2.8. Кристаллы

Типичная молекула является микрочастицей, состоящей из сравнительно небольшого числа атомов. Однако бывают молекулы, включающие в себя многие тысячи атомов, например, молекулы полимеров. Такие молекулы называют макромолекулами. Способность атомов объединяться реализуется также в иной форме — форме кристаллов. Отличительной чертой всех кристаллов является чрезвычайно высокая степень упорядоченности, составляющих их атомов в пространстве. Например, кристалл поваренной соли состоит из ионов натрия и хлора, пространственное расположение которых можно представить следующим образом: возьмем правильный кубик, в вершинах которого расположены отрицательные ионы хлора, а в центре положительный ион натрия, тогда кристалл можно рассматривать как множество плотно упакованных кубиков. Если мы переместимся из одной точки кристалла в другую на величину длины ребра кубика вдоль любого из его ребер, то окажемся в точно таком же окружении как и до перемещения. Это свойство кристаллов называют трансляционной инвариантностью. В рассмотренном примере, элементами кристалла являются ионы атомов, поэтому они называются ионными кристаллами. В природе существуют кристаллы другого вида, например лед, элементами которых являются молекулы. Такие кристаллы называют молекулярными.

Существует несколько определений кристалла. Одно из них утверждает: кристалл — это твердое тело, имеющее ретикулярное (решеточное) строение. Итак, атомы в кристалле расположены правильным образом и чаще всего так, чтобы плотно заполнить пространство. Расположив вплотную друг к другу одинаковые шарики, мы получим вполне приемлемую модель кристалла. Поупражнявшись с шариками можно убедиться, что число способов, которыми можно их расположить при плотной упаковке, ограничено.

Итак, кристалл — это множество атомов, упорядоченных в пространстве. Именно благодаря этой упорядоченности кристаллы имеют совершенные формы. Драгоценные камни представляют собой природные или искусственно созданные кристаллы. Их отличительные черты — идеальная гладкость поверхностей и правильные углы между ограняющими кристалл плоскостями. Эти свойства кристаллов придают им необыкновенную красоту. Что же заставляет атомы располагаться в идеальном порядке? Объясняется это очень просто: такое расположение соответствует минимуму потенциальной энергии. Атомы занимают в пространстве такие положения, которые соответствуют самым глубоким потенциальным ямам. Раскалываются кристаллы по совершенным плоскостям потому, что работа образования таких поверхностей минимальна.

Современная наука способна не только объяснить свойства твердых тел, но и указать пути их целенаправленного изменения. Это оказалось возможным, благодаря развитию представлений о природе межатомного взаимодействия и электронного строения вещества. На этом пути нашло естественное объяснение различие физических свойств диэлектриков, полупроводников и металлов. Объяснены механизмы даже такого необычного явления, каковым представляется сверхпроводимость. Теория твердого тела уже давно вышла за рамки чистой науки и является необходимой частью практики. Именно потребности практики стимулируют все более тонкие исследования и очень широким фронтом, потому что здесь рождаются принципиально новые материалы, новые энерго- и ресурсосберегающие технологии. По этим причинам, в настоящее время больше половины всех публикаций по физики относятся к физике твердого тела.