第一節(jié)　晶體和非晶體

一、晶體與非晶體的概念

自然界中所見到的固體物質(zhì)可以分為兩種：一種是結(jié)晶態(tài)固體，即晶體；另一種則是非晶態(tài)固體，即非晶體。

結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)理論告訴我們，晶體是具有格子構(gòu)造的固體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)最基本的特征是質(zhì)點(diǎn)在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列。晶體的格子構(gòu)造決定了晶體具有自限性、均一性、異向性、對(duì)稱性和穩(wěn)定性等基本性質(zhì)。

非晶體，也稱非晶質(zhì)體，是與晶體相對(duì)立的固體物質(zhì)。它既不遵循晶體所共有的空間格子規(guī)律，也不具備晶體所共有的基本性質(zhì)。非晶體的外部形態(tài)呈一種無定形的凝固態(tài)，它的內(nèi)部構(gòu)造則是統(tǒng)計(jì)上均一的各向同性體，其質(zhì)點(diǎn)的分布類似于液體。因此，過去曾有人把它看成是過冷卻了的液體。確切地說，非晶體是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列無規(guī)律、不具格子構(gòu)造的無定形體。通常天然巖礦中的火山玻璃、膠體礦物、琥珀、松香以及部分人造無機(jī)固體物質(zhì)中的玻璃、部分塑料、樹脂、瀝青等均屬非晶體行列。

二、晶體與非晶體的區(qū)別

晶體與非晶體雖是固態(tài)物質(zhì)的兩種形態(tài)，但它們之間的差別卻很大。

第一，晶體與非晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，這是兩者之間最本質(zhì)的區(qū)別。晶體內(nèi)部具有格子構(gòu)造，質(zhì)點(diǎn)在三維空間作有規(guī)律的重復(fù)排列，被稱為既“近程有序”又“遠(yuǎn)程有序”，見圖2-1（a）。石英晶體中每個(gè)硅周圍的氧排列是一樣的，而硅和氧這種組合方式在空間也是作有規(guī)律重復(fù)排列的。非晶體內(nèi)部不具格子構(gòu)造，被稱為“近程有序”而“遠(yuǎn)程無序”，如圖2-1（b）所示。石英玻璃屬非晶體，其內(nèi)部每個(gè)硅周圍的氧排列雖然是一樣的，但硅和氧的組合方式在空間卻是無規(guī)律、雜亂無章地排布的。

第二，晶體與非晶體的外部形狀不同。晶體由于具有格子構(gòu)造，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以自發(fā)地形成封閉的幾何多面體外形。如金剛石晶體多具八面體外形，食鹽晶體多具立方體外形等，而非晶體則無此性質(zhì)，它只能通過人工切磨而成各種形狀。如玻璃可以人為地制作成長方體、球體、錐體、筒體等各種形狀，但卻不能自發(fā)地形成。

第三，晶體與非晶體的均一性不同。晶體的均一性取決于其格子構(gòu)造，可稱為“結(jié)晶均一性”并具有各向異性的特征；而非晶體由于不具有格子構(gòu)造，它的均一性是統(tǒng)一的、平均的、近似的均一，稱為“統(tǒng)計(jì)均一性”。并且非晶體的性質(zhì)不因方向不同而有所差別，具有等向性。兩種均一性有本質(zhì)的差別，不能混為一談。

第四，晶體與非晶體的熱穩(wěn)定性不同。晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)作有規(guī)律的排列，其質(zhì)點(diǎn)間距一定，相對(duì)勢(shì)能穩(wěn)定且較低。而非晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列無規(guī)律，質(zhì)點(diǎn)間距離不可能是平衡距離，其勢(shì)能較晶體大。因此，在相同的熱力學(xué)條件下，非晶體的內(nèi)能較晶體大，即晶體具有最小內(nèi)能。圖2-2和圖2-3分別為晶體與非晶體的加熱曲線。從圖中可看出，當(dāng)晶體受熱時(shí)，起初溫度隨時(shí)間逐漸上升，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，晶體開始熔解，同時(shí)溫度停止上升。此時(shí)所加的熱量用于破壞晶體的格子構(gòu)造，直到晶體完全熔解，溫度才繼續(xù)上升。由于格子構(gòu)造中各部分的質(zhì)點(diǎn)是按同一方式排列的，在同樣的溫度下可以破壞晶體的各個(gè)部分，因此，晶體具有一定的熔點(diǎn)。非晶體則不同，加熱時(shí)，非晶體首先變軟，逐漸變?yōu)轲こ淼娜垠w，最后變?yōu)檎嬲囊后w，在此過程中沒有溫度的停頓，因此，非晶體無一定的熔點(diǎn)。

第五，晶體與非晶體的分布范圍不同。晶體的分布十分廣泛，不僅在自然界中有，就是在工廠和實(shí)驗(yàn)室里以及在我們?nèi)粘Ｉ钪幸驳教幙梢姟Ｌ烊划a(chǎn)出的礦物絕大多數(shù)是晶體，工廠和實(shí)驗(yàn)室里生產(chǎn)的人造礦物、人工晶體及生活中使用的白糖、食鹽和藥品，甚至人工合成的有機(jī)蛋白質(zhì)——結(jié)晶牛胰島素等也是晶體。晶體不僅分布廣、種類多，而且大小相差很大，大的如蘇聯(lián)烏拉爾產(chǎn)出的天河石，整座采石場就坐落在一個(gè)天河石晶體上；小的一般肉眼都無法分辨，必須借助于顯微鏡、X射線衍射分析乃至高分辨率的透射電鏡才能判斷。相比之下，非晶體的分布范圍很小，而且種類也不如晶體繁多。

第六，晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。但晶體向非晶體轉(zhuǎn)化較非晶體向晶體轉(zhuǎn)化要難，這與能量的傳入或物質(zhì)成分的改變有關(guān)。因?yàn)榻Y(jié)晶狀態(tài)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而非晶體相對(duì)于晶體而言是不穩(wěn)定的，有自發(fā)地向晶體轉(zhuǎn)化的趨向。如自然界早期噴發(fā)出的巖漿所形成的火山玻璃，由于經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)年代，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行了緩慢的擴(kuò)散和調(diào)整，逐漸趨向于形成規(guī)則的排列，并逐漸向結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)化：開始時(shí)形成如同毛發(fā)般細(xì)小的雛晶，而后逐漸長大，最后變成了結(jié)晶質(zhì)礦物。這種由非晶質(zhì)體調(diào)整其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的排列方式向晶體轉(zhuǎn)化的作用，稱為退玻璃化（脫玻化）作用或晶化作用。相反的轉(zhuǎn)化，稱為玻璃化作用。如有些含放射性元素的礦物，由于受到破壞（但仍可保持原來的晶形）而轉(zhuǎn)變成非晶質(zhì)礦物。不過這種非晶質(zhì)礦物，在高于室溫的某個(gè)適合的溫度下保持一段時(shí)間后，又可以恢復(fù)成為晶體。