一、晶体与非晶体

人们对晶体并不陌生，在人们的想象中，晶体是那些晶莹透明、质地纯洁、绚丽多彩的物质。

电气石

萤石

方解石（白色）和雄黄（橘红色）

各种人工晶体

图1-1 晶体图片

那么，什么是晶体呢？

在远古年代，人们在晶洞中发现了具有规则几何多面体的水晶和赤铁矿等，于是就将这种能自发地生长成（非人工磨削的）规则几何多面体形态的物体叫做晶体。

那么，水晶和赤铁矿等为什么能自发地生长成规则几何多面体形态呢？没有几何多面体形态的物质就不是晶体吗？

在远古年代，人们没有任何测试仪器和手段能够探测晶体内部结构，但根据晶体的外形，人们推测，晶体的形成，就像我们起房子一样，用特殊的“砖块”堆砌而成的，这种“砖块”堆砌的过程就可以使晶体形成平滑的晶面和平直的晶棱。

但是，晶体能自发形成规则形态仅仅是晶体的一个表面现象，在有些情况下，生长条件不允许，晶体就生长不成规则的几何多面体形态，例如花岗岩中的石英晶体，就不是具有规则几何多面体形态的。所以，不能够以是否具有规则形态来判断是否为晶体。

直到1895年，德国物理学家伦琴（W.C.Rontgen）发现X射线，1912年德国物理学家劳埃（M.Von Laue）第一次用X射线实现了晶体结构对X射线的衍射试验，才使人们对晶体的内部结构有了进一步的认识。X射线衍射结构表明：晶体内部的原子、离子在三维空间周期性地重复排列。这就找到了晶体的本质特性。

所以，现代对晶体的定义是，晶体（Crystal）是指内部质点(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。这种质点在三维空间周期性地重复排列也称格子构造，所以，晶体就是具有格子构造的固体。

图1－2是NaCl晶体的内部结构，从中可以看出其内部离子排列的周期重复规律性。NaCl晶体结构是人类测试的第一个晶体结构。

图1－2 NaCl的晶体结构

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（Non－crystal）。

因为晶体与非晶体在结构上的差异，导致它们在宏观形态及物理性质上有很大的区别。表1-1 列出了晶体与非晶体的性质区别。

表1-1 晶体与非晶体的性质区别

图1－3 示出了晶体形态与非晶体形态的区别，同样是SiO2，如果形成晶体，则是规则几何多面体形态，如果形成非晶态的玛瑙，则是不规则的浑圆状。

（a） （b）

图1－3 （a）发育成规则几何多面体外形的石英（SiO₂）晶体

（b）发育成浑圆状外形的非晶态玛瑙（SiO₂）

晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的。由非晶态转化为晶态，这一过程称为晶化（crystallizing）或脱玻化（devitrification）。晶化过程可以自发进行，因为非晶态内能高、不稳定，而晶态内能小、稳定。相反，晶体也可因内部质点的规则排列遭到破坏而转化为非晶态，这个过程称为非晶化（noncrystallizing）。非晶化一般需要外能。

因为晶体比非晶体稳定，所以晶体的分布十分广泛，自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。我们日常生活中接触到的石头、沙子、金属器材、水泥制品、食盐、糖、甚至土壤等等，大多数是由晶体组成的。在这些物质中，晶体颗粒大小十分悬殊，有的晶体粒度可达几米或几十米，但有的晶体（例如在土壤中的晶体）则只有微米级大小。

1984年，美国物理学家发现了一种特殊的金属相，其结构具有类似于晶体结构的有序规律，但没有重复周期，没有格子构造。这种特殊的物质既不是晶体又不是非晶体，我们称之为准晶体。准晶体的发现为我们提供了一种全新的物质状态，在此之前人们认为物质状态只有晶态和非晶态这两种；准晶体的发现也对传统的晶体对称理论提出了挑战，因为准晶体里面所蕴含的对称规律是传统晶体学对称理论所不能够研究的，因此迅速发展起一门新的分支学科-----准晶体学。