古代学者们在思考物质的起源时，美观、漂亮的晶体作为大自然的物质，不可避免地会进入学者们的视野。他们思考晶体的构成，尤其是它们为什么会形成棱、角、平整的面。比如雪花为什么是六角形，且只有六角形一种吗？中国西汉时期的韩婴就发现：凡草木花多五出，雪花独六出。但他只叙述了现象，没有进一步探索雪花为什么是这种形状。在西方，Johannes Kepler（1571—1630年）、Robert Hooke（1635—1703年）、Rene Descartes（1596—1650年）都研究过雪花。1637年，Descartes第一次详述了雪花的外形：除了有不同形态的六边形外，雪花还有12条腿等其他形状。与此同时，Hooke用显微镜描述了雪花的结晶状态。读者朋友，请勿小看雪花，它在物理、化学、数学、材料学的相变等方面有很多有趣的研究。有兴趣的读者可去查阅雪花史方面的相关文献。

至于晶体的结构，17世纪左右的一些学者认为晶体内部是由一些相同的实心“基石”通过重复地规则排列而成的，并且内部毫无空隙。矿物学家Haüy（1743—1822年）在一次偶然中，不慎把冰晶石碰倒在地。冰晶石碎裂后，他发现所有细小的碎片与原来大晶体的形状一样。结合对方解石破裂面的观察，Haüy提出整体分子的思想：每个小晶体是一个很小的整体分子，大晶体由这种分子堆垛成（图2.1）。但后来研究者发现的同晶、混晶现象推翻了Haüy整体分子的思想。在此期间或更早，一些科学家已经认识到可以用球形或椭球形原子的规则堆砌来构成平坦的晶体表面。Kepler和Christiaan Huygens（1629—1695年）是最早用原子堆砌来研究晶体对称性的学者。但若用球或椭球原子来堆砌晶体，则内部会出现空隙，这与之前晶体内部没有空隙的看法产生了抵触。

图2.1　Haüy晶体外形及其基本砌块的关系模型（引自Kittle，2005）

但在整个17世纪，赞成球形微粒或原子堆砌成晶体的学者还是比较多。提出了晶体面角守恒的学者Steno（1638—1686年）在其博士论文中承认了原子存在的可能性。这一时期，Hooke和Huygens用球形颗粒的堆积画出了假想晶体的结构（图2.2）。1741年Mikhil Vasilievich Lomonosov（1711—1765年）创立了物质结构的原子分子学说。该学说认为微粒（分子）由极小的粒子——原子所组成。在此基础上，Lomonosov提出晶体是由球形分子堆砌而成的，并解释了NaNO3晶体的六角形断面形状。(www.daowen.com)

图2.2　Hooke和Huygens球形颗粒的可能堆积（引自Cahn，2008）

在18世纪早期，学者们开始从数学方面而不是从微观结构来研究晶体，因为简单的对称性足以解释晶体外貌。因此，之前的球或椭球原子堆积成晶体的假说被完全遗忘了。但到了18世纪中期，简单球形原子堆砌成晶体的提法又重新出现。

纵观19世纪以前的近200年时间，虽然对晶体内部构造有很多说法，但球形微粒的堆砌还是逐渐被学者们接受。他们也在尝试把古希腊时的原子概念应用到晶体微观结构的构造和宏观晶面平整性的解释中。但在这约200年的时间里，晶体微观方面的成就还是没有宏观方面的成就大。晶体微观结构的理论在19世纪才得以迅速发展，从而最终形成晶体结构学说。在该学说的指引下，晶体由微粒在空间按一定方式排列的观点才逐渐被认可。到20世纪初，原子被证实后，晶体才被正式认可为由球形原子或原子基团按一定规则堆砌而成。