Кристална структура

Кристална структура е тип подреждане на градивните частици на твърдо вещество – атоми, молекули или йони, при което има повтаряемост на определен модел в трите основни направления на пространството.
В обичайните представите кристалите имат плоски стени, които се пресичат под определен ъгъл и се асоциират със скъпоценен камък. Това е вярно при идеален кристал, тъй като външният му изглед отразява вътрешния строеж. Но кристален строеж имат и много твърди тела, които обикновено не се асоциират с тази представа – например металите. В чиста форма много материали са съставени от атоми, подредени в повтарящи се модели и затова се определят като кристали. За разлика от аморфните вещества кристалите имат точна температура на топене. Скъпоценният камък (например диамант) е единичен голям кристал от твърд неразтворим материал (в случая въглерод). Такива кристали са обаче много редки в природата и повечето твърди тела са поликристални – съставени от отделни области с кристален строеж (кристалити), подредени хаотично една спрямо друга.
За теоретичен анализ на кристалната структура се използва геометрично приближение, наречено кристална решетка. Във всяка точка от кристалната решетка се намира определена група атоми (мотивна единица), като всички групи са еднакви по състав, строеж и ориентация спрямо решетката. Може да се счита, че структурата е синтез на кристалната решетка и мотивната единица, която е размножена многократно чрез транслация. Този модел на подреждане зависи от особеностите на градивните частици и цели достигането на най-стабилната възможна конфигурация.
В най-простия случай мотивната единица се състои от един атом, например в кристалите на медта или желязото. Възникващата в резултат на това кристална структура много прилича на кристалната решетка, но се отличава по това, че е съставена от атоми, а не от точки. Често това обстоятелство не се отчита и термините „кристална структура“ и „кристална решетка“ се употребяват като синоними. Когато обаче мотивната единица е по-сложна и съдържа два или повече атома, няма геометрично сходство между кристалната решетка и кристалната структура. Така например, структурата на магнезия или диаманта не съвпадат геометрически с решетката: при тях мотивните единици се състоят от два атома.
Основни параметри на кристалната структура (някои от тях са свързани помежду си) са следните:
Полиморфизмът е свойство на някои вещества да образуват различни кристални структури при изменение на температурата и налягането. Полиморфни модификации са структурните модификации на даден минерал или химично вещество с еднакъв химичен състав, например при въглерода – диамант и графит, при калциевия карбонат – калцит и арагонит.
Наблюдението на отделни атоми е невъзможно с оптичен микроскоп, защото дължината на вълната на видимата светлина е много по-голяма от размерите на атомите и междуатомните разстояния. Изследването на кристалната структура става възможно в началото на 20 век, когато са открити рентгеновите лъчи. През 1912 г. Макс фон Лауе, Паул Книпинг и Валтер Фридрих (Max von Laue, Paul Knipping and Walter Friedrich) наблюдават за първи път дифракцията на рентгенови лъчи от кристали. Това откритие, заедно с предшествуващите разработки на Пол Питър Ивалд, (Paul Peter Ewald) Уилям Хенри Браг (William Henry Bragg) и Уилям Лорънс Браг (William Lawrence Bragg) дава начало на рентгеновата кристалография. Голямото значение на този метод се демонстрира и при изследванията на кристалната структура на ДНК половин век по-късно.