晶体与晶格
密堆积(close packing)
/ klohs PAK-ing /
试着往一个盒子里塞进尽可能多的相同弹珠。你很快会摸到诀窍:把它们排成整齐的三角形层,再把每一新层嵌进下面那层的凹窝里,绝不直接压在正上方。这种本能——不留下比几何所逼迫的更多空隙——正是物理学家所说的密堆积。
密堆积,是把相同的球排得能填满尽可能多空间的最密方式。它的实现,是把一层层密堆积层叠起来,每层都是一张球彼此相接的三角形薄片,每层都落进下面那层的凹窝里。在任何这样的排列中,每个球都与另外十二个相接,球占去总体积的约74%,其余留作空隙。选择堆叠次序的方式有无穷多种,但有两种最突出:ABCABC给出面心立方,ABAB给出六方密堆积。
密堆积之所以重要,是因为大自然偏爱它:多数金属、许多简单固体、乃至成堆的细胞或泡沫气泡,都会安顿成密堆积或接近密堆积的排列,因为把东西挤到一起通常会降低它们的能量。一个诚实的提醒——这件事长期被怀疑、最终才被证明——是:对相同的球而言,74%确实是上限,再巧妙的不规则堆法也胜不过它。但许多晶体根本不是密堆积的,因为有方向的键、或大小不同的原子,会逼出更宽敞的结构,比如疏松的金刚石网。
看看水果摊上那座橙子金字塔。每个橙子都歇在下面三个橙子围出的凹兜里——那就是一层密堆积层落在另一层之上,跟铜原子、金原子采用的几何一模一样。
一堆橙子,就是看得见的密堆积——和金属里的一样。
「对相同的球而言74%无可超越」这一证明——也就是开普勒几百年前的猜想——直到1990年代末才借助计算机彻底完成。直觉一直没错,但要严格证明它,难得出人意料。
又称
另见