原子結構

在本領域裡，原子結構指的是原子在最細尺度上的排列，哪個原子坐在哪裡、相對於它緊鄰的鄰居又如何堆積。把原子想像成一顆顆小球：它們是像蔬果店裡的橘子那樣整齊堆疊、無盡重複，還是像袋子裡的沙子那樣隨機亂堆？這個答案，也就是原子尺度的排列，是整個結構階層的基層，一切更大的特徵都由這一層建構起來。

有兩件事決定原子結構：鄰居是誰（局部的鍵結與堆積，用配位數描述，也就是一個原子有幾個緊鄰的鄰居），以及那個局部堆積是否在長距離上規律重複。若它以週期方式重複，我們就稱這材料為結晶，而那個重複可以用一個微小的建構塊，也就是單位晶胞（邊長通常 0.3 到 1 奈米），來掌握。若它不重複，材料就是非晶質。用數字舉例：在面心立方的銅裡，每個原子接觸 12 個鄰居（配位數 12），堆疊的球體填滿了 74% 的空間。

原子結構決定了那些直接來自鍵結與堆積的性質，剛性、密度，以及往往還有光學與電子行為，它也是缺陷與更大特徵日後登場的舞台。它主要靠繞射來量測。有一個值得及早釐清的地方：別把材料裡的原子結構（原子在固體中坐落何處）跟單一原子的內部結構（它的原子核與電子殼層）搞混，同樣的字，問的卻是不同的問題。本領域指的是前者。