Большинство твердых веществ имеет кристаллическое строение. Иногда образцы твердого вещества представляют собой монокристаллы, например такие, как кубические кристаллы хлорида натрия в поваренной соли. Некоторые кристаллы достигают очень больших размеров; известны природные кристаллы минералов диаметром в несколько метров.
В данном изложении рассмотрим в качестве примера медь. При разработке медных руд встречаются кристаллы меди, имеющие длину ребра до одного сантиметра. Обычный же кусок металлической меди состоит не из монокристалла меди, а из агрегатов кристаллов. Кристаллические зерна в образце металла хорошо видны, если поверхность металла отполировать и затем слегка протравить кислотой. Часто зерна очень малы и их можно различить только под микроскопом (рис. 2.2); иногда зерна бывают крупными, и их легко можно увидеть невооруженным глазом, например в латунных отливках.
Экспериментально установлено (приложение IV), что каждый кристалл состоит из атомов, расположенных в ячейке, имеющей три измерения, причем такая ячейка периодически повторяется. В кристалле меди все атомы одинаковы, и они расположены так, как показано на рис. 2.3 и 2.4. При такой структуре сферические частицы одного и того же размера размещаются так, что занимают минимальный объем. Эта структура, называемая кубической плотнейшей упаковкой, была установлена для кристалла меди У. Л. Брэггом в 1913 г.
При рассмотрении рис. 2.3 и 2.4 необходимо помнить, что изображенные на них атомы сильно увеличены по сравнению с кристаллом. Даже если кристалл очень мал, с длиной ребра всего 0,1 мм, то и тогда на каждом его ребре расположится в ряд примерно 400 000 атомов.
Именно строгая закономерность в расположении атомов в кристалле определяет его характерные свойства, в частности особенность роста кристалла в форме многогранника. (Многогранник — твердое тело, имеющее поверхность в виде плоских граней.) Грани кристалла определяются поверхностными слоями атомов, как показано на рис. 2.3 и 2.4. Эти грани расположены под определенными углами одна относительно другой, причем углы имеют определенные характерные значения, одинаковые для всех образцов одного и того же вещества. Размеры граней могут изменяться от образца к образцу, но углы между гранями всегда остаются постоянными. Основные поверхностные слои, показанные на рис. 2.3 и 2.4 для меди, соответствуют граням куба (кубические грани); эти грани всегда образуют прямые углы между собой. Меньший поверхностный слой, образующийся в результате срезания вершины куба, называется октаэдрической гранью. Самородки меди, встречающиеся в медной руде, часто имеют форму кристаллов с кубическими и октаэдрическими гранями.
Атомы нельзя считать твердыми шарами, они «мягкие» и при повышенном давлении могут сближаться еще теснее (сжиматься). Такое сжатие происходит, например, в том случае, когда при возрастании давления кристалл меди несколько уменьшается в объеме. Размеры, приписываемые атомам, соответствуют расстояниям между центрами двух одинаковых соседних атомов в кристалле при обычных условиях. Расстояние между одним из атомов меди и его двенадцатью ближайшими соседями в кристалле меди при комнатной температуре и атмосферном давлении равно 255 пм; эта величина называется диаметром атома меди в металлической меди. Радиус атома меди равен половине этой величины.
Рис. 2.2. Полированная и протравленная поверхность медного стержня, полученного холодной прокаткой; на снимке видны небольшие кристаллические зерна, образующие обычный металл. Мелкие круглые пятна — пузырьки газа.
Линейное увеличение: X 200 (т. е. линейные размеры увеличены в 200 раз).
Рис. 2.3. Расположение атомов в кристалле меди. Кубик, содержащий четыре атома меди, представляет собой структурную единицу; повторением такой структурной единицы можно получить целый кристалл.
Рис. 2.4. Схема атомного строения кристалла меди; на рисунке видны небольшие октаэдрические и большие кубические грани.