固体金属的空间结构优化探究

金属晶体是由于金属原子靠共用自由电子结合在一起的。在电子的胶合作用下，金属原子尽可能以最紧密的堆积形成晶体。

为了研究问题的方便，把金属晶体中的金属原子简单地看成一个点，很多点排列组合起来就组成所谓的点阵，点与点连接起来就构成格子，称为晶格，而那些点就称为结点。从晶格中可以清楚地显示晶体中微粒（如金属原子）的排列规律。

在金属晶体中，原子有规则地排列。在空间排列上，有周期的重复性，各金属原子或离子的排列顺序和距离，呈现出周期性。这一周期性是由几个金属原子规则排列构成的小单元连续不断重复的结果，因此只要研究一个小单元就可了解整个晶体的结构。

由于晶格只是不断重复这种顺序的排列，因此只需要从中抽出一个最小的基本单元，就可以了解整个晶格，这个抽出来的最小基本单元称为晶胞。晶胞通常是一个很小的六面体，因为晶胞能在空间重复堆砌，这个六面体有一定的对称性。晶胞各边的尺寸与夹角称为晶格常数。

显然，晶胞在三维空间重复堆砌就形成晶格，晶胞是包括晶格所有信息的最小重复单元。

按照金属晶胞的不同类型，金属晶格典型结构有体心立方、面心立方、密排六方三种，如图1-2～图1-5所示。其基本参数见表1-1。

图1-2体 心立方结构

a）体心立方晶格（质点模型） b）体心立方点阵（钢球模型）

图1-3 面心立方结构

a）面心立方晶格（质点模型） b）面心立方点阵（钢球模型）

图1-4 密排六方结构

a）密排六方晶格（质点模型） b）密排六方点阵（钢球模型）

(www.xing528.com)

图1-5 晶胞中原子数示意图

a）体心立方晶格 b）面心立方晶格 c）密排六方点阵

表1-1 金属晶体结构类型的基本参数

①配位数：晶体结构中，与任一原子最近并相邻且距离相等的原子数。

金属的晶体结构和晶格常数决定了晶体的基本类型，一般来讲，作为良导体的金属都是面心立方。

当已知一个金属在一定温度下的晶格常数，便可以利用下列公式计算其密度：

式中 M——金属的原子量；

V——晶胞的体积；

n——每一个晶胞所包含的原子数；

N——每克原子金属所具有的原子数（N=6.0228×10²³）。

表1-2 电线电缆常用的几种金属的晶格常数

注：除注明温度外，其余均为室温。