固體物理21固體的結(jié)合課件

1、第二章 固體的結(jié)合第二章 固體的結(jié)合電磁力四種基本相互作用萬有引力強(qiáng)相互作用弱相互作用只存在基本粒子當(dāng)中對(duì)宏觀物體可以忽略庫(kù)倫相互作用晶體的結(jié)合力原子原子核核外電子芯電子價(jià)電子離子實(shí)2.1固體的結(jié)合力電磁力四種基本相互作用萬有引力強(qiáng)相互作用弱相互作用只存在基本固體難以拉伸原子間存在吸引力庫(kù)侖吸引作用（長(zhǎng)程力）固體難以壓縮原子間存在排斥力 泡利原理（短程力）晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 原子間相互作用的勢(shì)能取最小值現(xiàn) 象 原 理原子或離子間的相互作用 或 結(jié)合的性質(zhì)與固體材料的結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系，是研究固體材料性質(zhì)的重要基礎(chǔ)！固體難以拉伸原子間存在吸引力庫(kù)侖吸引作用（長(zhǎng)程力）固體難以壓 中性原子失去

2、1個(gè)電子成為+1價(jià)離子時(shí)所需要的能量為第一電離能，從+1價(jià)離子再移去一個(gè)電子所需的能量為第二電離能。電離能代表原子失去電子的能力。電離能越大，原子對(duì)價(jià)電子的束縛能力越強(qiáng)。2.1.1.電離能5.14eV -電離能 中性原子失去1個(gè)電子成為+1價(jià)離子時(shí)所需要的能量為第2.1.2.電子親和能2.1.2.電子親和能3.61 eV-電子親合能。電子親和能代表原子得到電子的能力。2.1.3.結(jié)合能晶體結(jié)合能3.61 eV-電子親合能。電子親和能代表原子得到電子的2.1.4. 電負(fù)性-描述得失電子的能力電負(fù)性=0.18(電離能+親和能)密里根定義：泡林值：相對(duì)電負(fù)性Li：1.0指定F電負(fù)性: 4.0, 根據(jù)

3、熱化學(xué)數(shù)據(jù)和分子的鍵能2.1.4. 電負(fù)性-描述得失電子的能力電負(fù)性=0.18IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBLi1.0Na0.9K0.8Be1.5Mg1.2Ca1.0B2.0Al1.5Ga1.5C2.5Si1.8Ge1.8N3.0P2.1As2.0O3.5S2.5Se2.4F4.0Cl3.0Br2.8電負(fù)性周期表由上到下，電負(fù)性逐漸弱；周期表越往下，一個(gè)周期內(nèi)電負(fù)性的差別也越小。對(duì)比下表各個(gè)周期,可看出以下兩個(gè)特性：IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBLiBeBCNOF IA 、IIA、 IIIB負(fù)電性低的元素對(duì)電子束縛較弱，價(jià)電子易于擺脫原子束縛成為共有化電子，因此在形成晶

4、體時(shí)便采取典型的金屬結(jié)合。 IVB、 VB具有較強(qiáng)的負(fù)電性，它們束縛電子的能力較強(qiáng)，適于形成共價(jià)結(jié)合。 周期表左端的元素負(fù)電性弱，易于失去電子；而右端的元素負(fù)電性強(qiáng)，易于獲得電子，因此它們形成離子晶體。 IA 、IIA、 IIIB負(fù)電性低的元素對(duì)電子束縛較晶體結(jié)合的類型根據(jù)相互作用的類型分類：按合力不同1離子晶體離子鍵結(jié)合2共價(jià)晶體共價(jià)鍵結(jié)合3金屬晶體金屬鍵結(jié)合4分子晶體分子鍵（范德瓦爾斯鍵）結(jié)合5氫鍵晶體氫鍵結(jié)合五種基本類型晶體結(jié)合的類型根據(jù)相互作用的類型分類：按合力不同1離子晶體2.2.1離子性結(jié)合的特點(diǎn)離子晶體舉例典型的離子晶體結(jié)構(gòu)：NaCl結(jié)構(gòu)和CsCl 結(jié)構(gòu) 堿金屬元素Li, Na,

5、 K, Rb, Cs 鹵族元素 F, Cl, Br, I形成的化合物兩種元素對(duì)價(jià)電子的束縛程度不同。2.2離子晶體2.2.1離子性結(jié)合的特點(diǎn)離子晶體舉例典型的離子晶體結(jié)構(gòu)：N2.2.2 離子性結(jié)合的特點(diǎn) 結(jié)合單元: 正、負(fù)離子. 結(jié)構(gòu)的要求: 正、負(fù)離子相間排列，即一種離子的最近鄰離子為異號(hào)離子；每個(gè)離子具有球?qū)ΨQ滿電子殼層結(jié)構(gòu). 結(jié)合力的本質(zhì)：正、負(fù)離子的靜電相互作用力. 特性：離子晶體結(jié)合牢固，無自由電子.2.2.2 離子性結(jié)合的特點(diǎn) 結(jié)合單元: 正、負(fù)離子. 以NaCl 為例，在凝聚成固體時(shí)，Na原子失去價(jià)電子，Cl 獲得了電子，形成離子鍵。以離子為結(jié)合單元，正負(fù)離子的電子分布高度局域在

6、離子實(shí)的附近，形成穩(wěn)定的球?qū)ΨQ性的滿電子殼層結(jié)構(gòu)。以NaCl 為例，在凝聚成固體時(shí)，Na原子失去價(jià)電子，Cl 離子晶體的結(jié)合力：正、負(fù)離子之間靠庫(kù)侖吸引力作用而相互靠近，當(dāng)靠近到兩個(gè)離子的電子云發(fā)生顯著重疊時(shí)，由于泡利不相容原理，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的排斥力。當(dāng)排斥力和吸引力相互平衡時(shí)，形成穩(wěn)定的離子晶體。離子晶體的結(jié)合力：正、負(fù)離子之間靠庫(kù)侖吸引力作用而相互靠近，黃球 :鈉離子(Na+) 綠球 :氯離子(Cl-)在氯化鈉晶體中，鈉離子與氯離子通過離子鍵相結(jié)合NaCl只是代表氯化鈉晶體中鈉離子的個(gè)數(shù)和氯離子的個(gè)數(shù)為1:1黃球 :鈉離子(Na+) NaCl只是代表氯化鈉晶體中鈉離子紅球表示銫離子(Cs+)

7、 黃球表示氯離子(Cl-)銫離子與氯離子通過離子鍵相結(jié)合。CsCl只是代表氯化鈉晶體中銫離子的個(gè)數(shù)和氯離子的個(gè)數(shù)為1:1 紅球表示銫離子(Cs+) 銫離子與氯離子通過離子鍵相結(jié)合。C宏觀上表現(xiàn)出: 電子不容易脫離離子，離子也 不容易離開格點(diǎn)位置;但在高溫下離子可以離開正常的格點(diǎn)位置并參與導(dǎo)電!熔點(diǎn)較高硬度較大導(dǎo)電性弱結(jié)合力強(qiáng)在1大氣壓下TNaCl =800.42.2.3離子晶體特點(diǎn)：宏觀上表現(xiàn)出: 電子不容易脫離離子，離子也 但在高溫下離子氯化鈉型(NaCl、KCl、AgBr、PbS、MgO)(配位數(shù)6)氯化銫型(CsCl、TlBr、TlI)（配位數(shù)8）離子結(jié)合成分較大的半導(dǎo)體材料ZnS 等（

8、配位數(shù)4）C.N(coordination number)離子晶體的配位數(shù)最多只能是8大多數(shù)離子晶體對(duì)可見光是透明的；在遠(yuǎn)紅外區(qū)有一特征吸收峰.氯化鈉型(NaCl、KCl、AgBr、PbS、MgO)(配位191 舉例：、和過渡族元素2 特點(diǎn)：基本特點(diǎn)：Na+Na+Na+Na+Na+金屬性結(jié)合示意圖價(jià)電子不再束縛在原子上，而在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，原子實(shí)(正離子實(shí))浸泡在價(jià)電子組成的“電子云”中。電子的“共有化 ”它們的最外層電子一般為1-2 個(gè).2.3金屬晶體191 舉例：、和過渡族元素2 特點(diǎn)：基本特點(diǎn)：N20離子實(shí)和電子云之間的庫(kù)侖相互作用 結(jié)合力本質(zhì)：使整個(gè)金屬結(jié)合在一起！晶體平衡：依靠庫(kù)侖作

9、用力和一定的排斥力而維持!排斥作用兩個(gè)來源 V,共有化電子密度 動(dòng)能 原子實(shí)相互接近到一定的距離時(shí)，電子云顯著重疊 強(qiáng)烈排斥作用.20離子實(shí)和電子云之間的庫(kù)侖相互作用 結(jié)合力本質(zhì)：使整個(gè)金21結(jié)構(gòu)要求:對(duì)晶格中原子排列的具體形式無特殊要求 - 體積效應(yīng)(只要求排列最緊密)；排列的愈緊密，Coulomb能愈低,結(jié)合愈穩(wěn)定 取最緊密排列結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)立方密積（Cu、Ag、Au、Al）六角密積結(jié)構(gòu)(Be、Mg、Zn、Cd)體心立方結(jié)構(gòu)(Li、Na、K、Rb、Cs、Mo、W)CN=12CN=821結(jié)構(gòu)要求:對(duì)晶格中原子排列的具體形式無特殊要求 - 體22很大的范性（可經(jīng)受相當(dāng)大的范性變形） 金屬性結(jié)

10、合對(duì)原子的排列沒有特殊的要求，這使得容易造成晶體內(nèi)部原子排列的不規(guī)則性，使其具有很大的范性。金屬材料易于機(jī)械加工！性能：高的導(dǎo)電性導(dǎo)熱性金屬光澤共有化電子可以在整個(gè)晶體內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)22很大的范性（可經(jīng)受相當(dāng)大的范性變形）金屬材料易于機(jī)械加23特點(diǎn)：共價(jià)鍵：形成晶體的兩原子相互接近時(shí)，各提 供一個(gè)電子，它們具有相反的自旋。 這樣一對(duì)為兩原子所共有的自旋相反配 對(duì)的電子結(jié)構(gòu) 共價(jià)鍵以原子為基本結(jié)構(gòu)單元2.4共價(jià)晶體23特點(diǎn)：共價(jià)鍵：形成晶體的兩原子相互接近時(shí)，各提以原子24 如果兩電子自旋方向相同：泡利不相容原理使 兩個(gè)原于互相排斥 不能形成分子以氫分子為例作定性說明：兩個(gè)氫原子各有一個(gè)1s態(tài)的電子

11、 自旋可取兩個(gè)可能方向之一！當(dāng)兩個(gè)氫原子接近時(shí)H2分子中電子云的等密度線圖24 如果兩電子自旋方向相同：泡利不相容原理使以氫分子為例25 當(dāng)兩個(gè)電子自旋方向相反： 電子在兩核之間的區(qū)域有較大的電子云密度， 它們與兩個(gè)核同時(shí)有較強(qiáng)的吸引作用兩個(gè)電子為兩個(gè)核所共有，在兩個(gè)原子周圍都形成穩(wěn)定的滿殼層結(jié)構(gòu) 共價(jià)鍵！把兩個(gè)核結(jié)合在一起形成一個(gè)氫分子H2分子中電子云的等密度線圖25 當(dāng)兩個(gè)電子自旋方向相反：兩個(gè)電子為兩個(gè)核所共有，在兩26飽和性 和 方向性飽和性：一個(gè)原子只能形成一定數(shù)目的共價(jià)鍵。 一個(gè)電子與另一個(gè)電子配對(duì)以后就不能 再與第三個(gè)電子成對(duì)； 同一原子中自旋相反的兩個(gè)電子也不能 與其他原子的電

12、子配對(duì)形成共價(jià)鍵.注意： 當(dāng)原子的電子殼層不到半滿時(shí) 所有電子 自旋都是未配對(duì)的成鍵數(shù)目 = 價(jià)電子數(shù)26飽和性 和 方向性飽和性：一個(gè)原子只能形成一定數(shù)目的共27方向性：只在某特定方向上形成共價(jià)鍵。 即只在電子云交疊最大的特定方向上形成共價(jià)鍵. 當(dāng)原子的電子數(shù)為半滿或超過半滿時(shí) 泡利 原理 部分電子必須自旋相反配對(duì)成鍵數(shù)目 = 8 - N27方向性：只在某特定方向上形成共價(jià)鍵。 當(dāng)原子的電子數(shù)為28性能：具有很高的熔點(diǎn)和很高的硬度 例：金剛石是目前所知道的最硬的晶體共價(jià)鍵飽和性和方向性弱導(dǎo)電性：價(jià)電子定域在共價(jià)鍵上,一般屬于絕緣體或半導(dǎo)體共價(jià)結(jié)合的鍵合能相當(dāng)強(qiáng)28性能：具有很高的熔點(diǎn)和很高的

13、硬度 例：金剛石是目前所291.分子晶體：由具有封閉滿電子殼層結(jié)構(gòu)的原子或分子組成的晶體稱為分子晶體。2.5 分子晶體-范德瓦爾斯力2 舉例：a)滿殼層結(jié)構(gòu)的惰性氣體He, Ne, Ar, Kr, Xe 非極性(原子正負(fù)電荷重心重合)b)價(jià)電子已用于形成共價(jià)鍵的具有穩(wěn)定電子結(jié) 構(gòu)的分子 NH3, SO2 在低溫下形成晶體有極性(正負(fù)電荷重心不重合)291.分子晶體：由具有封閉滿電子殼層結(jié)構(gòu)的原子或分子組成的30范德瓦爾斯力是分子間的偶極矩作用，是分子間作用力的 一種。范德瓦爾斯（Van der Waals）力通過范德瓦爾斯力作用結(jié)合而成具體有：非極性分子：瞬時(shí)偶極矩之間的作用力；極性分子：固有電偶極矩間的靜電力；極性分子的電偶極矩與其在非極性分子上誘導(dǎo)產(chǎn)生的偶極矩之間的作用力。30范