下北沢八郎の場合

固体とは何なのか？

　固体という言葉は小学生の理科の時間に習ったのだろうか。固体と聞いて最初に思い浮かぶイメージは、固い、重い、どろどろしていない…その他いろいろ。辞書で調べてみると、理化学辞典では、
『固体
　物質の３態の１つで、定まった形をもつ状態をいう。固体を構成する各原子または分子相互の配置関係はほぼ一定しており、相互作用を及ぼしあう。物質は一般に低温、高圧になるに従って（化学変化をおこさないかぎり）この状態をとるようになる。構造論的には、原子または分子の配列が規則正しい周期性をもつ結晶と規則性をもたない非晶質とがある。……』
とある。そうですか…なるほどねえ。これくらいだったら、なんとかわかるかな。

　結晶という言葉は、学生の頃まで意味を理解していなかったと思う。その時までは、雪の結晶という言葉のイメージが強くて、中心から放射状に並ぶことを結晶だと思っていた。結晶って高校の時に意味を教わっていないような気がするが。忘れてしまっただけなのか。

　原子や分子の相互の配置関係がほぼ一定しているというのは、小学生のときの先生の言葉を難しく書き直したくらいで、これは問題ない。まさにこれが固体よって感じで。

　“相互作用を及ぼしあう”というのはどういうことか。形が変わらないということは、原子の間の距離を大きくしようとしたときに引力が働き、近づけようとしたときに反発力が働くと書きかえていいのかな。引力と斥力どちらか一方だけだったら体積はゼロや無限大になってしまって、ある有限の値に落ち着くということはない。行きたい方向と逆に働くという力というのは、バネがまず頭に思い浮かぶ。固体物理の本には、原子の間をバネでつないだモデルがよく書かれている。これが最初ピンとこなかった。相互作用はバネのようなものと考えることにしてみる。

　それではなぜ温度を上げたら液体や気体になるのだろう。温度というのもちゃんと理解しないとまずそうだ。固体物理学を極めるには古典物理をちゃんと理解してからにしないと、ほんとはだめなんだろうな。それはいっしょにやっていくことにしよう。高校の時にならった知識では、温度を上げると原子の運動が活発になるということだった。固体の中の原子や分子は振動していて、温度を上げるとその振動が活発になるということは習ったような気がする。もし、原子がバネでつながれていたら、動いた距離だけ逆側に戻される復元力が働くから、原子の配置が変わることは難しい。これから原子間に働く力は、単純なバネではなさそうだという気持ちがしてくる。

　そのちょっと特別なバネでつながっているものが固体のようなので、それがどんなものかというのを調べることにする。教科書には、結合の仕方がいろいろ書いてあるので、それを見ながらまとめてみようと思う。

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