結晶構造の基礎と分類

結晶構造とは、固体内部における原子の規則的な配置を指します。結晶は、空間的に繰り返される「格子」と、各格子点に付随する「基本構造」の組み合わせによって記述されます。

結晶格子と単位格子

結晶格子は、結晶の並進対称性を数学的に表現したものです。実空間において、基本並進ベクトル a1, a2, a3 を用いて格子点の位置が定義されます。この格子点を結んで作られる平行六面体は「単位格子」と呼ばれ、これを3次元的に周期的に並べることで結晶全体が構成されます。格子点を平均して1つ含む最小の単位格子は「基本単位格子」と呼ばれます。

ブラベ格子

結晶格子は、その対称性に基づいて分類されます。3次元空間における結晶格子は、単純、底心、体心、面心の4つの形式と、7つの結晶系を組み合わせることで、合計14種類の「ブラベ格子」に分類されます。これはフランスの物理学者オーギュスト・ブラヴェに由来する分類法です。

主な結晶系とブラベ格子の分類

最密充填構造

原子を空間内に最も効率よく詰め込んだ配置を最密充填構造と呼びます。代表的なものとして、六方最密充填構造（hcp）や面心立方格子構造（fcc/ccp）が挙げられます。これに対し、単純立方格子や体心立方格子（bcc）は最密充填ではない構造として分類されます。