數學與晶體

2021-01-07 生物谷

數學與晶體

  雖然晶體似乎已經成了新時代眾人注目的中心,然而晶體在治療和增進人體活力方面的應用,則可追溯到數千年前.今天我們發現晶體存在於許多物體之中,這些物體與我們日常的生活聯繫在一起.像杯子、玻璃、湯匙、收音機、鍾,甚至我們自己的頭髮.

  晶體「能力」的秘密在於對它的結構和生長的了解.應用現代的技術可以發現和開發晶體多方面的應用.晶體的元素有著整齊的排列.它們的結構在工藝上是如此地嚴謹、絕對和同一,以致於數學可以成為分析它們的最完美的工具.

  多面體、對稱、鑲嵌、二面角、幾何、投影、正弦函數等等,這還只是用於分析晶體的少數幾個數學概念.只要看一看晶體的結構和用途,這些概念也就變得很明確了!

  每一個晶體都可以由其內部原子的構成顯示出來,這些原子出現在六個可能的單位晶格或構形磚塊上.這些構形磚塊是多面體(一種面是多邊形的立體).晶體多面體有:

  1)等軸晶系或立方晶系——

  每個構形的單位是全等的立方體.該多面體的面是全等的正方形.任何三條交會在一起的稜彼此相交成直角.例如:黃鐵礦(天然的二硫化鐵——譯者)、明礬、石榴石、方鉛礦等.

  2)正方晶系——

  多面體單位的面是矩形,在它上面任何三條交會在一起的稜彼此交成直角,且3條中有2條相等.例如:錫石、金紅石等.

  3)正交晶系——

  三條交會在一起的稜彼此交成直角,且沒有一條相等.例如:黃玉、天青石、輝銅礦等.

  4)單斜晶系——

  三條交會的稜中有兩組彼此交成直角,且沒有相等.例如:硼砂、藍銅礦、白雲母等.

  5)三斜晶系——

  交會的稜中沒有交成直角,也沒有相等的.這樣的晶體不多.

  6)六角晶系——

  交會的稜中有2個相等,且彼此交成60°或120°角.第三條與其他兩條稜交成直角,且不與它們等長.例如:方解石、電石、綠柱玉等.

  以上六個晶系是所有晶體的構形磚塊.讓我們看一看一個等軸晶系的結晶構造,了解一下不同的晶體是怎樣從同一的構形磚塊形成.結晶的過程能夠像三維形式的鑲嵌那樣加以考慮.等軸晶系的結晶是從一個專門的立方體開始的,然後產生數以千計的複製體,它們堆置在一起最終形成右圖所示的形式.

  但並非所有的等軸晶體最後都像上面那樣.如果我們另一方面又從各個角拿走一定的數量,換句話說我們削去立方體的角,那麼我們得到的是圖示又一種形狀的晶體.

  如果我們繼續拿去構形磚塊,最終會得到一個八面體形狀的晶體.

  這些都是等軸晶體的例子,其基本的構形單位是立方體.六個晶系的每一個都有成千上萬種不同類型的晶體,這些晶體的型式依賴於拿走或增添些什麼,以及什麼類型的原子含於單位晶格中(例如,一粒鹽中平均含有5.6×1018單位晶格).

  除了對晶體分類使其與六種多面體構形磚塊一致外,分析它們的對稱性具有同等的重要性.晶體有單一的對稱、不對稱或它們聯合(即心對稱、軸對稱、平面對稱)等類型.

  有不同的方法可以確定晶體的對稱.用精密的儀器可以測定兩個面之間的夾角(二面角),並藉此判定對稱性及確定一個晶體屬於六種晶系中的哪一種.每個晶體都有一個特殊的數和對稱形式.例如,等軸晶系有9個對稱面,一個對稱心和13條對稱軸.而對於三斜晶系,則沒有一條對稱軸.另一種判定晶體的手段是研究X射線通過它時所形成的幾何圖案,或者研究環繞一個特殊晶體的球面上的線投影(投影線垂直於晶體的面).

  19世紀末,人們發現當在石英晶體上加壓時會產生充電現象.相反地,當電流通過石英晶體時,石英晶體會通過一致的振動來調控電流的流量.換句話說,石英晶體在兩個方面工作,一是當加壓時創生電流,二是用以調控電流.這兩方面的性質稱為壓電效應.

  有關石英晶體的結構及其性質的知識是拓展其能力的基礎.石英晶體要麼通過採礦並切成精確的規格,要麼像今天我們做的由人工生成.精密是絕對重要的,不然的話一個有著不準確頻率的晶體,便要造成破壞性的結果.例如:(1)無線廣播電臺的信號將在不正確的頻率上選擇.(2)不正確頻率的石英晶體將嚴重幹擾計算機上信息的操縱.

  我們的有關晶體和它用途的知識依然處於發展和發現階段.下面列了一部分石英晶體在現在和將來的應用:

  ●鐘錶、計算機、錄像機、洗衣機、無人操縱爐、微波爐、洗碗碟機、新的汽車發動機.

  ●轉換聲波為電信號——聲納.

  ●檢測無線電頻率.

  將來可能的應用

  ●臨近地震時的警戒設計;建築物或橋梁不均衡時把振動轉換為電信號.

  ●轉換海洋波浪的運動為可用的能.

  ●對於個人的聲音和筆跡識別的設計.

  探索的遠焦點都在石英晶體上,對晶體其他性質的研究和發現還在進行.數學將是對於探索及對這些令人興奮的礦物增進了解的有價值的工具.

相關焦點

  • 晶體幾何系列之一:晶體的點群與空間群
    晶體具有最小的重複單元,是由最小重複單元在三維空間堆積起來的,即晶體具有平移對稱性。對稱性可以用群這個數學概念來表徵。平移對稱性限制了晶體重複單元只有n=1,2,3,4,6次轉軸,因此晶體只有32種點群(單胞的對稱性)。32種點群同三維空間中平移操作的組合,決定了晶體只有230種空間群。不管有多少種具體的晶體,按照對稱性分類只有230種。
  • 四色定理用於解析晶體磁性能
    如圖所示,a圖中的晶體材料的疇結構,依照四色定理可染色為b圖「模樣」;而c圖中第二種晶體材料,需依照特殊版本四色定理,染色後為d圖,顯示為紅藍綠三種顏色中的深色或淺色。 有時候,一條理論所產生的影響,遠遠超出其誕生的初衷。這一情況如今正適用於數學領域的四色定理。這條幾百年前被最初一代製圖師們用於繪製地圖的理論,如今竟可用來了解晶體結構及複雜材料的磁性能。
  • 道可道,非常道——從準晶體到自我意識的硬難題
    他的著作《怎樣求解》至今仍是數學教學的經典。現今世界上有三個獎項以波利亞命名,獎勵數學界最好的文章、最有意思的應用和最富創造性的工作。扯遠了,再回來談準晶體。自1912年晶體結構學建立以來,在對世間所有晶體的結構觀察中,周期重複的對稱排列規律的概念是根深蒂固的。
  • 流體智力與晶體智力的區別
    流體智力是與晶體智力相對應的概念,流體智力隨年齡的老化而減退。而晶體智力則並不隨年齡的老化而減退,晶體智力主要指學會的技能、語言文字能力、判斷力、聯想力等。流體智力屬於人類的基本能力,受先天遺傳因素影響較大,受教育文化影響較少。流體智力的發展與年齡有密切的關係:一般人在20歲以後,流體智力的發展達到頂峰,30歲以後隨著年齡的增長而降低。
  • 晶體二極體電路的分析方法
    晶體二極體是由PN結加上引出線和管殼構成的,具有PN結的各種特性,通常有以下幾種類型:點接觸型一、晶體二極體的模型: 電路分析時,電路中的各個實際器件必須用其相應的模型來表示,即所謂的元件約束,常用其伏安特性來表示,但實際器件在各種不同條件下伏安特性是不同的,如二極體低頻應用時可不考慮結電容效應,而在高頻時結電容效 應不能忽略。工程上,常採用簡化模型分析電路主要特性,而計算機輔助分析採用複雜模型以獲得精確結果。
  • 晶體的串聯和並聯諧振
    石英晶體的外殼上標有器件的額定工作頻率,但那只是一個近似值,實際上晶體有多個諧振頻率,即使在理想情況下也是如此。圖1顯示了理想晶體的等效電路,其中只有三個電路元件,串聯的電容C1和電感L1、與該L1 C1串聯對並聯的另一個電容C2。
  • 四色定理新用途:可解析晶體結構及複雜材料的磁性能
    原標題:四色定理新用途:可解析晶體結構及複雜材料的磁性能   原標題:四色定理用於解析晶體磁性能 如圖所示,a圖中的晶體材料的疇結構,依照四色定理可染色為b圖「模樣」;而c圖中第二種晶體材料,需依照特殊版本四色定理,染色後為d圖,顯示為紅藍綠三種顏色中的深色或淺色。   科技日報訊 (記者張夢然)有時候,一條理論所產生的影響,遠遠超出其誕生的初衷。這一情況如今正適用於數學領域的四色定理。這條幾百年前被最初一代製圖師們用於繪製地圖的理論,如今竟可用來了解晶體結構及複雜材料的磁性能。
  • 晶體和晶體的性質
    第三天清晨,我們把結晶皿上的紙拿掉,就會發現晶體長大了不少。這時,用小鑷子把晶體翻轉過來,讓晶體的另一面挨著結晶皿的底部,然後用紙片蓋住結晶皿,再把結晶皿放在窗臺上。這樣一天天過去,結晶皿中的晶體會越來越大。不過,有時候在晶體的周圍會出現新的小晶體,這時,必須重複一次前面的過程。
  • 分子晶體與原子晶體
    1.分子晶體的定義分子間通過分子間作用力相結合形成的晶體叫分子晶體。如:乾冰、碘晶體、冰等。構成分子晶體的粒子只有分子。特別提醒 稀有氣體單質是由原子直接構成的分子晶體,無化學鍵,晶體中只有分子間作用力。
  • 金屬晶體——晶體、非晶體
    一、晶體與非晶體固態物質按其原子(或分子)的聚集狀態可分為晶體與非晶體兩大類。原子(或分子)按一定的幾何規律作規則排列而形成的聚集狀態,稱為晶體。原子(或分子)無規則地堆積在一起形成的無序的聚集狀態,稱為非晶體。
  • 【解析】流體智力和晶體智力
    卡特爾:智力形態理論這份作業【zy2091】能力-1中,大家對流體智力和晶體智力的題目疑問較多。
  • 利用列印的聚合物準晶體來捕捉光
    俄羅斯聖彼得堡國立信息技術機械與光學大學(ITMO)的科學家們進行了幾項實驗來研究聚合物準晶體結構,並最終證實了他們最初的理論,在未來,準晶體的使用可能為雷射和傳感器的設計開闢新的可能性
  • 納米孔晶體材料傳質研究取得新進展
    近日,中科院大連化物所甲醇制烯烴國家工程實驗室葉茂研究員、劉中民院士團隊在納米孔晶體材料傳質研究中取得新進展
  • 雷射晶體Nd:YAG晶體
    、單晶性等方面也遠遠無法和人工晶體相媲美。科學家在掌握了晶體的生長規律與習性的基礎上,可以製造出符合人類需求,甚至自然界並不存在的各類實用晶體。在各類晶體應用中,有一類晶體正在改變著我們的生活,在科研、工業、醫療、通信等方面具有重要應用,這類晶體就是雷射晶體。雷射晶體是絕大多數固體雷射器的核心(或稱工作物質),對於雷射技術具有裡程碑的意義和作用, 「一代材料、一代器件」。
  • 科學家稱「時間晶體」有可能真的存在
    科學家稱「時間晶體」有可能真的存在 原標題:   ■第二看臺  據國外媒體報導,時間晶體究竟只是一種數學上的假設、還是真的存在呢?自打諾貝爾得主弗朗克·韋爾切克於2012年首次提出時間晶體這一概念以來,物理學家就一直在這個問題上爭論不休。
  • 拓撲保護光子晶體中的光傳播
    這種材料是光子晶體,由兩個部分組成,每個部分的穿孔方式略有不同。光可以以特殊的方式沿著這兩個部分之間的邊界傳播:「受拓撲保護」,因此不會在缺陷處反彈。即使邊界形成一個尖角,光線也可以毫無問題地跟隨它。AMOLF小組組長Ewold Verhagen表示:「我們首次看到這些引人入勝的光波在技術上與納米光子學相關的尺度上移動。」
  • 分子晶體與原子晶體知識點總結
    2.物理性質及物質類別(1)物理性質①原子晶體一般熔點高、硬度大。②結構相似的原子晶體,原子半徑越小,鍵長越短,鍵能越大,晶體的熔點越高。④晶體中碳原子個數與C—C鍵數之比為:1∶(4×21)=1∶2。
  • 微米級別的晶體「花」長什麼樣?
    從自然界的生物礦化中得到啟示,科學家們在實驗室中得到了微米級別的、形狀如花一般的晶體。借鑑自然界中硅藻和鮑魚殼的形成過程,來自哈佛大學的晶體生長研究科學家維姆·諾度因(Wim Noorduin)及其團隊改進了實驗室中晶體生長的方法——通過改變溶液的溫度、酸鹼度以及二氧化碳的濃度,實現晶體生長過程的可控。
  • 用時間晶體驅動超導體或帶來量子科技革命
    一組科學家建議使用時間晶體來驅動拓撲超導體。這種方法可能會創造出無誤差量子計算機。時間晶體似乎打破了物理學定律。時間晶體的概念來自反直覺的思維領域,它融合了原本應用於現實世界的物理學概念。現在有消息稱,有一篇論文提出將時間晶體與拓撲超導體相結合,用於無誤差量子計算、極精確計時等方面。2012年,諾貝爾獎得主、理論物理學家弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)和麻省理工學院的物理學家首次提出時間晶體作為假設結構。時間晶體的顯著特徵是它們可以在不消耗能量的情況下運動。
  • 唐有祺:醉心晶體結構 傾情科教事業
    但是在唐老謙遜的背後,是他解決了中國物理化學和晶體化學最初的空白。同時也是他把中國的物理化學和晶體化學推向了世界。國際晶體學大會是世界著名晶體學家的盛會,它規模龐大,每三年舉辦一次,在國際化學界有著舉足輕重的地位。唐有祺1987年當選為國際晶體學聯合會執委會副主席,從當選之初他就提議我國政府儘快申請舉辦1993年第16屆晶體學大會。