物质是怎样构成的？（二）

           晶体构成的物理原因

                                             晏成和

共价晶体　质子的引力没有边界，原子有几个价电子，就吸引相邻的几个核心的外层电子构成几个结构元。原子通过这几个结构元与周围几个原子连接，围绕核心的结构元只有按一定的空间位置均匀分布，才能使得价和电子运行线路最短，以利价电子共享，无数个核心都如此均匀规则排列，就形成整齐有序的晶体。

如Ⅳ族元素碳、硅、锗等，其原子外层有4个价电子，在质子引力作用下，吸引周边的4个原子的价电子在空间环绕进行价和运转，构成了4个结构元。该元素所有的原子都象这样一个连着4个，规律重复。形成了Ⅳ族晶体的点阵结构──金刚石型结构。（图二左）

                 金刚石结构                       菱方结构     　

图二　 晶体的结构  

同样的，Ⅴ族元素如砷、锑等，其一个原子通过5个结构元在空间与周边5个原子连接，形成了菱方结构的晶格（图二 右）。Ⅵ族元素硒、碲等构成的是双菱结构。

原子有几个价电子，就能够构建几个结构元，因而晶体结构与其价电子数息息相关。无数个这样由结构元联接而成的几何形体在空间扩展开来就形成了整齐有序的晶格点阵，所以同一族元素的晶格结构完全一样或大部分相同。

晶体整齐有序的结构是核外电子按规律、精准线路运行的结果，那些电子云的重叠、化学键的耦合是不可能如此清楚地解读晶体的构成。晶体的规则结构对核外电子的规则运转线路作了最美丽的诠释

若按传统的理论每个原子的核外电子是电子云、所有电子都在作无规则运转，如何能形成与价电子数相对应的键？如何能形成如此多姿多彩的晶体？

以上我们讨论了价电子数为4—7的共价晶体，那么只有1、2、3个价电子的金属是如何构成其金属晶体结构、如何构成其面心立方、体心立方晶体？为此，我们先要来了解构成物体、使物质的原子结合、内聚的力——价和力和电磁力。

价和力   以上所讲：两个核心相互吸引对方的外电子，这样就把原子核对电子的聚合力——部分变成了两原子之间的结合力，在这种强结合力的作用下，结构元内的两核心结合十分紧密，我们把结构元内两原子之间由价和电子运转所形成的结合力叫做价和力。

价和力是非金属晶体的主要结合力，非金属晶体就是靠价和力结合成一个整体的。而不是所谓的共价键、极性键。

 价和力与价和电子运转速度的平方成正比、与运转半径成反比，价和电子的速率越高、两核心的半径之和越小，价和力就越大，原子之间结合得越紧密。价和电子的动能也就构成了结构元内两原子之间的结合能。

 碳原子的核心半径很小，价和电子的速率很高，所以其价和力较大，加之有四个结构元形成金刚石结构，外力极难损坏。宏观的表现就是：金刚石的硬度很高、强度很好。

当然，石墨也是碳原子构成的同素异构体，我们将另题讨论。

 图三，左图为非金属物体（碳、硅）的结构示意：处出在三棱锥每个定点上的原子也象其中心的原子一样，有4 条价和轨道的环绕，如此连续有序地向周围扩展，形成了稳定的固体结构。

 　                                       价和结构 　　　　　　 电磁力结构    　　

　　　　　　　　　　　　　　  　图三

在金属物质中，原子外层只有1-3个价电子，价和运转只能形成1、2个结构元，不可能像硅那样有多个结构元结合成空间结构。那么，只有１个价电子的铜、银；２个价电子的铁、镍；３个价电子的铝，是如何构成其金属的晶体结构？

在价和电子组成结构元，形成价和力的同时还伴生着另一种力：

电磁力  奥斯特实验告诉我们：电子的运动伴生着电磁场。当价和电子高速运转时，在与旋转平面垂直的方向产生着较强的磁力，每个结构元如同一个微型磁铁，这些磁力南、北极相互吸引，把结构元相互吸引在相对固定的位置，于是就形成了物质内另一种内聚力——电磁力。

 金属原子之间主要是靠电磁力维系其结构。例如铜元素只有一个价电子，每个铜原子只能与相邻的一个原子结合成一个结构元。当价和电子高速旋转时，在旋转平面的垂直方向伴生着较强的电磁力，电磁力作用于价电子的旋转中心、南北指向。与相邻结构元的电磁力南北极相互吸引，使价和电子的轨道相互调整到彼此平行的位置且稳定运转，无数个结构元这样相互吸引整齐排列，就构成了铜的金属晶体结构，如图三右。

图为金属物体（铜、银）的结构示意：棱形表示价和电子运转轨道所在的平面，上下两平面相互平行，价和电子运转所形成的电磁力南北极相互吸引，同时还有处在与此平面垂直位置的价和电子的运转，形成三维方向的电磁力，构成了金属结构。

由于金属结构元间靠电磁力维系其结构，这种结构，如同无数个微型磁铁相互吸引结合在一起。受到较大外力时,结构元能在物质内滑移换位，重新结合。如果不认可金属结构元的滑移、换位、重新结合，物理学永远也解读不了金属所具有延展性和塑性，永远解释不了金能制成金箔、银能拉成细丝，铁板冲压成杯子的自然事实。

由于金属的价电子少，价和电子速率高，伴生着频率很高的电磁波。这样的高频电磁波能反射某些频率的光波，因而许多金属具有金属光泽。

金属键理论不仅成键理论牵强，同时完全不能解读金属的延展性和塑性、也不能说明金属光泽、更不能解释金属与高温时的熔化（相变），常见的相变成了科学之谜，我将专题阐释物质的相变问题。

价和力、电磁力的大小取决于价和电子的速率及线路的稳定。价和电子运转所产生的价和力、电磁力形成了物质的内聚力，构成了各种物质的形体结构、构成了物体的强度、导致了物质的各种特性、构成了丰富多彩的物质世界。

　　　　　　　                          2018/1/10