图30-1 在二维中的一个重复图样
我们已经结束了关于电磁基本定律的学习，现在要来学习实物的电磁性质了。我们将从描述固体——即晶体——开始。当物质中的原子运动得并不太厉害时，它们逐渐粘在一起并把它们自己安排在一个尽可能低的能量位形中。如果某处的原子已找到了一个似乎具有低能量的图样，那么在别处的原子大概也会做出同样的安排。为了这些缘故，在固体材料中我们就有重复的原子图样。
换句话说，晶体中的情况是这样的：晶体里某一特定原子的周围环境具有某种安排，而倘若你在更向前的另一处又看到一个相同种类的原子，那么你将会发现它的环境与前面的完全相同。如果你再向前同样的距离选取一个原子，你将会发现情况又是完全相同。这图样将一次又一次地重复——这当然是在三维之中。
试想象设计一张墙纸或花布，或平面上的某种几何图案——你假定将有一个一次又一次地重复着的设计单元，以致你可以制成一个任意大的面积，这就是将要在三维中求解的晶体问题的一个二维类比。例如，图30-1（a）显示一张常见的墙纸的设计图样。在图样中有一个能够永远重复的单元。若仅仅考虑其重复性质而不理会花朵本身的几何图形或其艺术价值，则这种墙纸图样的几何特性可用图30-1（b）来表述。你若从任一点出发，便可通过沿箭头1的方向移动距离a而找到一个对应 点。如果沿另一个箭头方向移动距离b，那么你也可获得一对应点。当然，还有许多其他方向。例如，你可以从α点至β点而达到一个对应点，但这样的一步可认为是这样两步的组合，即沿方向1的一步，接着又沿方向2的一步。这个图样的一种基本性质就是可以由达到邻近同样位置的两个最短步长来描述。所谓“同样”位置我们指的是若你站在其中任一个位置上而眺望你的周围，你将看到的事情与你站在另一个位置上所看到的完全相同，这就是晶体的基本性质。唯一不同在于，晶体是一种三维排列，而不是二维排列；而其格点的每个基元自然就不是那些花朵，而是某些原子——也许是六个氢原子和二个碳原子——在某个图样中的某种排列。晶体中原子的图样在实验上可以通过X射线衍射而找到。由于以前我们曾简短地提到过这种方法，并且对于大多数简单晶体和某些相当复杂的晶体来说，它们的原子在空间中的精确排列都已经被计算出来，现在就不再赘述了。
图30-1 在二维中的一个重复图样
晶体的内在图样会在不同方面显示出来。首先，原子在某些方向的结合强度往往比其他方向的要强，这意味着通过晶体的某些平面会比另一些平面更易于裂开，它们被称为解理 面。如果你用一小刀刃劈裂一块晶体，它往往会沿这样的面破裂开来。其次，根据晶体的形成方式，其内部结构还往往表现在其表面上。试想象晶体正从溶液中淀积出来。有一些原子会在溶液里各处漂浮，而最后当它们找到一个能量最低的地方时就淀积下来（这好像墙纸逐渐制成的情形，花朵到处漂浮，直到其中一朵偶尔漂到一个地方而给逐渐粘绊住，之后一个又一个花朵都给粘住，使得该图样逐渐生长起来）。你将体会到，其中一些方向的生长速率与其他方向的不同，因而长成某种几何形状。由于这种效应，许多晶体的外表就会呈现原子内部排列的某些特征。
图30-2 天然晶体：（a）石英；（b）氯化钠；（c）云母
例如，图30-2（a）显示一块典型石英晶体的形状，它的内部图样为六角形。如果你仔细地考察这样一块晶体，你将会注意到，它的外表并不会形成很好的六边形，因为那些边并非完全等长——事实上，它们往往很不一致。但在一个方面石英晶体却是十分完美的六边形，两面间所形成之角 恰好是120°。很清楚，任一个特定面的大小是生长中的一个偶发事件，但角度 却是其内禀几何的一种表示。所以每一块石英晶体各有其不同形状，即使各对应面之间的角度总是相同的。
一块氯化钠晶体的内禀几何，从其外表形状来看，也是很显然的。图30-2（b）表示一块典型食盐的形状。这种晶体不再是理想立方体，但其表面间却 严格互相垂直。
一种更为复杂的晶体是云母，它的形状示如图30-2（c）所示。它是一种高度各向异性的晶体，并从这么一个事实就容易看得出来，即如果你试图在一个方向（图中的水平方向）上拉断它，它表现出十分坚韧，但在另一个方向（垂直方向）上就很容易把它拉裂开来。它常被用来获得十分坚韧的薄片。云母和石英是两种含有硅的天然矿物样品。第三种含硅矿物样品则是石棉，它具有这么一种有趣性质，即在两个方向上它很容易被拉开，但在第三个方向上就不是这样，它表现为由十分坚韧的线状 纤维所构成。