Single Crystals Crystals can be single crystals where the whole solid is one crystal. Then it has a regular geometric structure with flat faces. Polycrystalline Materials A solid can be composed of many crystalline grains, not aligned with each other. It is called polycrystalline. The grains can be more or less aligned with respect to each other. Where they meet is called a grain boundary. Non-Crystalline Solids In amorphous solids, there is no long-range order. But amorphous does not mean random, since the distance between atoms cannot be smaller than the size of the hard spheres. Also, in many cases there is some form of short-range order. For instance, the tetragonal order of crystalline SiO2(quartz) is still apparent in amorphous SiO2 (silica glass.)

Important properties of the unit cells are - The type of atoms and their radii R. - Cell dimensions (side a in cubic cells, side of base a and height c in HCP) in terms of R. - n, number of atoms per unit cell. For an atom that is shared with m adjacent unit cells, we only count a fraction of the atom, 1/m. - CN, the coordination number, which is the number of closest neighbors to which an atom is bonded.…

When the crystal systems are combined with the various possible lattice centerings, we arrive at the Bravais lattices. They describe the geometric arrangement of the lattice points, and thereby the translational symmetry of the crystal. In three dimensions, there are 14 unique Bravais lattices that are distinct from one another in the translational symmetry they contain. All crystalline materials recognized until now (not including quasicrystals) fit in one of these arrangements. The fourteen three-dimensional lattices, classified by crystal system, are shown above. The Bravais lattices are sometimes referred to as space lattices. The crystal structure consists of the same group of atoms, the basis, positioned around each and every lattice point. This group of atoms therefore repeats indefinitely in three dimensions according to the arrangement of one of the 14 Bravais lattices. The characteristic rotation and mirror symmetries of the group of atoms, or unit cell, is described by its crystallographic point group.

Crystal Structures: Atoms self-organize in crystals, most of the time. The crystalline lattice is a periodic array of the atoms. When the solid is not crystalline, it is called amorphous. Examples of crystalline solids are metals, diamond and other precious stones, ice, graphite. Examples of amorphous solids are glass, amorphous carbon (a-C), amorphous Si, most plastics To discuss crystalline structures it is useful to consider atoms as being hard spheres, with well-defined radii. In this scheme, the shortest distance between two like atoms is one diameter. Crystal Lattice is used to represent a three-dimensional periodic array of points coinciding with atom…

Fluctuating Induced Dipole Bonds Since the electrons may be on one side of the atom or the other, a dipole is formed: the + nucleus at the center, and the electron outside. Since the electron moves, the dipole fluctuates. This fluctuation in atom A produces a fluctuating electric field that is felt by the electrons of an adjacent atom, B. Atom B then polarizes so that its outer electrons are on the side of the atom closest to the + side (or opposite to the – side) of the dipole in A. This bond is called van der Waals bonding. Polar Molecule-Induced Dipole Bonds A polar molecule like H2O (Hs are partially +, O is partially), will induce a dipole in a nearby atom, leading to bonding.…

In metals, the atoms are ionized, losing some electrons from the valence band. Those electrons form an electron sea, which binds the charged nuclei in place, in a similar way that the electrons in between the H atoms in the H2 molecule bind the protons.

In covalent bonding, electrons are shared between the molecules, to saturate the valency. The simplest example is the H2 molecule, where the electrons spend more time in between the nuclei than outside, thus producing bonding.

This is the bond when one of the atoms is negative (has an extra electron) and another is positive (has lost an electron). Then there is a strong, direct Coulomb attraction. An example is NaCl. In the molecule, there are more electrons around Cl, forming Cl- and less around Na, forming Na+. Ionic bonds are the strongest bonds. In real solids, ionic bonding is usually combined with covalent bonding.

In 1925 a new kind of mechanics was proposed, quantum mechanics, in which Bohr's model of electrons traveling in quantized orbits was extended into a more accurate model of electron motion. The new theory was proposed by Werner Heisenberg. Another form of the same theory, wave mechanics, was discovered by the Austrian physicist Erwin Schrödinger independently, and by different reasoning. Schrödinger employed de Broglie's matter waves, but sought wave solutions of a three-dimensional wave equation describing electrons that were constrained to move about the nucleus of a hydrogen-like atom, by being trapped by the potential of the positive nuclear charge. The shapes of atomic orbitals can be understood qualitatively by considering the analogous case of standing waves on a circular drum. To see the analogy, the mean vibrational displacement of each bit of drum membrane from the equilibrium point over many cycles (a measure of average drum membrane velocity and momentum at that point) must be considered relative to that point's distance from the center of the drum head. If this displacement is taken as being analogous to the probability of finding an electron at a given distance from the nucleus, then it will be seen that the many modes of the vibrating disk form patterns that trace the various shapes of atomic orbitals. The basic reason for this correspondence lies in the fact that the distribution of kinetic energy and momentum in a matter-wave is predictive of where the particle associated with the wave will be. That is, the probability of finding an electron at a given place is also a function of the electron's average momentum at that point, since high electron momentum at a given position tends to "localize" the electron in that position, via the properties of electron wave-packets (see the Heisenberg uncertainty principle for details of the mechanism). This relationship means that certain key features can be observed in both drum membrane modes and atomic orbitals. For example, in all of the modes analogous to s orbitals (the top row in the animated illustration below), it can be seen that the very center of the drum membrane vibrates most strongly, corresponding to the antinode in all s orbitals in an atom. This antinode means the electron is most likely to be at the physical position of the nucleus (which it passes straight through without scattering or striking it), since it is moving (on average) most rapidly at that…

In the early 20th century, experiments by Ernest Rutherford established that atoms consisted of a diffuse cloud of negatively charged electrons surrounding a small, dense, positively charged nucleus. Given this experimental data, Rutherford naturally considered a planetary-model atom, the Rutherford model of 1911 – electrons orbiting a solar nucleus – however, said planetary- model atom has a technical difficulty. The laws of classical mechanics (i.e. the Larmor formula), predict that the electron will release electromagnetic radiation while orbiting a nucleus. Because theelectron would lose energy, it would rapidly spiral inwards, collapsing into the nucleus on a timescale of around 16 picoseconds. This atom model is disastrous, because it predicts that all atoms are unstable. Also, as the electron spirals inward, the emission would rapidly increase in frequency as the orbit got smaller and faster. This would produce a continuous smear, in frequency, of electromagnetic radiation. However, late 19th century experiments with electric discharges have shownthat atoms will only emit light (that is, electromagnetic radiation) at certain discrete frequencies. To overcome this difficulty, Niels Bohr proposed, in 1913, what is now called the Bohr model of the atom. He suggested that electrons could…