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如何区分:单晶体、多晶体、准晶、液晶、隐晶

一、几组概念

1.单晶体

定义:单晶体是整个晶体内部原子或分子按一定规则周期性排列的固体。

特点:有规则的几何外形,如食盐(NaCl)单晶体是立方体形状;物理性质各向异性,例如云母片沿不同方向的导热性不同,在一个方向上容易传热,在另一个方向上则不容易。

2.多晶体

定义:多晶体是由许多小单晶体(晶粒)无规则地排列组合而成的晶体。

特点:没有规则的几何外形,因为它是众多小单晶体杂乱堆积而成;物理性质表现为各向同性,例如金属多晶体在各个方向上的导电性等物理性质基本相同,这是由于小单晶体的排列杂乱,使得各个方向的综合效果相同。

3.准晶

定义:准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。它具有长程准周期性平移序,也就是说原子的排列有一定的规律,但不是晶体那样的周期性规律。

特点:有独特的衍射花样,在电子衍射或 X 射线衍射实验中,准晶的衍射图案具有明显的非晶体和晶体所没有的特征,如五重对称的衍射斑点,而在传统晶体学中,晶体只有二、三、四、六重对称轴。

4.液晶

定义:液晶是一种在一定温度范围内既具有液体的流动性,又具有晶体的某些光学性质的有机化合物。

特点:液晶在电场、磁场、温度等外界条件作用下,分子排列会发生变化,从而引起光学性质改变,如液晶显示器(LCD)就是利用液晶的这种特性来实现图像显示的。

5.显晶

定义:显晶质是指矿物晶体颗粒能用肉眼或在一般放大镜下能分辨出晶体颗粒界限的结构。

像石英岩:其中的石英颗粒比较粗大,我们可以很清楚地看到石英颗粒之间的界限,这就是显晶质结构。在这种结构中,矿物晶体的形状、大小等物理特征比较直观,而且由于晶体颗粒较大,其物理性质可能更接近单晶体的各向异性,不过由于是多个晶体集合,各向异性的程度可能会因颗粒间的相互影响而有所变化。

6.隐晶

定义:隐晶质是指矿物颗粒很细,肉眼无法分辨出矿物颗粒界限的集合体。

特点:外观通常呈致密块状、土状等,需要借助显微镜等工具才能看清其内部的矿物颗粒形态和结构。

二、准晶、液晶、隐晶是晶体吗?

隐晶不是晶体(存在争议,具体要看隐晶质跟晶体特性形似程度而定,比如玛瑙是隐晶质的微观结构更接近晶体结构),它是指矿物颗粒细小,肉眼无法分辨矿物颗粒界限的集合体,其内部的晶体结构不明显,物理性质也不表现出晶体的各向异性等典型特征.

液晶不是晶体,它是介于固态晶体的三维有序和无规则液态之间的一种中间相态,虽有晶体的双折射等各向异性特征,但分子间作用力比固体弱,具有液体的易流动性,分子排列有序性也不如晶体的周期性排列严格.

准晶也不是晶体,它介于晶体和非晶体之间,原子排列呈长程有序,但不具备晶体的平移对称性,其布拉格衍射图具有如五次对称性等晶体所不允许的宏观对称性.

三、准晶到底是不是晶体?

准晶不是晶体,以下从二者的结构和性质等方面来阐述:

1.结构有序性

晶体

晶体具有长程有序的结构,其原子、离子或分子在三维空间呈周期性规则排列,这种排列方式可以用晶格和晶胞来描述,而且可以无限延伸,就如同整齐排列的方阵一样,比如氯化钠晶体,钠离子和氯离子在空间中严格按照特定的规律排列,形成了稳定的立方体形状的晶格结构。

准晶

准晶虽然也具有一定的有序性,但它的原子排列是一种准周期性的有序结构,这种结构介于晶体的周期性排列和非晶体的无序排列之间。例如,在一些铝锰准晶中,其原子排列具有特殊的对称性,但这种对称性并不是晶体那种简单的平移周期性,不能用传统的晶格来描述。

2.对称性

晶体

晶体具有特定的晶体学点群对称性,其对称操作包括旋转、反映、平移等,这些对称操作的组合是有限的,并且都与晶体的周期性结构相适应。例如,立方晶系的晶体具有较高的对称性,有多个三次轴、四次轴等旋转对称轴。

准晶

准晶具有独特的、晶体中不允许存在的旋转对称性,如五重对称、八重对称、十重对称等。这些特殊的对称性导致准晶不能像晶体那样通过简单的平移操作实现周期性的重复排列。

3.衍射图谱

晶体

晶体的 X 射线衍射图谱呈现出尖锐的、离散的衍射斑点,这些斑点的位置和强度可以用布拉格定律来解释,反映了晶体内部原子的周期性排列结构。

准晶

准晶的 X 射线衍射图谱中除了有尖锐的衍射峰外,还存在漫散的散射背景,这些尖锐峰的位置和强度分布不符合晶体的布拉格定律,说明其结构不是简单的周期性结构。

四、多晶体是晶体

内部结构有序性:多晶体由许多小的单晶体(晶粒)组成,每个单晶体内部的原子、离子或分子都呈规则排列,具有长程有序性,这是晶体的重要特征之一。例如,金属铜多晶体中,每个铜晶粒内部的铜原子都按照面心立方结构有序排列。

具有固定熔点:多晶体和其他晶体一样有固定的熔点。在加热多晶体时,当温度达到熔点,多晶体开始熔化,并且在熔化过程中温度保持不变,直到全部熔化完成。例如,氯化钠多晶体的熔点是801℃,在这个温度下,氯化钠多晶体从固态转变为液态。

满足晶体的共性:多晶体在物理性质上也表现出晶体的一些共性,虽然其各向异性在宏观上由于晶粒的随机取向而不明显,但在单个晶粒尺度上仍然是各向异性的。例如,多晶体的弹性模量等物理性质在微观的晶粒层面依然遵循晶体的物理规律。

(责任编辑:化学自习室)
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