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为什么金刚石原子级结构是正四面体,而晶体是正八面体? 第1页

  

user avatar   jiehou1993 网友的相关建议: 
      

天然金刚石确实容易长成八面体形状。实际上,很多立方晶系的宝石都容易长成八面体形状:

这种特性与宝石的晶体结构有关。很多宝石和金刚石在原子尺度的排列方式都是类似的,如下图所示:

上图中的每个立方体也称为晶胞,是能反映晶体对称性的最小结构单元:

这种面心立方的晶胞内确实包含许多正四面体。并且,这些四面体的表面都是原子堆积最紧密的面,也称密排面。一般来说,同样面积的表面,密排面具有最低的能量,因此在晶体形核和生长过程中,密排面往往最容易形成

金刚石晶体中存在四个等价但不同方向的密排面,所以,直觉上,天然形成的金刚石应该会是个正四面体形状:

然而这样的四面体由四个非常尖锐的顶角。对同样体积的材料而言,顶角越尖锐,表面积越大,表面能就越高,就越不稳定。

所以,相比于长出四个尖锐的顶角,金刚石更愿意长的“圆润”一些。把四个顶角沿着密排面切掉,剩下的表面依然是能量最低的密排面,但同样体积材料的表面积却减小了很多,自然也就更稳定,更容易形成。

切掉四个顶角后,正四面体就变成了更“圆润”的正八面体,也就是我们常看见的天然金刚石形状:

上面这个八心八箭八面体原子模型可是我费了老大劲才切出来的,大家好意思不点赞就走么。

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