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立方密堆積


存在三種類型的 立方晶格,對應於三種類型的立方密堆積,如下表所示。既然 開普勒猜想 已經確立,六方密堆積 和麵心立方密堆積都被認為是等徑球的最密堆積,它們的 堆積密度eta=pi/(3sqrt(2))=0.74048...

晶格型別基向量堆積密度
簡單立方 (SC)x^^, y^^, z^^pi/6 approx 52.3%
面心立方 (FCC)1/2(y^^+z^^), 1/2(x^^+z^^), 1/2(x^^+y^^)pi/(3sqrt(2)) approx 74.0%
體心立方 (BCC)1/2(-x^^+y^^+z^^), 1/2(x^^-y^^+z^^), 1/2(x^^+y^^-z^^)pisqrt(3)/8 approx 68.0%

簡單立方堆積包括將球體中心放置在笛卡爾空間中的整數座標上。

FaceCenteredCubicClosePackingLayers

排列密堆積球體的層,使得每三層的球體相互重疊,形成面心立方堆積。為了理解名稱的由來,考慮將六個 球體等邊三角形 的形狀堆放在一起,並在頂部放置另一個 球體 以建立一個 三角錐體。現在建立另一組七個 球體,並將兩個 錐體 以相反的方向放置在一起。

FaceCenteredCubicClosePackingCubeStellaOctangula

連線八個球體的中心,會形成一個 立方體(Steinhaus 1999,第 203-204 頁),其中另外六個球體的中心位於立方體的面的中心。連線這 14 個球體的中心會形成一個 星狀八面體,如上圖所示。

FaceCenteredClosePackingDiagram
CubicFCCUnitCell

考慮面心立方堆積中由 14 個球體定義的 立方體。這個“晶胞”,其一個面如上示意圖所示,包含八個 1/8-球體(每個 多邊形頂點 處一個)和六個 半球體。因此,晶胞中 球體 的總體 體積

V_(FCC spheres)=(8·1/8+6·1/2)(4pi)/3r^3
(1)
=(16)/3pir^3.
(2)

晶胞面的對角線為 4r,因此每條邊的長度為 2sqrt(2)r。因此,晶胞的 體積

 V_(FCC unit cell)=(2sqrt(2)r)^3=16sqrt(2)r^3,
(3)

給出 堆積密度 eta=V_(spheres)/V_(cell)

eta_(FCC)=pi/(3sqrt(2))
(4)
=0.74048...
(5)

(OEIS A093825;Conway 和 Sloane 1993,第 2 頁)。

CubicClosePackingCluster
CubicClosePackingCuboct

在面心立方堆積中,每個球體都被其他 12 個球體包圍。取 13 個這樣的球體的集合,得到如上圖所示的簇。連線外部 12 個球體的中心,得到一個 立方八面體(Steinhaus 1999,第 203-205 頁;Wells 1986,第 237 頁)。

CubicBCCUnitCell

在體心立方堆積中,每個球體都被其他八個球體包圍。上圖顯示了體心立方堆積中的晶胞。在這種構型中,一個完整的球體佔據中心,並被八個 1/8-球體包圍。因此,晶胞中 球體 的總體 體積

V_(BCC spheres)=(8·1/8+1)(4pi)/3r^3
(6)
=8/3pir^3.
(7)

晶胞的空間對角線為 4r,因此每條邊的長度為 4r/sqrt(3)。因此,晶胞的 體積

 V_(BCC unit cell)=((4r)/(sqrt(3)))^3=(64)/(3sqrt(3))r^3,
(8)

給出 堆積密度 eta=V_(spheres)/V_(cell)

eta_(BCC)=(sqrt(3)pi)/8
(9)
=0.680174...
(10)

(OEIS A268508)。

SquashedCubic
SquashedHexagonal

如果以立方晶格、面心立方晶格和六方晶格堆積的球體被允許均勻膨脹直到相互接觸,它們將分別形成立方體、六稜柱和菱形十二面體。特別是,如果面心立方堆積的球體膨脹到填滿間隙,它們將形成一個實心的 菱形十二面體(左圖),如果 六方密堆積 的球體膨脹,它們將形成第二個不規則的十二面體,該十二面體由六個菱形和六個梯形組成(右圖;Steinhaus 1999,第 206 頁),稱為 偏方面菱形十二面體。後者可以從前者透過切成兩半並將兩半相對於彼此旋轉 60 degrees 度獲得。旋轉後的十二面體的短邊和長邊的長度分別是菱形面的長度的 2/3 倍和 4/3 倍。菱形十二面體偏方面菱形十二面體 都是 空間填充多面體


另請參閱

圓堆積, 立方體, 立方晶格, 六方密堆積, 開普勒猜想, 開普勒問題, 球體堆積

使用 探索

參考文獻

Conway, J. H. 和 Sloane, N. J. A. 球體堆積、晶格和群,第 2 版。 紐約:施普林格出版社,1993 年。Sloane, N. J. A. 序列 A093825A268508,收錄於“整數序列線上百科全書”。Steinhaus, H. 數學快照,第 3 版。 紐約:多佛出版社,第 202-203 頁,1999 年。Wells, D. 企鵝趣味數字詞典。 英格蘭米德爾塞克斯:企鵝圖書,第 29 頁,1986 年。

在 中被引用

立方密堆積

請引用為

Weisstein, Eric W. “立方密堆積。” 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/CubicClosePacking.html

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