固体物理学と物質科学における固体の性質と分類

固体（こたい、英: solid）は、物質の基本的な状態の一つである。液体や気体と比較して、変形や体積変化が非常に小さいという特徴を持つ。連続体力学においては、静止状態においてもせん断応力の発生する物体として捉えられる。固体内の原子や分子は互いに強く結合しており、液体のように容器の形に合わせて流動せず、気体のように拡散して容器全体を占めることもない。

微視的特性

固体を構成する原子、分子、イオンは、整然と繰り返すパターンで並ぶ場合と、不規則に並ぶ場合がある。規則的パターンで配列している物質は結晶と呼ばれ、ダイヤモンドのように大きなスケールで単結晶を形成する場合もあるが、目に見える固体の多くは無数の小さな単結晶（クリスタリット）が集合した多結晶である。これに対し、原子の配列に大きな規則性がない物質はアモルファス（非晶質）と呼ばれ、ガラスや特定の高分子などがこれに該当する。

固体が結晶になるかアモルファスになるかは、形成時の冷却速度などの条件に大きく依存する。また、固体は熱エネルギーを持つため原子は常に振動（格子振動）しているが、この熱振動が原子間の結合力に打ち勝つと、液体へと相転移する（融解）。

主な分類と性質

固体の性質は、構成する原子間の結合様式（イオン結合、共有結合、金属結合、分子間力など）によって多様な分類がなされる。

金属

金属は強く稠密で、電気および熱の良導体である。自由電子が固体全体に拡散して存在し、その電子雲と陽イオンとなった金属原子との間の静電相互作用（金属結合）によって形が保持されている。自由電子の存在により不透明で光沢を帯び、電力伝送や構造材料など幅広い用途で利用されている。

鉱物

鉱物は自然界に存在する無機質の固体であり、高圧の地質学的過程によって形成される。均一な物理特性と明確な結晶構造を持つことが条件であり、ケイ酸塩鉱物が地殻の大部分を占めている。

セラミックス

セラミックスは主に無機酸化物などの化合物で構成され、化学的に不活性で耐熱性や耐摩耗性に優れている。力学的には硬く圧縮に強い一方で、ぜい性破壊を生じやすい特性を持つ。