Мобильная версия пока недоступна

В твёрдом теле обычно возникает новое свойство, которого не было ни в жидкости, ни в газе. Физики называют его дальний порядок. Глядя на положение молекул в одном углу твёрдого тела, мы можем предсказать, где в точности будут находиться молекулы на очень большом по молекулярным меркам расстоянии от этого угла. Молекулы образуют как бы повторяющийся узор, неизменный не только на расстоянии десятков молекул, которые показывают наши демонстрации и рисунки, но миллиардов молекул в реальной жизни. Такой узор и называют "кристаллом" — словом, уже появлявшемся в одном из прошлых уроков.

Кристаллы могут быть составлены из молекул или напрямую из атомов. Атомы обычно взаимодействуют гораздо сильнее, чем молекулы, поэтому кристаллы, напрямую составленные из атомов, обычно прочнее. Фактически, атомный кристалл похож на одну гигантскую молекулу, объединяющую не несколько штук, а миллиарды миллиардов атомов. Примерами атомных кристаллов является большинство горных минералов (камней), а примерами молекулярных — например, сахар и лимонная кислота. Но эти различия пока не так принципиальны для нас и дальше мы часто будем писать о "молекулах", имея в виду любые частицы, из которых составлен кристалл. Заметьте, что даже упакованные в кристалл молекулы не перестают двигаться. Они непрерывно "дрожат" вблизи своих положений равновесия.

Хотя мы сказали, что молекулы обычно притягиваются на средних расстояниях и отталкиваются на очень маленьких, как именно сила их взаимодействия зависит от расстояния между ними, может быть очень различно. Разные молекулы, обладая разными свойствами, притягиваются и отталкиваются на разных расстояниях чуть сильнее или чуть слабее, и эти, кажущиеся крохотными, отличия, приводят к формированию разных типов кристаллов. Демонстрация ниже показывает, как разные структуры складываются из похожих молекул в одних и тех же условиях, и единственное, что отличает режимы этой демонстрации — тонкие различия в зависимости силы взаимодействия молекул от расстояния между ними.

Многообразие реальных кристаллов гораздо больше того, что можно увидеть в демонстрации выше. Во-первых, демонстрация изображает только плоскую картинку, а реальные кристаллы существуют в объёмном мире. Во-вторых, реальные молекулы — не шарики, и силы их взаимодействия зависят не только от расстояния между ними, но и от того, как они повёрнуты в пространстве. Во многих случаях одно и то же химически вещество может образовывать несколько разных кристаллических форм, и свойства их зачастую отличаются очень сильно. Известнее всего в этом отношении углерод: одна его кристаллическая форма — графит, служащий стержнем простых карандашей; чёрный, легко крошащийся, дешёвый. Другая — алмаз — прозрачный, драгоценный и очень твёрдый камень, на первый взгляд не имеющий с графитом ничего общего, а в действительности, составленный из точно таких же атомов, просто упакованных в другом порядке.

Вещества с различными типами кристаллических решёток обладают разными физическими свойствами. Кристаллические структуры объясняют наличие у многих твёрдых тел анизотропных свойств. Одного взгляда на кристаллические решётки достаточно, чтобы понять, что, например, сжатие кристалла вдоль и поперёк стройных рядов его молекул может происходить по-разному.