面心立方体结构研究

单质金属物质冷却到固体时，有些原子，像钋，是按照立方体的结构排列的，这样在原子中间有很大的空隙。另一些原子，像铁、钠、钾、钨、铬、钒等就在立方体的中心再嵌一个原子，这样排得更密一点。但是更多的原子是以最紧密的形式排列，像铜、银、金、镍、铝、铅、镁、铍、钛、锌、镉、钴等。如果假象成球形的单个原子没有对相邻的分子有方向或数量的要求，无数个小球组成一个要排列得最紧密的物质，那会排成什么样呢？

简单一点我们先从二维空间说起。二维空间对称的微粒是圆形的，一个圆的周围正好可以挤满6个同样的圆，一点也不空着，所以填满二维空间就是就是六角排列。

三维的情况要复杂一点，把二维最紧密的结构一层一层最紧密地叠起来，上面一层的小球落在下面三个小球的中间，使层与层之间的距离最近，在三维空间也正好是最紧密的排列【1】。

如果把底层的小球的位置称作A位的话，上一层的位置有两个不同排法，在B位或者C位。如果这一层在B位或在C位可以随便定义的话，那么再上一层的位置是否回到A位就很关键了。于是就有了A-B- A-B- A-B- A-B- A-B- A-B的排列方式和A-B-C- A-B-C- A-B-C- A-B-C 的排列方式。

原子按照A-B- A-B- A-B- A-B- A-B- A-B的方式排列，很显然有六边形的结构，我们把这种排列叫做六角密堆。镁、铍、钛、锌、镉、钴等原子组成的晶体就是六角密堆的。

按照A-B-C- A-B-C- A-B-C- A-B-C的排列，除了有六边形的对称结构外，换一个方向看，还有立方体的结构，仔细分析，就是立方体的每个面上都填着一个原子。所以这种最紧密的排列，叫做面心立方密堆。在面心立方密堆结构的立方体中，与大对角线垂直的平面就是一个按六边形紧密排列的。

用小球还可以排列成三棱锥、四棱锥，实际上下面的一些排列都是面心立方密堆，我们都可以在标准的面心立方体里截出来。

从简单的结构开始，我们可以不断加入其他原子，看看化合物晶体是什么结构，看看电子在晶体中是怎么运动，材料科学就是从最基本的原子一点点搭起来的。