Но присмотритесь получше к окружающим вас предметам. Обычные сахар и поваренная соль, лед и песок состоят из множества мелких кристалликов. Границы раздвинутся еще шире, если вы вооружитесь микроскопом. Излом любого металла глянет на вас сверкающими кристаллическими гранями. Окажется, что основная масса горных пород, образующих земную кору, состоит из кристаллов. Даже глина, как показывают точные методы современной науки, представляет собой нагромождение мельчайших кристалликов. Металлы, камень, песок, глина — это основа наших строительных материалов. Значит, из кристаллов построены целые города!
Вывод, который мы должны здесь сделать, многим покажется неожиданным, но это так: кристаллическое состояние — одно из самых распространенных в окружающей нас природе.
Добавим к этому, что кристаллическими являются очень многие синтетические материалы, используемые в современной технике. Вспомним о полупроводниках, ферромагнетиках, сверхпрочных и жаростойких сплавах, и нам станет ясно, что изучение кристаллического состояния — дело первостепенной научной важности.
Но что такое кристалл? Каковы основные признаки кристаллического состояния?
Твердое вещество существует в двух формах: оно может быть кристаллическим или аморфным. Одно из характерных свойств кристаллического вещества, в отличие от аморфного, — способность самоограняться. Кристаллы образуются по-разному: они выпадают при упаривании раствора, они возникают при охлаждении расплава, при достаточно низкой температуре они растут из паров (вспомните иней или морозные узоры на стекле). И во всех этих случаях на поверхности кристаллов самопроизвольно возникают плоские грани.
Вместе с тем, огранка хотя и характерный, но не обязательный признак кристаллического вещества. В некоторых случаях грани кристаллов бывают выражены весьма нечетко. Иногда вещество состоит из таких мелких кристалликов, что грани трудно обнаружить даже под микроскопом. Кроме того, если кристалл обточить, придав ему округлую форму, лишенную граней, вещество не перестанет быть кристаллическим и свойства его останутся прежними.
Способность самоограняться — это лишь одно из проявлений более общего, более фундаментального качества кристаллов — их анизотропии. Так называют различие свойств по разным направлениям.
Возьмем кристалл поваренной соли, имеющий форму куба, и выточим из него шар. Затем погрузим шар в насыщенный раствор соли и будем медленно упаривать раствор. Кристалл начнет расти и постепенно снова примет форму куба. Этот опыт показывает, что скорость роста кристалла в разных направлениях неодинакова. Грани кристалла возникают перпендикулярно направлениям, по которым скорость роста минимальна.
Анизотропия проявляется в очень многих физических свойствах кристаллов. В отличие от кристаллических аморфные вещества, имеющие совершенно одинаковые свойства по всем направлениям, называют изотропными. В этом отношении они подобны жидкостям и газам. Еще одна характерная особенность кристаллов — фиксированная температура плавления. При нагревании кристаллическое вещество вплоть до определенной температуры остается твердым, а затем начинает плавиться, переходя в жидкое состояние (многие вещества начинают разлагаться гораздо раньше, чем переходят в жидкое состояние; в жидком виде они попросту не существуют). Пока продолжается плавление, температура не повышается. Аморфные вещества ведут себя иначе. При нагревании куска стекла он начинает постепенно размягчаться и, наконец, растекается, принимая форму сосуда. Невозможно установить, при какой температуре это произошло. Вязкость стекла уменьшается постепенно, никакой остановки в росте температуры нет.
Но самая важная особенность кристаллического вещества заключается в упорядоченном расположении его атомов.
На рисунке показано внутреннее строение кристалла и аморфного вещества того же состава. Рисунок, разумеется, имеет условный характер, так как в действительности атомы вещества располагаются не на плоскости, а в пространстве.
Рассмотрим атомы, обозначенные черными точками. В обоих случаях окружение каждого из таких атомов почти одинаково: ближайшие соседи располагаются по вершинам треугольника, совершенно правильного при кристаллическом и почти правильного при аморфном состоянии. Значит, и в аморфном веществе имеется так называемый «ближний» порядок. Но если принять во внимание не только самых близких соседей, то выяснится, что в кристалле окружение каждого атома все-таки остается одинаковым, а в аморфном веществе оно окажется разным. Поэтому говорят, что в кристаллическом теле в отличие от аморфного наблюдается «дальний» порядок.