18

    非晶体虽然具有一定的体积并保持自己的一定形状,却不具有晶体的上述特性。

    2. 单晶体具有各向异性

    沿单晶体不同方向,其力学性质、电磁性质、热学性质和光学性质一般各不相同,这称为各向异性。例如,在云母晶体片的一面涂一层石蜡,用烧热的钢针尖端接触云母片的另一面,大家会看到熔化的石蜡呈椭圆形,而不是圆形。这是由于云母晶体片的热导率沿熔化石蜡的椭圆长轴方向的值大于沿椭圆短轴方向的值。

    多晶体是由许多单晶颗粒组成的,而这些单晶颗粒的特征方向是混乱取向的,所以宏观上显示不出各向异性来。非晶体则不存在这种各向异性性质。

    3. 晶体具有确定的熔点

    晶体开始熔化的温度称为熔点。加热晶体,当温度达到熔点时,开始熔化,这时晶体虽然继续被加热,但温度却保持不变,直至晶体全部熔化为液态后, 温度才继续上升。凡是晶体(无论单晶体,还是多晶体)都具有确定的熔点。而非晶体没有确定的熔点,熔化过程与某一宽广的温度范围相对应,随着温度的升高非晶体先由硬变软,最后变成液态。

       
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