Мы убедились, что вещество переходит в твердое состояние тогда
, когда средняя кинетическая энергия поступательного движения его молекул существенно меньше глубины потенциальной ямы. В том же параграфе мы упоминали, что твердые вещества могут быть кристаллическими или аморфными. Здесь мы рассмотрим только кристаллические вещества.
Когда мы говорим, что положения атомов в кристалле упорядочены, мы имеем ввиду, что определенным образом расположены точки равновесия, центры, около которых происходит хаотическое колебание атомов. Эти точки называются узлами кристаллической решетки. Если ближайшие друг к другу узлы решетки мысленно соединить отрезками прямых, получим геометрическое тело, называемое элементарной ячейкой кристалла. Их формы довольно разнообразны, но они всегда имеют точки, оси и плоскости симметрии. Кристалл, собственно говоря, и состоит, из периодически повторяющихся элементарных ячеек. Нам не часто доводится увидеть правильно ограненный кристалл, поэтому создается впечатление, что большинство твердых веществ не кристаллы. Это неверно, кристаллы встречаются как в природных, так и в искусственно полученных веществах гораздо чаще, чем аморфные вещества. Более того, кристаллы никогда самопроизвольно не переходят в аморфное состояние, обратный же переход встречается довольно часто. Аморфное состояние, в отличие от кристаллического, неустойчиво. Редко мы встречаем не просто кристаллы, а монокристаллы, тела, представляющие собой один достаточно большой кристалл. Чаще всего кристаллические тела, в том числе и металлы, представляют собой поликристаллы, вещества, состоящие из множества мелких, часто микроскопических хаотически ориентированных кристаллов. Термин «микроскопический» в данном случае предполагает макроскопическое тело, но такое маленькое, что его видно только в микроскоп. Монокристаллы анизотропны, т. е, обладают разными свойствами в разных направлениях. Это касается любых свойств — механических, тепловых, электрических, оптических. Представим себе, что мы пытаемся сжать кубический кристалл один раз вдоль ребра куба, а другой — вдоль диагонали. Уже из того простого факта, что расстояния между атомами вдоль каждой из этих прямых различны, очевидно, что при одном и том же усилии результаты будут разными. Все, что мы рассмотрим дальше, в принципе относится и к монокристаллам, и к поликристаллам, хотя мы не будем в наших рассуждениях учитывать поликристалличность. Надо только иметь ввиду, что в поликристаллах картина всех рассматриваемых явлений усложняется.
Нетрудно объяснить, почему атом или ион, находящийся внутри кристалла, колеблется около некоторого положения равновесия. Трудно объяснить, почему кристалл вообще существует. В узлах кристаллической решетки металла расположены, точнее, колеблются положительные ионы, а электроны, оторвавшиеся от атомов коллективизированы, принадлежат всем атомам, всему кристаллу. С точки зрения классической физики такая система просто не сможет существовать, потому что система свободных электрических зарядов в отсутствие внешних сил не может находиться в равновесии. Но существует! Объяснение этому дает квантовая механика.