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罗会仟. 超导“小时代”之五:神奇八卦阵[J]. 物理, 2016, 45(1): 52-56. DOI: 10.7693/wl20160108
引用本文: 罗会仟. 超导“小时代”之五:神奇八卦阵[J]. 物理, 2016, 45(1): 52-56. DOI: 10.7693/wl20160108

超导“小时代”之五:神奇八卦阵

  • 摘要: 把一堆原子放在一起,它们会怎么排列?原子核之间显然隔着十万八千里,而且被一堆带负电的电子云屏蔽了,就是想发生点关系,也是腿短莫及啊!原子和原子之间,主要是离原子核比较远的那些电子(外层电子)和电子之间的相互作用,而这些电子的空间分布,是某些特定对称形状的电子云。那么,一个无比自然且和谐的结果是,原子间的排列也会形成某些特定的对称结构。有了电子云喊口令,原子们不是一盘散沙,而是整齐划一的队伍,这就是微观世界的八卦阵!这种对称有多漂亮?用一把原子大小的尺子去量一下就知道。X射线作为电磁波的一种,其波长就和原子直径差不多,如果用一束X 射线打进规则的晶体中去,就会出现对称的衍射斑点。类似地,用一束电子或一束中子也可以实现,衍射斑点的分布就像你看到蝴蝶的花纹一样漂亮—— 这就是对称之美(图6)。可不要小瞧这微观世界的八卦阵,它厉害着呢!不同的原子排列方式不仅决定了材料的外形,而且决定了材料的许多基本物理性质。举个最常见的例子,一颗璀璨的钻石和一支写字的铅笔芯有什么异同?它们都是碳原子组成的!谁说朽木不可雕?朽木可以变成木炭或铅笔,也可以变成钻石!区别在于,铅笔芯里主要是石墨,由一层层的六角排列碳原子构成,所以碳原子特容易剥落,可以轻易留下字迹;但是钻石内部是由碳原子密堆起来的,碳原子间存在非常稳定的结构,形成了自然界硬度最高的材料—— 金刚石。碳原子的不同排布就如同孙悟空的七十二变一样,除了石墨和金刚石, 还可以有单原子层的石墨烯,卷成管子的碳纳米管,60 个碳原子组成的足球烯等等( 图7)。这些材料性质千差万别,又同宗同源, 我们称之为“ 同素异形体”。也不要太恐慌,微观世界的八卦阵型其实并不是想象中的那么多。数学家告诉我们,微观八卦阵(空间群)最多也就是230 种,这230 种又可以划分为7 大类和14小类5。不要问我为什么,反正,世界,就是如此简洁!

     

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