晶體是怎麼形成的

　　晶體的分佈非常廣泛，自然界的固體物質中，絕大多數是晶體。氣體、液體和非晶物質在一定的合適條件下也可以轉變成晶體。那麼晶體怎麼形成的呢?

　　晶體的種類：

　　晶體的一些性質取決於將分子聯結成固體的結合力。這些力通常涉及原子或分子的最外層的電子***或稱價電子***的相互作用。如果結合力強，晶體有較高的熔點。如果它們稍弱一些，晶體將有較低的熔點，也可能較易彎曲和變形。如果它們很弱，晶體只能在很低溫度下形成，此時分子可利用的能量不多。

　　有四種主要的晶體鍵。離子晶體由正離子和負離子構成，靠不同電荷之間的引力***離子鍵***結合在一起。氯化鈉是離子晶體的一例。原子晶體***共價晶體***的原子或分子共享它們的價電子***共價鍵***。鑽石、鍺和矽是重要的共價晶體。金屬晶體是金屬的原子變為離子，被自由的價電子所包圍，它們能夠容易地從一個原子運動到另一個原子，可形象的描述為沉浸在自由電子的海洋裡***金屬鍵***。當這些電子全在同一方向運動時，它們的運動稱為電流。分子晶體的分子完全不分享它們的電子。它們的結合是由於從分子的一端到另一端電場有微小的變動。因為這個結合力很弱***範德華力和氫鍵***，這些晶體在很低的溫度下就熔化，且硬度極低。典型的分子結晶如固態氧和冰。

　　在離子晶體中，電子從一個原子轉移到另一個原子。共價晶體的原子分享它們的價電子。金屬原子的一端有少量的負電荷，另一端有少量的正電荷。一個弱的電引力使分子就位。

　　用來製作工業用的晶體的技術之一，是從熔液中生長。籽晶可用來促進單晶體的形成。在這個工序裡，籽晶降落到裝有熔融物質的容器中。籽晶周圍的熔液冷卻，它的分子就依附在籽晶上。這些新的晶體分子承接籽晶的取向，形成了一個大的單晶體。藍寶石和紅寶石的基本成分是氧化鋁，它的熔點高，製成一個盛裝它的熔液的容器是困難的。人工合成藍寶石和紅寶石是用維爾納葉法***焰熔法***製成，即將氧化鋁粉和少量上色用的鈦、鐵或鉻粉，通過火焰下滴到籽晶上。火焰將粉熔解，然後在籽晶上重新結晶。

　　生長人造鑽石需要高於1600℃的溫度和60000倍大氣壓。人造鑽石砂粒小且黑，它們適宜工業應用。區域熔化過程用來純化半導體工業中的矽晶體。一個單晶體垂直懸掛在矽棒的頂端上。在兩者接觸處加熱，棒的頂端熔化，並在單晶體上重結晶，然後將加熱處慢慢地沿棒下移。

　　晶體的形成：

　　固態物質分為晶體和非晶體。非晶體的外形是不規則的，物理性質也表現為各向同性。非晶體是隨溫度的升高逐漸由硬變軟，而熔化，非晶體沒有固定的熔點。

　　晶體和非晶體所以含有不同的物理性質，主要是由於它的微觀結構不同。組成晶體的微粒──原子是對稱排列的，形成很規則的幾何空間點陣。空間點陣排列成不同的形狀，就在巨集觀上呈現為晶體不同的獨特幾何形狀。組成點陣的各個原子之間，都相互作用著，它們的作用主要是靜電力。對每一個原子來說，其他原子對它作用的總效果，使它們都處在勢能最低的狀態，因此很穩定，巨集觀上就表現為形狀固定，且不易改變。晶體內部原子有規則的排列，引起了晶體各向不同的物理性質。例如原子的規則排列可以使晶體內部出現若干個晶面，立方體的食鹽就有三組與其邊面平行的平面。如果外力沿平行晶面的方向作用，則晶體就很容易滑動***變形***，這種變形還不易恢復，稱為晶體的彈性。從這裡可以看出沿晶面的方向，其彈性限度小，只要稍加力，就超出了其彈性限度，使其不能復原;而沿其他方向則彈性限度很大，能承受較大的壓力、拉力而仍滿足胡克定律。當晶體吸收熱量時，由於不同方向原子排列疏密不同，間距不同，吸收的熱量多少也不同，於是表現為有不同的傳熱係數和膨脹係數。

　　非晶體的內部組成是原子無規則的均勻排列，沒有一個方向比另一個方向特殊，如同液體內的分子排列一樣，形不成空間點陣，故表現為各向同性。

　　當晶體從外界吸收熱量時，其內部分子、原子的平均動能增大，溫度也開始升高，但並不破壞其空間點陣，仍保持有規則排列。繼續吸熱達到一定的溫度──熔點時，其分子、原子運動的劇烈程度可以破壞其有規則的排列，空間點陣也開始解體，於是晶體開始變成液體。在晶體從固體向液體的轉化過程中，吸收的熱量用來一部分一部分地破壞晶體的空間點陣，所以固液混合物的溫度並不升高。當晶體完全熔化後，隨著從外界吸收熱量，溫度又開始升高。而非晶體由於分子、原子的排列不規則，吸收熱量後不需要破壞其空間點陣，只用來提高平均動能，所以當從外界吸收熱量時，便由硬變軟，最後變成液體。玻璃、松香、瀝青和橡膠就是常見的非晶體。

　　多數的固體晶體屬於多晶體***也叫復晶體***，它是由單晶體組成的。這種組成方式是無規則的，每個單晶體的取向不同。雖然每個單晶體仍保持原來的特性，但多晶體除有固定的熔點外，其他巨集觀物理特性就不再存在。這是因為組成多晶體的單晶體仍保持著分子、原子有規則的排列，溫度達不到熔解溫度時不會破壞其空間點陣，故仍存在熔解溫度。而其他方面的巨集觀性質，則因為多晶體是由大量單晶體無規則排列成的，單晶體各方向上的特性平均後，沒有一個方向比另一個方向上更佔優勢，故成為各向同性。各種金屬就屬於多晶體。它們沒有固定的獨特形狀，表現為各向同性。
 

晶體形成