固體高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

第二章氣體、固體和液體2.4固體食鹽顆?？偸浅尸F(xiàn)立方體形，松香顆粒沒(méi)有規(guī)則的幾何形狀。?晶體和非晶體固體可以分為晶體和非晶體兩類。具有規(guī)則的幾何形狀．晶體石英、云母、明礬、食鹽、硫酸銅、味精等是晶體雪花是水蒸氣凝華時(shí)形成的晶體，它們都具有相似的幾何形狀，即圖案中都有六個(gè)角(圖2.4-1)。食鹽晶體是正六面體形，明礬晶體總是八面體形，天然石英品體(俗稱水晶)的中間是一個(gè)六棱柱，兩端是六棱錐(圖2.4-2)。這些晶體有天然的、規(guī)則的幾何形狀(圖2.4-3)。沒(méi)有規(guī)則的幾何形狀。非晶體玻璃、蜂蠟、松香、瀝青、橡膠等是非晶體。松香瀝青晶體和非晶體的差異除了形狀是否規(guī)則外，晶體和非晶體在物理性質(zhì)上也有所不同。我們?cè)诔踔幸呀?jīng)學(xué)過(guò)，晶體具有確定的熔點(diǎn)，非晶體沒(méi)有確定的熔化溫度，這就是區(qū)別之一。此外，其他物理性質(zhì)也有差異。觀察玻璃和云母片上石蠟熔化區(qū)域的形狀把熔化了的石蠟薄薄地涂在薄玻璃片和單層云母片上，再將烙鐵通電燒熱，然后用烙鐵頭分別接觸玻璃片和云母片的背面(圖2.4-4)。觀察玻璃片和云母片石蠟熔化區(qū)域的形狀(圖2.4-5)。石蠟熔化區(qū)域形狀的不同說(shuō)明了什么?從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，玻璃片上石蠟熔化區(qū)域的形狀近似于圓形，表明玻璃沿各個(gè)方向的導(dǎo)熱性能相同；云母片上石蠟熔化區(qū)域的形狀呈橢圓形，表明云母沿不同方向的導(dǎo)熱性能不同。還有些晶體沿不同方向的導(dǎo)電性能不同；而有些晶體沿不同方向的光學(xué)性質(zhì)不同，這類現(xiàn)象叫作各向異性

(anisotropy)。如圖2.4-6，方解石晶體是各向異性的晶體，它能把光分解為兩束光而沿不同方向折射，形成雙折射現(xiàn)象。非晶體沿各個(gè)方向的物理性質(zhì)都是一樣的這叫作各向同性(isotropy)。晶體和非晶體間的轉(zhuǎn)化(1)一種物質(zhì)可能以晶體和非晶體兩種不同的形態(tài)出現(xiàn)，例如水晶。天然水晶是晶體，熔化后再凝結(jié)的水晶(石英玻璃)就是非晶體，即一種物質(zhì)是晶體還是非晶體并不是絕對(duì)的．(2)許多非晶體在一定的條件下可以轉(zhuǎn)化為晶體．(3)在冷卻得足夠快和冷卻到足夠低的溫度時(shí)，幾乎所有的材料都能成為非晶體。金屬雖然沒(méi)有規(guī)則的幾何外形，但是有固定的熔點(diǎn)，所以金屬是晶體.單晶體從金屬的顯微圖樣中可以看到，它是由許多細(xì)小的晶粒組成的(圖2.4-7)。每個(gè)品粒都是一個(gè)小的單晶體(monocrystal)，有規(guī)則的形狀且各向異性。如果一個(gè)物體就是一個(gè)完整的晶體，這樣的晶體叫做單晶體。多晶體但是，由于這些小的單晶體的取向雜亂無(wú)章，所以金屬?zèng)]有確定的幾何形狀，也不顯示各向異性，僅保留了在定壓強(qiáng)下具有確定熔點(diǎn)的特征，我們把它稱為多晶體(polycrystal)。

如果整個(gè)物體是由許多雜亂無(wú)章地排列著的小晶體組成的，這樣的物體叫做多晶體．其中的小晶體叫做晶粒。常見(jiàn)的金屬就是多晶體。蔗糖受潮后粘在一起形成的糖塊，看起來(lái)沒(méi)有確定的幾何形狀。但是用放大鏡觀看，仍可以發(fā)現(xiàn)組成糖塊的一個(gè)個(gè)品體粒。粘在一起的糖塊也是多品體，單個(gè)的蔗糖品體顆粒是單品體。(1)多晶體沒(méi)有規(guī)則的幾何形狀．(2)多晶體：①

沒(méi)有規(guī)則的幾何形狀，在物理性質(zhì)上不具備各向異性(同非晶體)(但每一晶粒內(nèi)部都是各向異性的)。

②

有確定的熔點(diǎn)．多晶體的特性多晶體和非晶體比較

(1)多晶體和非晶體都沒(méi)有規(guī)則的幾何形狀．(2)多晶體有一定的熔點(diǎn)，非晶體沒(méi)有一定的熔點(diǎn)。

所以固體是否有確定的熔點(diǎn)，可作為區(qū)分晶體和非晶體的標(biāo)志。(3)多晶體和非晶體的一些物理性質(zhì)都表現(xiàn)為各向同性。?

晶體的微觀結(jié)構(gòu)為什么品體的形狀和物理性質(zhì)會(huì)與非品體不同?人們認(rèn)為很可能是它們的微觀結(jié)構(gòu)不一樣。從17世紀(jì)到19世紀(jì)，陸續(xù)出現(xiàn)了一些假說(shuō)，某一種假說(shuō)認(rèn)為各種品體內(nèi)部的微粒是按各自的規(guī)則排列著的，但是，由于當(dāng)時(shí)檢測(cè)技術(shù)的限制，缺少實(shí)驗(yàn)證據(jù)，所以這些想法只能是假說(shuō)。到了20世紀(jì)初，通過(guò)X射線在品體上衍射的實(shí)驗(yàn)，這種假說(shuō)才得到證實(shí)。在20世紀(jì)70年代，人們又用電子顯微鏡觀察到了鈾、釷原子的像。1982年，人們用掃描隧道顯微鏡觀察到物質(zhì)表面原子的排列。晶體微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在各種晶體中，原子(或分子、離子)都是按照一定的規(guī)則排列的，具有空間上的周期性。圖2.4-8是食鹽晶體中氯離子和鈉離子分布的示意圖。有的物質(zhì)在不同條件下能夠生成不同的品體，那是因?yàn)榻M成它們的微粒能夠按照不同規(guī)則在空間分布。例如，碳原子如果按圖2.4-9那樣排列，就成為石墨，而按圖2.4-10那樣排列，就成為金剛石。石墨是層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間距離較大，原子間的作用力比較弱，所以石墨質(zhì)地松軟，可以用來(lái)制作粉狀潤(rùn)滑劑；金剛石中碳原子間的作用力很強(qiáng)，所以金剛石有很大的硬度，可以用來(lái)切割玻璃。原子(或者分子、離子)并不是靜止不動(dòng)的，它們?cè)诓煌５卣駝?dòng)。圖中所畫(huà)的那些點(diǎn)，是它們振動(dòng)的平衡位置。同種物質(zhì)也可能以品體和非品體兩種不同的形態(tài)出現(xiàn)，也就是說(shuō)，物質(zhì)是晶體還是非晶體，并不是絕對(duì)的。例如，天然石英品體熔化以后再凝固就變成了石英玻璃，而石英玻璃是非晶體(圖2.4-11)。有些非晶體在一定條件下也可以轉(zhuǎn)化為晶體。用晶體的微觀結(jié)構(gòu)解釋晶體的特征由于晶體的物質(zhì)微粒是按照一定的規(guī)則在空間中整齊地排列的，表現(xiàn)在外形上具有規(guī)則的幾何形狀，且不同類型的晶體結(jié)構(gòu)，決定了各種晶體的不同外形。所以食鹽晶體呈立方體形，明礬晶體呈八面體等。在不同方向上物質(zhì)微粒的排列情況不同，才引起晶體的不同方向上物理性質(zhì)的不同。所以才有晶體的各向異性。

石墨烯實(shí)驗(yàn)研究背后的故事我們知道，物體是由原子、分子等微粒組成的，它們按一定規(guī)律組成一個(gè)個(gè)“小單元”，這些“小單元”結(jié)合在一起形成了肉眼可見(jiàn)的物體。用機(jī)械的方法把物體粉碎、研磨，可以得到很細(xì)的粉末，但實(shí)際上一粒這樣的粉末仍比這里說(shuō)的“小單元”大得多。當(dāng)構(gòu)成材料的“小單元”的某個(gè)維度達(dá)到納米尺度時(shí)，它的性質(zhì)就會(huì)發(fā)生很大的變化。石墨烯就是一個(gè)典型的例子。石墨烯具有六邊形的晶格結(jié)構(gòu)(圖2.4-12)，單層厚度僅為0.335nm。2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了安德烈·蓋姆與康斯坦丁·諾沃肖洛夫兩人，以表彰他們對(duì)石墨烯的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)研究。圖2.4-12石墨六邊形的晶格結(jié)構(gòu)安德烈對(duì)待研究工作一直頗具想象力和好奇心。例如，他在利用超導(dǎo)強(qiáng)磁鐵發(fā)現(xiàn)水分子具有抗磁性后(水滴懸浮在磁場(chǎng)中)，便開(kāi)始思考：生物體內(nèi)絕大多數(shù)物質(zhì)是水，而且生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)也具有抗磁性，如果將生物體放入磁場(chǎng)內(nèi)，會(huì)像水滴一樣懸浮嗎?于是，他把一只活體青蛙放入磁場(chǎng)，在精確的計(jì)算下，這只青蛙真的懸浮在了磁場(chǎng)中。安德烈將這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在了物理期刊上，并為他贏得了2000年的“搞笑諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)”。然而，他的想象力并未止步，也從未停止……在2004年之前，人類對(duì)材料的研究已經(jīng)進(jìn)入納米、甚至原子尺度，人們也對(duì)石墨烯的結(jié)構(gòu)有了更清晰的認(rèn)識(shí)，預(yù)言了單層石墨可能會(huì)有非常好的物理性質(zhì)。然而，如何把石墨不斷磨薄，薄到只有一個(gè)原子的厚度，這個(gè)世界性難題還是讓很多科學(xué)家們望而卻步了，甚至有人質(zhì)疑單層石墨是否能夠獨(dú)立存在。安德烈的想象力再一次“拯救”了這項(xiàng)研究，在助手們?cè)噲D將石墨塊磨成石墨烯而陷入“絕境”的時(shí)候，安德烈在偶然的機(jī)會(huì)下，觀察到助手們用透明膠帶去除石墨塊表面的污漬。這時(shí)他天才的直覺(jué)引導(dǎo)他將粘過(guò)的膠帶放到儀器下觀察，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)比助手們打磨好的樣品薄了許多，有的甚至只有幾十個(gè)原子那么厚。隨即，他便利用透明膠帶反復(fù)地粘黏，直到獲得了單層的石墨——石墨烯。石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它在力學(xué)、電學(xué)等方面具有很多奇特的物理性質(zhì)。在力學(xué)特性方面，石墨烯是目前人類已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)之一。強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高百倍之多。同時(shí)還具有很好的韌性，且可以彎曲。在電學(xué)、熱學(xué)特性方面，電子在石墨烯中“奔跑”的速率比在硅材料中高出數(shù)十倍甚至上百倍，這有利于進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)算速率。無(wú)論是搞笑的，還是貨真價(jià)實(shí)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，安德烈的研究總是讓人頗感意外。解決具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題，除了扎實(shí)的理論和精密的儀器外，好奇心、想象力、對(duì)日常生活的細(xì)致觀察和靈活運(yùn)用也同樣重要。典例探究例題1：下列說(shuō)法中正確的是(

)A．常見(jiàn)的金屬材料都是多晶體B．只有非晶體才顯示各向同性C．凡是具有規(guī)則天然幾何形狀的物體必定是單晶體D．多晶體不顯示各向異性ACD例題2：利用晶體結(jié)構(gòu)，可以用來(lái)解釋_________A．晶體有規(guī)則的幾何外形，非晶體沒(méi)有規(guī)則的幾何外形B．晶體有一定的熔點(diǎn)，非晶體沒(méi)有熔點(diǎn)C．晶體的導(dǎo)電性能比非晶體好D．單晶體的各向異性ABD例題3：關(guān)于石墨與金剛石的區(qū)別，下列說(shuō)法正確的是______A．它們是由不同物質(zhì)微粒組成的不同晶體B．它們是由相同物質(zhì)微粒組成的不同晶體C．金剛石是晶體，石墨是非晶體D．金剛石比石墨原子間作用力大，金剛石有很大的硬度BD練習(xí)與應(yīng)用1.某人為了檢驗(yàn)一塊薄片物質(zhì)是否為晶體，做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他以薄片的正中央O為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立Oxy平面直角坐標(biāo)系，在兩個(gè)坐標(biāo)軸上分別取兩點(diǎn)x1

和y1，使x1

和y1

到O

點(diǎn)的距離相等。在x1

和y1

上分別固定一個(gè)測(cè)溫元件，再把一個(gè)針狀熱源放在O

點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)x1

點(diǎn)和y1

點(diǎn)的溫度在緩慢升高，但兩點(diǎn)溫度的高低沒(méi)有差異，于是得出結(jié)論：這塊薄片是非晶體。請(qǐng)說(shuō)明：以上結(jié)論科學(xué)嗎?為什么?解：不科學(xué)，該物質(zhì)薄片不一定是非晶體，也可能是多晶體.此外，兩個(gè)特定方向物理性質(zhì)的同性，并不能說(shuō)明各個(gè)方向物理性質(zhì)都同性.2.食鹽晶體的結(jié)構(gòu)可以用鈉離子和氯離子空間分布的示意圖表示(圖2.4-8)，圖中相鄰離子的中心用線連起來(lái)了，組成了一個(gè)個(gè)大小相等的立方體?，F(xiàn)在要估算相鄰兩個(gè)鈉離子中心的距離，除了知道食鹽的密度ρ

為2.17×103kg/m3

外，還要知道哪些數(shù)據(jù)?請(qǐng)用字母表示這些已知數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出相鄰兩個(gè)鈉離子中心距離的表達(dá)式。提示：圖中最小立方體的個(gè)數(shù)與離子數(shù)目相等。解：還需要知道食鹽的摩爾質(zhì)量M和阿伏加德羅常數(shù)NA；

3.內(nèi)陸鹽礦中開(kāi)采的氯化鈉稱為巖鹽，巖鹽的顆粒很大，我們能清楚地看出它的立方體形狀。把大顆粒的巖鹽敲碎后，小顆粒的巖鹽仍然呈立方體形狀。圖2.4-13表示了巖鹽晶體的平面結(jié)構(gòu)：空心點(diǎn)為氯離子，實(shí)心點(diǎn)為鈉離子，如果把它們用直線連起來(lái)，將構(gòu)成一系列大小相同的正方形。作分界線AA1，使它平行于正方形的對(duì)角線；作分界線BB1，使它平行于正方形的一邊。在兩線的左側(cè)各取一個(gè)鈉離子M和N，為了比較這兩個(gè)鈉離子所受分界線另一側(cè)的離子對(duì)它作用力的大小，分別以M、N

為圓心，作兩個(gè)相同的扇形，不考慮扇形以外遠(yuǎn)處離子的作用。