第七章 A 固体的基本性质

在20世纪上半叶，物理学对固体的研究主要是针对自然界天然存在物体的一些物理现象，例如各种金属和非金属晶体。但到20世纪下半叶，固体物理逐渐演变为含义更广的凝聚态物理（液态也包括在内）。研究方法上主要是从微观结构和微观粒子（分子、原子、电子）的运动来研究其宏观性质。

我们从分子动理论可以知道，分子不停地在做无规则运动，它们之间有相互作用力存在。分子力的作用使分子聚集在一起，分子的无规则运动又使它们分散开来，这两种作用相反的因素决定了分子的三种不同的聚集状态：固态、液态和气态。

固体和液体有一个共同点，即原子、分子间距离较短，彼此间有较强的作用，它们都不易被压缩。而气体和液体都没有一定的形状，都具有流动性，所以统称为流体。气体分子间距离较大，分子间的作用十分微弱，可以认为气体分子除了跟别的分子或跟器壁碰撞时有相互作用外，不受其他任何作用力，所以气体分子可以到达容器的任何角落而充满整个容器。

本章我们将学习固体、液体和气体的性质，以及它们的微观结构。

瑞典皇家科学院于1996年10月宣布，将当年诺贝尔化学奖授予美国的罗伯特·柯尔、理查德·斯莫利和英国的哈罗德·克罗托。这三位科学家获奖的原因是他们发现了一种新的碳的同素异构体：碳- 60。这种分子形状很像足球的新材料有许多独特的性质，将在21世纪的经济建设中发挥重要的作用。

那么，极微小的“足球”为什么会在科技界引起如此巨大的轰动效应呢？要解释这些问题，我们必须从固体的微观结构及其基本性质讨论起。

一、晶体和非晶体

固体是一种物质的凝聚态。从结构上说，一般可以把固体分成晶体和非晶体两大类，我们平时接触的物质，如金属、玻璃、木材、泥土等，其中哪些是晶体？哪些是非晶体呢？

拓展联想

你知道什么是凝聚态物质吗？物质除气、液、固三种常见状态外，还有介于液、固之间的中间态、等离子态、低温下的特殊量子态（如超流态）等。除稀薄气体外，包括稠密气体在内的其他各种物质状态统称为物质的凝聚态，人们对凝聚态物质的研究是从结构最有规律的晶体开始的。

1．晶体与非晶体的区别

自然界中存在的大多数固体都具有晶态结构，例如，大家都知道的岩石、金属、食盐、糖、味精、硫酸铜等都是晶体，泥土、棉花和肌肉纤维等也都由晶体构成，甚至构成生命的物质基础——蛋白质、核酸等，它们也是晶体。我们生病的时候要吃药，而各种固体状态的药品，如消炎片、阿司匹林等都由晶体构成。现在已经证实，甚至许多活着的病毒也是晶体。所以，我们可以毫不夸张地说：“人类生活在晶体世界里！”

最普通的非晶体就是玻璃，所以有时候非晶体也叫玻璃体，谁能想到，这种透明晶亮的玻璃反而不是晶体呢！当然，除玻璃外，常见的非晶体还有橡胶、石蜡、沥青和塑料等。

晶体和非晶体无论在外形上还是物理性质上都有很大区别。

晶体具有规则的几何形状，非晶体没有规则的外形。图7-2所示是几种晶体的形状。

图7-3（a）所示是呈立方体外形的食盐晶体，图7-3（b）是呈八面体的明矾晶体，图7-3（c）是石英晶体的外形图：中间是六面棱柱，两端是六棱锥，图7-4是由矿物石英形成的紫水晶的外形图，在地壳中的大多数矿石都以晶体形式存在，例如可做成贵重首饰的钻石和翡翠就存在于天然矿石中。图7-5是世界上最大的切割好的钻石——库里南Ⅰ号（530.2克拉），它被镶嵌在英国国王的权杖上。

在初中已学过，晶体有一定的熔点，而非晶体没有一定的熔点，

另外，晶体和非晶体还有许多物理性质也不相同。晶体在不同方向上的物理性质（力学、热学、电学、光学性质等）是不尽相同的，这种现象称为晶体的各向异性，是区别于非晶体的一个基本特征。现在我们一起来做几个小实验，比较一下晶体与非晶体的物理性质究竟有哪些不同之处。

（1）取一张云母薄片和一块玻璃片，在上面涂上一层很薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触云母片和玻璃片的下表面，比较一下观察到的结果。

从实验可知，在云母片上熔化的石蜡呈椭圆形，如图7-6（a）所示；在玻璃片上呈圆形，如图7-6（b）所示。这表明了云母晶体在各个方向上的导热性能是不一样的；非晶体玻璃在各个方向上的导热性能却是相同的。

（2）在不同方向对云母片用力，在某个方向上可以把云母片很容易地撕成片状，而其他方向就不易撕开。说明云母晶体在不同方向上的力学性质是不同的，而玻璃不管在什么方向上受到撞击，都会“粉身碎骨”，说明非晶体的力学性质在各个方向上是相同的。

进一步实验可知，晶体的光学性质也是各向异性的，如在不同方向上，晶体有不同的折射性质等。

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晶体与非晶体之间是可以相互转化的。天然水晶是晶体，而熔化以后再凝结成的水晶——石英玻璃却是非晶体，非晶体在一定条件下也可转化为稳定的晶态物质，这一转化叫晶化过程。

2．单晶体与多晶体

晶体又分单晶体和多晶体。整个物体就是一个晶体的叫做单晶体，如单晶体硅、锗，是半导体工业的重要原材料。若整个物体是由大量不规则排列的小晶体组成的，就叫做多晶体（如各种金属材料）。多晶体没有规则的几何形状。由于小晶体的排列是杂乱无章的，因此多晶体的物理性质在整体上表现为各向同性。但多晶体仍有一定的熔点。

二、固体的微观结构

晶体和非晶体为什么会有很大区别呢？人们对晶体的研究从17世纪已经开始了，并根据单晶体外形的规则性和各向异性的物理性质，提出了一些假说。如今，人们用各种实验手段可以对晶体的内部结构进行观察和分析，证实了晶体内部的微粒排列是有规则的。为了对晶体的微观本质有进一步了解，岿须先来研究分子间的相互作用。

1．分子间的相互作用力

分子动理论告诉我们：物质是由大量不停地做无规则运动的分子所组成，分子间还存在着相互作用力。研究表明，分子间同时存在着引力和斥力，它们的大小都跟分子间的距离有关，图7-7中的两条虚线分别表示两个分子间的引力和斥力大小随分子间距离变化的情形，实线表示引力和斥力的合力（即实际表现出来的分子间的作用力）随分子间距离变化的情形。由图示的曲线可知，引力和斥力都随着分子间距离增大而减小，当分子间距离等于r₀时，分子间的引力和斥力相互平衡，即合力为零，因此距离r₀就相当于正常情况下分子间的空隙，大约是零点几纳米（10^-10m数量级），叫做分子间的平衡距离。当分子间距离小于r₀时，分子间的引力和斥力同时增大，但斥力增大得较快，因此这时的分子力表现为斥力。当分子间距离大于确时，分子间的引力和斥力同时减小，但斥力减小得较快，因此，这时的分子力表现为引力。若分子间距离大于60nm时，分子力就变得十分微弱而可以忽略不计了，表明这时两个分子间已不存在相互作用力了。

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分子间的相互作用力很复杂。为了处理方便，采用简化的模型进行研究：假设分子间同时存在引力和斥力的作用，且斥力的有效作用距离比引力小。

2．空间点阵

固体中分子或原子间距离在零点几纳米左右，相互作用比较明显。组成晶体的物质微粒（分子、原子或离子）依照一定的规律在空间整齐地排列，构成“空间点阵”。微粒在一定的平衡位置附近不停地做微小的振动，晶体具有规则的外形也就不难理解了。

那么，晶体物理性质的各向异性又该如何解释呢？

图7-8表示在一个平面上晶体物质。微粒的排列情况。在图上所画出的三条等长线AB、AC、AD上，物质微粒的数目均不同，使晶体在不同方向上的力学性质、导热性、对光的折射率等物理性质都会不同。这就是晶体的物理性质各向异性的缘由。

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图7-9是自然界中存在的一种晶体——沸石，它尽管像岩石一样坚硬，但是它像海绵一样可以吸收液体和气体，受挤压后这些液体和气体又会被挤出来。沸石晶体特有的结构可有选择地过滤某些化学物质。因此，沸石是一种很好的分子过滤器，作为催化剂和吸收剂在许多方面有广泛的应用。

*三、巴基球

有的物质能够生成不同的几种晶体结构，叫做该物质的同素异构体。以碳元素为例，几个世纪以来，人们只知道固态碳有两种结晶形式：原子排列呈平面层状结构的石墨和呈正四面体结构的金刚石，如图7-10（a）、（b）所示。碳- 60的发现使人们知道了还有第三种固态碳的同素异构体，这种“足球”形状的削角正20面体结构的碳分子，称为“巴基球”。

实验已证实，碳-60分子是由60个碳原子组成的笼状大分子，分子直径约7.1×10^-10m；其结构共有60个顶角，一个碳原子占据一个顶角，形成一个“足球”形状，图7-10（c）就是碳-60分子的“足球”模型。由碳- 60分子在空间作规则排列，便形成碳- 60晶体，俗称“巴基球”晶体。纯净的“巴基球”晶体有金属光泽，微晶粉末呈黄色。“巴基球”分子特别稳定，不导电，可承受静态压力达20万个大气压，还能抗辐射、抗化学腐蚀。在碳- 60发现之后的20世纪90年代初期，世界上出现了一股碳- 60研究热。许多科学家认为，这种具有新型分子结构的材料会有很多用途。图7 - 11是“巴基球”用途的示意图。