供稿|白歡歡，楊平/ BAI Huan-huan，YANG Ping

材料科學始終是由許許多多科學家創(chuàng)造型思考與精彩研究成果的結(jié)晶。有很多理論、定律，都是以發(fā)現(xiàn)者的名字命名的，了解大師的成長經(jīng)歷，不僅能夠給材料科學平添一抹人文氣息，讓我們從這些名人的經(jīng)歷中獲得學習材料科學的勇氣和樂趣[1-3]，還能使我們對這些理論、定律有更深刻的印象；此外，我們也可以從這些名人的典故中了解到材料科學的歷史發(fā)展歷程，繼而對材料科學有宏觀的把握。

本文從外斯的晶帶定律入手，介紹了晶帶定律在理論以及實驗中的應(yīng)用，并且敘述了他的生平經(jīng)歷，同時引出了外斯與同時代晶體學家的相互影響以及對外斯對后人的重要影響。

外斯與晶帶定律

晶帶定律

外斯的肖像見圖1[4]，他的全名音譯為克里斯蒂安?塞繆爾?外斯 (Weiss)，有的文章譯為“魏斯”或者“韋斯”，“克里斯蒂安?塞繆爾?魏斯”等。在余永寧教授編著的《材料科學基礎(chǔ)》中，將 Weiss譯為“外斯”[5]。這里考慮到 Weiss 為德國人，而在德語中，Weiss 的發(fā)音更接近“外斯”，意思是“白”。故本文采用與余永寧教授相同的譯文“外斯”。

圖1 外斯 (Weiss) 肖像[4]

1805 年—1809 年，外斯界定了晶帶定律。從此晶帶定律成為晶體學中的一個重要概念，它表述了晶帶軸和與其相關(guān)的一組晶面間的關(guān)系。在涉及晶體學的材料研究中常利用晶帶定律快速確定研究者所關(guān)注的特定晶面或晶向的相對方位。同樣，X射線衍射或電子衍射理論也會以晶帶軸為基礎(chǔ)進行布拉格方程或愛瓦爾德衍射球的討論。

圖2 Weiss1829 年發(fā)現(xiàn)的石英中的接觸孿晶

晶帶定律的內(nèi)容為[6]：晶體上的任一晶面至少同時屬于兩個晶帶，或者說，平行于兩個相交晶帶的公共平面必為一可能晶面。根據(jù)晶帶定律可知，由任意兩個互不平行的晶面即可決定一個晶帶，而由任意兩個晶帶又可決定一個晶面；從而，由互不平行的4個任意已知晶面 (其中每 3 個均不屬于同一晶帶)，或由任意 4 個已知晶棱 (即晶帶軸，其中每 3 個均不共面)，即可導出此晶體上一切可能的晶面和晶棱，并推算出相應(yīng)的晶面符號和晶棱符號。晶帶定律又稱為 Weiss 晶帶軸定理。這是外斯對晶體學最重要的貢獻。

此外，外斯也推導出 4 種有限的晶體形態(tài)，即錐形的四面體、正交或斜方晶系、六方晶系、單斜和三斜晶系。外斯還提出過晶面指數(shù)，但未被廣泛接受，后來被密勒指數(shù)取代。這些事實說明外斯對晶體外形和晶系的分類也有一定的貢獻。圖2 是外斯 1829 年在法國加爾代特 (La Grande Gardette) 發(fā)現(xiàn)的石英中的接觸孿晶，由于這種孿晶在日本儲量很多，也稱日本孿晶。。

晶帶定律的理論應(yīng)用

結(jié)合晶帶軸和晶帶方程，我們可以解決一些晶體學的幾何問題，如求晶帶軸的方向指數(shù)、兩個晶向構(gòu)成的面的平面指數(shù)，3 個面同屬于一個晶帶的條件，3 個點陣直線共面的條件等。而晶帶軸與倒易點陣的關(guān)聯(lián)是：正點陣中晶帶軸為 [uvw]的晶面 (hkl) 在倒易點陣中成為在 (uvw)*面上的 [(hkl)]*陣點。圖3 (a) 是鋁的 [100]晶帶軸的衍射斑分布，所有的斑點代表[100]晶帶。

需要指出的是，晶帶定律應(yīng)用較多，比如，{111} 面上全位錯分解為兩個肖克萊位錯；位錯線方向、滑移面及柏氏矢量間的關(guān)系，滑移系數(shù)目的確定，馬氏體相變時變體選擇規(guī)律，形變中的滑移、孿晶與織構(gòu)，都會用到晶帶定律。而在 X 射線衍射或電子衍射部分時也會以晶帶軸為基礎(chǔ)進行布拉格方程或愛瓦爾德衍射球的討論

晶帶定律的實驗應(yīng)用

晶帶在實驗中有著廣泛的應(yīng)用，如目前較為完善的電子背散射衍射 (EBSD) 技術(shù)中衍射花樣 (稱菊池帶，是日本學者菊池 20 世紀 20 年代首先觀察到的) 中的晶帶。圖3 (b) 是單晶鋁的 EBSD 花樣，每個帶對應(yīng)一個晶面，交叉點則是晶帶軸；中心為 [001]軸。這正是最常用的、從不同方向進行的晶體學分析技術(shù)。本來倒易點陣是很抽象的，圖3 (a) 中每個點代表1 個垂直于紙面的晶面，圖中只有一個晶帶軸；而圖3 (b) 中的衍射帶卻很直觀，每個帶代表一個放大的晶面。過中心點 (001) 的所有帶組成一個晶帶，圖中存在許多晶帶軸。

圖3 鋁單晶的衍射斑 (a) 與 EBSD 衍射帶花樣 (b)

外斯的生平

外斯的成長經(jīng)歷——“晶體學之路”

外斯于 1780 年 2 月 26 日出生在德國的萊比錫城，1856 年10 月 1 日在匈牙利的埃格爾離世，他是礦物學家及晶體學家。外斯的晶體學之路并非一帆風順?？此屏己玫摹吧窀讣彝ァ北尘俺蔀槭`外斯成長的外部力量。從發(fā)現(xiàn)自己真正感興趣的事物，到擺脫宗教思想的束縛，這個漫長的自我成長與成才的經(jīng)歷中，外斯表現(xiàn)出了果敢的勇氣與決心以及非凡的聰敏與智慧。

外斯的祖父和父親都是尼科萊教堂的神父[7]。他們給外斯取的名字的第一個單詞 Christian——克里斯蒂安，意思是基督教，從這里大致看出外斯的成長環(huán)境充滿了宗教的氛圍。這種環(huán)境下，年幼的外斯 (12 歲) 開始接受古典教育時，在當時的自由教會學校 (Evangelische Gnadenschule Hirschberg)，也就是現(xiàn)在波蘭的耶萊尼亞古拉，跟隨語言學家 C.L. 鮑爾學習。受這種宗教思想的束縛，1796 年，16 歲的外斯回到萊比錫城，在大學進修醫(yī)學。但是外斯對醫(yī)學沒有任何興趣，也不愿意繼續(xù)留在醫(yī)學界。與此同時，物理、化學以及晶體學這些自然學科引起了外斯?jié)夂竦呐d趣。于是，在得到學士學位之后他又轉(zhuǎn)向自己喜歡的物理和化學的學習，并在 1800 年 (20 歲) 獲得博士學位，同時被聘為大學職員。外斯從 1803 年開始在萊比錫教化學、物理學以及晶體學，并于 5 年之后獲得了物理學教授頭銜。

1809 年，語言學家、哲學家兼政治家的威廉?馮?洪堡為了創(chuàng)立一所以哲學與科學為中心的“研究教學合一”的大學，想要招攬一批德國最杰出的教師。經(jīng)布赫推薦，外斯被威廉?馮?洪堡任命為這所新大學的化學、礦物學和晶體學教授。這所新大學的課程從 1810 年開始，而外斯擔任礦物學教授一職直至終身。這所新大學便是被譽為“現(xiàn)代大學之母”的、現(xiàn)今德國首都柏林最古老的大學——柏林洪堡大學。同時，威廉?馮?洪堡的弟弟亞力山大?馮?洪堡，以自己的名字建立了德國洪堡基金，這個基金資助了大量的外國科學家與德國科學界的交流，也是至今科學界聲望很高的基金會。

洪堡大學在 200 年的歲月中培養(yǎng)和造就了一大批知名學者，曾在洪堡大學學習和工作過的諾貝爾獎獲得者就多達 36 人。柏林洪堡大學的教師陣容十分強大，包括物理學家愛因斯坦、馬克斯?普朗克、亥姆霍茲、薛定諤、赫茲、韋恩等；生物化學之父費歇爾；20 世紀最偉大的數(shù)學家之一馮?諾伊曼；化學家拜耳；哲學家費希特、謝林、黑格爾、叔本華；地理學家李希霍芬、李特爾；神學家弗里德里希?施萊爾馬赫；法學家薩維尼；歷史學家蘭克都曾在此任教。

1810 年卡斯滕去世后，外斯也成為礦物學博物館館長。在 1832 年至 1833 年，外斯擔任柏林洪堡大學校長 (見圖4)。1853 年——是外斯逝世的三年前——他為完善博物館而協(xié)助政府購買布赫的一些價值連城的珍藏。1856 年 10 月 1 日，外斯在匈牙利的埃格爾永遠的離開了人世。后來人們?yōu)榱思o念外斯對柏林大學的重要貢獻，將外斯的名字刻在柏林大學的墻壁上 (見圖5)。

圖4 外斯曾擔任校長和教授的柏林洪堡大學 (http://www.hu-berlin.de/)

圖5 柏林大學的榮譽墻 (墻上刻著對柏林大學有突出貢獻的人的名字，放大圖圈中的文字是 Christian Samuel Weiss (1780—1856))

圖6 (a) 法國 Haüy《論礦物學》(Traité de minéralogie) 的首頁 (美國加利福尼亞大學圖書館)；(b) 科學功勛勛章 (http://www.pourlemerite.org/peace/peace.php)

外斯與其他晶體學家——思想火花的碰撞

1800 年，外斯被聘為大學職員。在教書之前，外斯特意花了兩年時間在克拉普羅特化學實驗室以及定量礦物分析中心學習?？死樟_特 (Martin Klaproth) 是柏林大學第一位化學教授，是元素鈾、鋯、鈰的發(fā)現(xiàn)者，也是分析化學的奠基人之一，這個實驗室便是以他的名字命名的。在這里，外斯認識了年輕的瓦連京魯斯，也逐漸熟識了皇家礦物集合館的館長、礦物學家迪特里希?卡斯滕 (Dietrich Ludwig Gustav Karsten)，同時也認識了著名的礦物學家利奧波德?馮?布赫。這些人在晶體學和礦物學方面已經(jīng)有自己的建樹與見解，并且樂于對外斯勤加指點，也正是因為站在這些巨人的肩膀上，外斯才得以進一步成長。

卡斯滕建議外斯去認真閱讀法國 Haüy 的《論礦物學》(見圖6 (a))。在翻譯這本書的過程中，外斯補充了大量的晶體學方面的知識[8]。同時，他開始逐漸認識到維爾納 (A. G. Werner) 關(guān)于晶體學的觀點是十分實用的，這種認識十分有效地矯正了 Haüy 在《論礦物學》一書中的并未證實的猜測。這就是后來的《礦物學總論》。維爾納是德國地質(zhì)學家、礦物學家，水成學派的創(chuàng)始人；Haüy 是法國杰出的晶體學家。從這里可以看出外斯尊重維爾納和 Haüy 這兩個人，但是他并不是對他們不加批判的膜拜。

1805 年—1806 年，外斯聽從布赫和卡斯滕的建議，和維爾納去弗萊貝格以及在一些與地質(zhì)學相關(guān)的領(lǐng)域和地區(qū)參觀學習，比如澳大利亞、瑞士和法國等。當時他和法國礦物學家 René-Just Haüy、André Brochant de Villiers、Claude Berthollet 這些人一起在巴黎度過了幾個月。豐富的閱歷促使外斯成為當時正在快速發(fā)展的晶體學學術(shù)圈的中心。

1809 年，外斯在其萊比錫的教授就職論文中第一次發(fā)表了關(guān)于晶體幾何學的解釋；后來又對這些觀點發(fā)表了一系列的論文，這些論文均發(fā)表在柏林的礦物學論文研究學術(shù)期刊，以及社會自然科學冊的出版物中。在論文中，外斯結(jié)合自己對晶體學的理解和研究，提出了晶體的對稱定律和晶帶定律，并將晶體分為六大晶系。這在當時的晶體學界引起了轟動，并奠定了外斯在晶體學中不可動搖的地位，而其中最廣為人知的晶帶定律，一直沿用至今。外斯除了在晶體學上做出了重要貢獻之外，還發(fā)表了許許多多的關(guān)于地質(zhì)學的論文，例如他和亞歷山大?馮?洪堡以及布赫一起奠定了維爾納的巖石水成論者理論。1815 年，外斯成為皇家普魯士科學院會員。1853 年，外斯以礦物學家的身份在德國柏林獲得了科學功勛勛章 (Pour Le Merite)[9]，見圖6 (b)。

啟 示

興趣

前文提到,外斯成長于宗教氛圍濃郁的神父家庭，外斯年幼時是在教會學校念書,甚至在大學期間也是學習與宗教有關(guān)聯(lián)的醫(yī)學。盡管如此，年輕的外斯真正感興趣的卻是物理、化學和數(shù)學這些自然科學。從 16 歲進入大學到 20 歲被授予博士學位這短短的四年時間，年輕的外斯出色的完成了醫(yī)學專業(yè)和自己感興趣的物理、化學這些學科的學習。這之后，外斯最終選擇了自己最感興趣的礦物學與晶體學進行研究，乃至為之奮斗終身。

我國目前本科階段絕大多數(shù)是四年制。本科畢業(yè)大多數(shù)是二十多歲，即便如此，材料科學與工程專業(yè)畢業(yè)的本科生，也仍舊無法對材料科學有十分深刻而獨到的見解。畢竟，知之者不如好之者，好之者不如樂之者，如果我們對材料科學充滿興趣，就會主動吸取和探索這方面的專業(yè)知識。

前沿

外斯曾出國游歷以了解國外在礦物學、晶體學相關(guān)領(lǐng)域的最新動態(tài)，為其之后的發(fā)展奠定了重要的基礎(chǔ)。因為外斯所處的時代，晶體學是從依附地質(zhì)學和礦物學的情形下，逐漸蓬勃發(fā)展。在此期間他也認識了很多相同領(lǐng)域的不同國籍的學者。如今科學技術(shù)日新月異，而參加國際交流能接觸到很多時代尖端的前沿知識，同時也可能會結(jié)交一些良師益友。因而，建議希望在科學領(lǐng)域有所建樹的同仁，可以多了解一些國外的相關(guān)研究領(lǐng)域。

思維

亞里士多德曾說過：思維從疑問和驚奇開始。外斯所處的時代背景下，礦物學以及地質(zhì)學蓬勃發(fā)展成為主流學科，而晶體學只是依附于地質(zhì)學而相對緩慢的發(fā)展。盡管如此，敏銳的外斯，即使接觸到很多同領(lǐng)域的泰斗比如法國 Haüy，也不是盲目信從，而是用質(zhì)疑的眼光對待；對于剛剛發(fā)展的新理論，例如維爾納的巖石水成論，則是很快地吸收并為己所用，這在當時甚至現(xiàn)在都是很少見的。研究者一般傾向于相對權(quán)威的理論，對于新發(fā)展的理論，在沒有其他權(quán)威驗證其正確性時，則是不容易接受的。有了這種與時俱進的學習精神，才能及時更新自己的知識。

致 謝

感謝北京科技大學教學研究項目 (No.JY2011SFK05) 及材料學國家級教學團隊建設(shè)項目的資助。

[1]賀哲豐, 楊平. 名人典故在材料科學基礎(chǔ)教學中的作用. 中國冶金教育, 2011(5): 38-40

[2]毛豐昕, 肖泓羽, 曹涵, 等. 材料科學名人典故對“材料科學基礎(chǔ)”課程學習的影響. 中國冶金教育, 2010(6): 82-84, 87

[3]楊平.《材料科學基礎(chǔ)》課程的基本概念與相關(guān)名人典故——再結(jié)晶形核機制、立方織構(gòu)及胡郇先生. 金屬世界,2011(4): 73-77

[4]Hoppe G. Zur Geschichte der Geo-wissenschaften im Museum für Naturkunde zu Berlin Teil 4: Das Mineralogische Museum der Universit?t Berlin unter Christian Samuel Weiss von 1810 bis 1856. Mitt Mus Nat kd Berl, Geowiss Reihe, 2001(4): 3-27

[5]余永寧.材料科學基礎(chǔ). 北京: 高等教育出版社, 2007

[6]Weiss C S. De indagando formarum crystallinorum character geome-trico principali.Leipzig, 1809. French by A. Brochant de Villiers. Memoire sur ladetermination du caractere geometrique principal des formes cristallines. Journal des Mines, 1811(29):349-391, 401-444

[7]Complete Dictionary of Scienti fi c Biography(eBook version). Published by Charles Scribner's Sons, 2008

[8]Weiss C S. Betrachtung eines merkwürdigen Gesetzes der Farbenanderung organischer K?rper durch den Einfluβ des Lichtes. Leipzig, 1801, Signatur: Phy.sp.738

[9]Verzeichnis der Mitglieder des Ordens POUR LE MéRITE für Wissenschaften und Künste nach Aufnahmejahren. Stand:1. Nov. 2011