晶体与非晶体的区别

JISHOU UNIVERSITY

《固体物理》期末

考核报告

晶体与非晶体的区别

摘要：自然界中的固体物质可以分为晶体和非晶体两大类。其中，晶体是指那些内部质点(原子、离子或分子)在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质。 与此相反，内部质点在三维空间无规律地排列的固体物质为非晶体或非晶态。非晶体的各种物理性质，在各个方向上都是相同的，即各向同性。非晶体没有固定的熔点，在熔化过程中，随着温度的升高，它首先变软，然后逐渐由稠变稀，经历一个软化过程。这些特征和晶体是不同的。晶体可对X 射线发生，非晶体不可对X 射线发生衍射。非晶态内能高、不稳定，而晶态内能低、稳定。 关键词：晶体 非晶体 区别

一、定义

晶体：内部微粒(原子、离子或分子)在空间按一定规律做周期性重复排列构成的固体物质。如石英、云母、食盐、明矾等。

非晶体：内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体物质。如玻璃、橡胶、松香、沥青等。

一些物质又有晶体和非晶体不同形态，如天然水晶和石英玻璃都有二氧化硅成分，但前者是晶体，后者是非晶体。

二、晶体与非晶体的区别 表1 晶体与非晶体的主要区别

（一）外形

1、区别

晶体都具有规则的几何形状，而非晶体没有一定的几何外形。

晶体自范性的本质:晶体中粒子微观空间里是呈现周期性的有序排列的。

晶体内部质点排列有序,外形规则。例如。在氯化钠晶体内部，无论任何方向上CI 一和Na+都是相间排列的，如图1，●代表Na离子，○代表Cl离子，其外形是非常规则的立方形，从盐场生产的粗大盐粒到实验室用的基准氯化钠微粒，无论大小都是立方形的。

图1 NaCl晶体结构

17世纪中叶，丹麦矿物学家斯迪诺在研究石英晶体断面时发现，石英晶面的大小和形状尽管千变万化，但相应晶面问的夹角却是相等的。如图2所示，无论哪种形状的石英晶体，其晶面a，b，C相互间的夹角均保持相等。随后人们又研究了大量不同形状的晶体。发现每种晶体不同晶面间的夹角都保持相等，从而就诞生了结晶学上的第一个定律——晶面夹角守恒定律。正因为晶体的生长必须遵循晶面夹角守恒定律，所以晶体由一个微小的结构单元生长成宏观晶体时永远保持有规则的外形。

图2 不同石英晶体的外形和晶面结构

非晶体内部质点排列杂乱无章，外形不规则。例如玻璃内部各种离子杂乱无章地堆积在一起，外形没有一定之规，人们可以在生产中任意改变其外部形貌。众多构造繁杂外形精美的玻璃艺术品，正是利用玻璃外形可以任意改变的性能而加工制成的。一些蜡像艺术品也是因为石蜡属于非晶体而得来。

2、晶体的内部结构

（1）七大晶系

晶体的外形决定于晶体的内部结构。能代表晶体全部结构特征和性质特点的最小重复单位称为晶胞。晶胞可以用六面体的3个棱边的边长a，b，c和构成同一顶点的3个面之间的夹角口α,β,γ来描述，如图3根据晶胞的棱边边长和晶面夹角，将晶体分成七大类型，通常称为七大晶系。图4绘出了其相应结构。

图3 晶胞示意图

图4 七大晶系的结构示意图

（2）十四种晶格

在各种晶系中，根据质点排列方式的区别又分成不同的晶格。晶格是一种几何概念，是组成晶体的质点在空间的排列方式。也将晶格称为布拉韦格子或布拉韦点阵。从几何学的角度讲，空间点阵有三种方式：线状、层状、三维立体构型。在晶体学中常见的十四种晶格如图5。有的物质由于微粒能够形成不同的空间点阵，因此能够生成种类不同的几种晶体。例如：碳原子可以形成非常软的石墨，也可以形成硬度很大的金刚石。

图5 十四种晶格结构

（二）各向异性

1、区别

晶体的各种物理性质，在各个方向上都是不同的，即各向异性；非晶体则显各向同性。

由于晶体内部质点排列有序，在不同的方向上质点的排列密度往往不同，因此在不同的方向上晶体对光、电、磁、热的传导速率和强度往往具有较大差异，这种差异被称

之为各向异性。例如，石墨和蓝宝石是常见的晶体,其中石墨的结构呈层状,在与层垂直方向的导电率为与层平行方向上导电率的1/10000;蓝宝石在不同方向上的硬度是不同的。对于非晶体而言，从微观角度讲，质点的排列杂乱无序，从宏观统计的角度看，在所有方向上质点的排列密度均相同，对光、电、磁、热的传导速率和强度也都相同，所以是各向同性的。例如玻璃在破碎时，其碎片的形状是完全任意的。

需要注意的是，并非所有晶体都具备各向异性，当晶体内部的质点在各个方向上排列相同时，它就是各向同性的，如氯化钠、氯化钾、氯化铯等晶体都是各向同性的。

2、晶体和非晶体导热性能比较

在一块云母片和一块玻璃表面均涂上一层石蜡，然后用热的针尖接触石蜡，由图6和图7可以发现云母和玻璃导热是有明显区别的,尤其是烧熔最大区域的比较有很明显的不同.石英晶体表面的石蜡熔化成椭圆形，而玻璃表面的石蜡熔化成圆形。证明在不同方向上云母对热的传导速率不同，而玻璃对热的传导在所有方向上都是相等的。

图6 涂覆云母上石蜡的熔化过程

图7 涂覆玻璃上石蜡的熔化过程

（三）熔点

晶体必须到达熔点时才能熔解，而非晶体在熔解的过程中，没有明确的熔点，随着温度升高，物质首先变软，然后逐渐由稠变稀。

晶体在熔化时，温度不变，晶体有确定的熔点和凝固点，同一种晶体物质的凝固点

跟它的熔点相同，不同的晶体，具有各不相同的熔点和凝固点。例如在常压下，当冰的温度达到熔点(273．15K)时，冰必定开始熔化，同样当氯化钠的温度达到熔点(1074K)时，也必定开始熔化。而当加热石蜡、沥青、玻璃、塑料等无定形固体时，你只能观察到它们逐渐软化，最后变成了易流动的液体，但你永远无法知道它们是在哪一确切温度开始熔化的，也就是说它们根本就没有固定的熔点。

（四）对X射线的衍射

晶体可对X射线发生，非晶体不可对X射线发生衍射，当单一波长的X-射线通过晶体时，会在记录仪上看到分立的斑点或明锐谱线。而在同一条件下摄取的非晶体图谱中却看不到分立的斑点或明锐谱线。

晶格具有一定的对称性和周期性，周期性排列的晶体相当于三维光栅，能使波长相当的X射线、电子流和中子流产生衍射效应，成为了解晶体内部结构的重要实验方法。非晶质没有周期性结构，只能产生散射效应，得不到衍射图像。

仅从外观上,用肉眼很难区分晶体、非晶体与准晶体。一块加工过的水晶晶体与同样形状的玻璃(非晶体)外观上几乎看不出任何区别。常用的鉴定技术是X光技术。X射线衍射是判定物质结构的有力手段之一。X射线是由高能的光子构成，通过晶体后，由