Return to Video

晶体是如何形成的?- 格雷厄姆 · 贝尔德

  • 0:07 - 0:11
    在黄石公园的间歇喷泉和温泉中,
  • 0:11 - 0:16
    有一个由地壳中的热点
    形成的岩浆室。
  • 0:16 - 0:19
    当岩浆向地球表面移动时,
  • 0:19 - 0:23
    它结晶形成年轻、炽热的火成岩,
  • 0:23 - 0:27
    这些岩石的热量将地下水推向地表。
  • 0:27 - 0:33
    当水冷却时,离子
    以矿物晶体方式沉淀出来,
  • 0:33 - 0:37
    包括硅和氧组成的石英晶体、
  • 0:37 - 0:42
    钾、铝、硅和氧组成的长石、
  • 0:42 - 0:45
    铅和硫组成的硫化铅。
  • 0:45 - 0:48
    许多晶体都有标志性的形状——
  • 0:48 - 0:53
    比如瀑布般的尖石英
    或堆状硫化铅立方体。
  • 0:53 - 0:57
    但是,什么原因导致它们
    一次次长成这样的形状呢?
  • 0:57 - 1:00
    部分原因就在于它们的原子。
  • 1:00 - 1:05
    每类晶体的原子都按
    高度有序的模式重复排列,
  • 1:05 - 1:09
    这就是晶体的标志性特征,
  • 1:09 - 1:11
    这种模式并非仅限于矿物——
  • 1:11 - 1:16
    沙、冰、糖、巧克力、
    陶瓷、金属、DNA,
  • 1:16 - 1:20
    甚至某些液体也有晶体结构。
  • 1:20 - 1:22
    晶体材料的原子排列
  • 1:22 - 1:26
    分为六个不同系列:
  • 1:26 - 1:32
    立方体、正方三八面体、斜方晶体、
    单斜晶体、三斜晶体和六方晶体。
  • 1:32 - 1:34
    在适当的条件下,

  • 1:34 - 1:37
    晶体会长成反映其原子排列的
  • 1:37 - 1:40
    几何形状。
  • 1:40 - 1:45
    以铅、硫原子组成
    立方结构的硫化铅为例。
  • 1:45 - 1:47
    相对较大的铅原子
  • 1:47 - 1:51
    按彼此呈 90 度的三维网格排列,
  • 1:51 - 1:56
    而相对较小的硫原子
    正好能塞进铅原子之间。
  • 1:56 - 2:00
    随着晶体的生长,这些
    铅原子的位置会吸引硫原子,
  • 2:00 - 2:04
    铅原子易于结合到这些硫原子周围,
  • 2:04 - 2:07
    最终,他们将完成
    粘结原子的网格排列。
  • 2:07 - 2:11
    也就是说,硫化铅
    90 度网格图案的晶体结构
  • 2:11 - 2:15
    反映在晶体的可见形状中。
  • 2:15 - 2:18
    而石英则是有六方晶体结构,
  • 2:18 - 2:22
    也就是说,在一个平面上,
    原子按六边形排列。
  • 2:22 - 2:28
    在三维中,这些六边形
    由许多互锁金字塔组成,
  • 2:28 - 2:32
    每个金字塔由
    1 个硅原子和 4 个氧原子组成。
  • 2:32 - 2:34
    因此,石英晶体的标志性形状
  • 2:34 - 2:40
    是尖顶六面体。
  • 2:40 - 2:42
    根据环境条件,
  • 2:42 - 2:46
    多数晶体可能形成多个几何形状。
  • 2:46 - 2:50
    例如,在地球地壳深处形成的钻石
  • 2:50 - 2:56
    具有立方晶体结构,
    也可以长成立方体或八面体。
  • 2:56 - 2:59
    特定钻石的生长形状
  • 2:59 - 3:01
    取决于其生长条件,
  • 3:01 - 3:05
    包括压力、温度和化学环境。
  • 3:05 - 3:09
    虽然我们不能直接观察
    钻石在地壳下的生长条件,
  • 3:09 - 3:12
    但实验室实验的一些证据显示,
  • 3:12 - 3:16
    钻石往往在低温下长成立方体,
  • 3:16 - 3:19
    在较高温度下长成八面体。
  • 3:19 - 3:23
    微量的水、硅、钛或镁
  • 3:23 - 3:27
    也可能影响钻石的形状。
  • 3:27 - 3:31
    钻石永远不会自然
    长成珠宝中的形状——
  • 3:31 - 3:36
    那些钻石被切割成那样的形状,
    以最佳展示光彩和净度。
  • 3:36 - 3:42
    环境条件也会影响晶体形成与否,
  • 3:42 - 3:44
    玻璃由熔化的石英沙制成,
  • 3:44 - 3:46
    但它不是固体结晶。
  • 3:46 - 3:49
    这是因为玻璃冷却相对较快,
  • 3:49 - 3:52
    原子没有时间
  • 3:52 - 3:55
    将自己安排成石英晶体的有序结构。
  • 3:55 - 3:58
    相反,熔化玻璃中的原子随机排列
  • 3:58 - 4:01
    在冷却过程中被锁定。
  • 4:01 - 4:04

    许多晶体不形成几何形状,
  • 4:04 - 4:08
    因为它们与其他晶体一同生长。
  • 4:08 - 4:11
    像花岗岩这样的岩石充满了水晶,
  • 4:11 - 4:13
    但没有一个可以辨认的形状。
  • 4:13 - 4:16
    随着岩浆冷却和凝固,
  • 4:16 - 4:21
    岩浆中的许多矿物同时结晶,
    并快速塞满了空间。
  • 4:21 - 4:24
    而某些晶体,如绿松石,
  • 4:24 - 4:29
    在大多数环境条件下,
    不会长成任何可识别的几何形状,
  • 4:29 - 4:31
    即使有足够的空间也不会。
  • 4:31 - 4:34
    每个晶体的原子结构
    都有独特的特性,
  • 4:34 - 4:39
    虽然这些特性可能对
    人类情感需求没有任何影响,
  • 4:39 - 4:44
    但它们确实在材料科学和医学中
    具有强大的应用。
Títol:
晶体是如何形成的?- 格雷厄姆 · 贝尔德
Speaker:
格雷厄姆 · 贝尔德
Descripció:

查看完整课程:https://ed.ted.com/lessons/how-do-crystals-work-graham-baird

许多晶体都有标志性的形状——比如瀑布般的尖石英或堆状硫化铅立方体。每个晶体的原子都有一个决定性的特征:它们重复的组织模式。这种模式并非仅限于矿物——沙、冰、金属和 DNA 也有晶状结构。那么,是什么原因导致它们重复生成同样的形状呢?格雷厄姆 · 贝尔德深入探讨了晶体的独特特性。

课程讲解:格雷厄姆 · 贝尔德(Graham Baird),动画执导:弗朗茨 · 帕洛马雷斯(Franz Palomares)。

more » « less
Video Language:
English
Team:
TED
Projecte:
TED-Ed
Duration:
04:45

Chinese, Simplified subtitles

Revisions