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在學校體育室的籃球箱中,放著一堆相同形狀和大小的籃球。你不必刻意打理這堆籃球,但它們總是呈現特定的排列方式,即緊密地排列。
一塊金屬(例如銅和鐵)是由無數的金屬原子構成的,它們不論形狀或大小都是完全一樣的。正因如此,它們的排列會格外齊整和緊密,所以大多數金屬都擁有高密度、高熔點等物理性質。
金屬原子的排列可分為緊密裝填結構和敞開結構兩種;
而緊密裝填結構也分為六方緊密裝填結構和立方緊密裝填結構。
為了有系統地理解金屬原子的排列,我們可把金屬原子分為不同的層級。
在緊密裝填結構中,每\(\;1\;\)個金屬原子都被\(\;6\;\)個處於相同層面的金屬原子包圍。
而緊密裝填結構可再細分為六方緊密裝填結構和立方緊密裝填結構,都是建基於這個基礎上。
在六方緊密裝填結構中,每\(\;1\;\)個第一層的金屬原子都被\(\;6\;\)個第一層的金屬原子包圍。
第一層中,中央的金屬原子被\(\;6\;\)個金屬原子包圍,同時形成\(\;6\;\)個間隙。第二層的金屬原子便會裝填到這些間隙上 (\(b\;\)組或\(\;c\;\)組位置,要麼\(\;b\;\)組,要麼\(\;c\;\)組,不會同時裝填兩組),盡量與第一層的金屬原子緊密地排列在一起。
第二層的金屬原子便會裝填到這些間隙上 (\(b\;\)組或\(\;c\;\)組位置,要麼\(\;b\;\)組,要麼\(\;c\;\)組,不會同時裝填兩組),盡量與第一層的金屬原子緊密地排列在一起。
第三層的金屬原子會裝填到\(\;a\;\)組位置,亦即是第一層的正上方;第四層的金屬原子則會裝填到第二層金屬原子的正上方(如果第二層是\(\;b\;\)組,則第四層也是\(\;b\;\)組),如此類推。
單數層(第一層、第三層、第五層......)的金屬原子在\(\;a\;\)組位置,雙數層(第二層、第四層、第六層......)的金屬原子在\(\;b\;\)組位置,因此在六方緊密裝填結構中,金屬原子是以\(\;ababab\;\)的方式來排列。
鈦、鈷、鎂和鋅的原子都是按六方緊密裝填結構而排列。
為了有系統地理解金屬原子的排列,我們可把金屬原子分為不同的層級。
在緊密裝填結構中,每\(\;1\;\)個金屬原子都被\(\;6\;\)個處於相同層面的金屬原子包圍。
而緊密裝填結構可再細分為六方緊密裝填結構和立方緊密裝填結構,都是建基於這個基礎上。
在立方緊密裝填結構中,每\(\;1\;\)個第一層的金屬原子都被\(\;6\;\)個第一層的金屬原子包圍。
第一層中,中央的金屬原子被\(\;6\;\)個金屬原子包圍,同時形成\(\;6\;\)個間隙。第二層的金屬原子便會裝填到這些間隙上 (\(b\;\)組或\(\;c\;\)組位置,要麼\(\;b\;\)組,要麼\(\;c\;\)組,不會同時裝填兩組),盡量與第一層的金屬原子緊密地排列在一起。
第二層的金屬原子便會裝填到這些間隙上 (\(b\;\)組或\(\;c\;\)組位置,要麼\(\;b\;\)組,要麼\(\;c\;\)組,不會同時裝填兩組),盡量與第一層的金屬原子緊密地排列在一起。
第三層的金屬原子會裝填到\(\;c\;\)組位置而不是\(\;a\;\)位置,第四層的金屬原子則會裝填到第一層金屬原子的正上方(即是\(\;a\;\)組位置);第五層的金屬原子則會裝填到第二層金屬原子的正上方(即是\(\;b\;\)組位置);第六層的金屬原子則會裝填到第三層金屬原子的正上方(即是\(\;c\;\)組位置),如此類推。
因此在立方緊密裝填結構中,金屬原子是以\(\;abcabcabc\;\)的方式來排列。
金、銀、銅和鉛的原子都是按立方緊密裝填結構而排列。
除了緊密裝填結構外,金屬還可以其他方排列。例如在敞開結構中,金屬原子不再以緊密裝填的方式堆砌,而是以一種較為鬆散的方式排列。
其中一種敞開結構就是體心立方結構。
在第一層中,金屬原子以正方形裝填,並不會互相緊貼。
第二層的金屬原子便裝填在第一層金屬原子的空隙之間。
第三層的金屬原子便裝填在第二層金屬原子的空隙之間。
第四層的金屬原子便裝填在第三層金屬原子的空隙之間。
如是者,單數層數的金屬原子的位置便會完全重疊;雙數層數的金屬原子的位置便會完全重疊。
在體心立方結構中,每個金屬原子都緊貼\(\;4\;\)個上一層的原子和\(\;4\;\)個下一層的原子。
這就好像是一個中心金屬原子,它被\(\;8\;\)個原子包圍,它們各佔一個立方體的角位。
鹼金屬(例如:鈉和鉀)、鐵和錳都是以體心立方結構來掛列。