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相互作用弱相互作用只存在基本粒子當中對宏觀物體可以忽略庫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電子離子實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侖吸引作用（長程力）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侖吸引作用（長程力）固體難以壓 中性原子失去

2、1個電子成為+1價離子時所需要的能量為第一電離能，從+1價離子再移去一個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，原子對價電子的束縛能力越強。2.1.1.電離能5.14eV -電離能 中性原子失去1個電子成為+1價離子時所需要的能量為第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. 電負性-描述得失電子的能力電負性=0.18(電離能+親和能)密里根定義：泡林值：相對電負性Li：1.0指定F電負性: 4.0, 根據(jù)

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

4、體時便采取典型的金屬結(jié)合。 IVB、 VB具有較強的負電性，它們束縛電子的能力較強，適于形成共價結(jié)合。 周期表左端的元素負電性弱，易于失去電子；而右端的元素負電性強，易于獲得電子，因此它們形成離子晶體。 IA 、IIA、 IIIB負電性低的元素對電子束縛較晶體結(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共價晶體共價鍵結(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價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 結(jié)合單元: 正、負離子. 結(jié)構(gòu)的要求: 正、負離子相間排列，即一種離子的最近鄰離子為異號離子；每個離子具有球?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 結(jié)合單元: 正、負離子. 以NaCl 為例，在凝聚成固體時，Na原子失去價電子，Cl 獲得了電子，形成離子鍵。以離子為結(jié)合單元，正負離子的電子分布高度局域在

6、離子實的附近，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，Na原子失去價電子，Cl 離子晶體的結(jié)合力：正、負離子之間靠庫侖吸引力作用而相互靠近，當靠近到兩個離子的電子云發(fā)生顯著重疊時，由于泡利不相容原理，會產(chǎn)生強大的排斥力。當排斥力和吸引力相互平衡時，形成穩(wěn)定的離子晶體。離子晶體的結(jié)合力：正、負離子之間靠庫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數(shù)和氯離子的個數(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數(shù)和氯離子的個數(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 不容易離開格點位置;但在高溫下離子可以離開正常的格點位置并參與導(dǎo)電!熔點較高硬度較大導(dǎo)電性弱結(jié)合力強在1大氣壓下TNaCl =800.42.2.3離子晶體特點：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)離子晶體對可見光是透明的；在遠紅外區(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：基本特點：Na+Na+Na+Na+Na+金屬性結(jié)合示意圖價電子不再束縛在原子上，而在整個晶體中運動，原子實(正離子實)浸泡在價電子組成的“電子云”中。電子的“共有化 ”它們的最外層電子一般為1-2 個.2.3金屬晶體191 舉例：、和過渡族元素2 特點：基本特點：N20離子實和電子云之間的庫侖相互作用 結(jié)合力本質(zhì)：使整個金屬結(jié)合在一起！晶體平衡：依靠庫侖作

9、用力和一定的排斥力而維持!排斥作用兩個來源 V,共有化電子密度 動能 原子實相互接近到一定的距離時，電子云顯著重疊 強烈排斥作用.20離子實和電子云之間的庫侖相互作用 結(jié)合力本質(zhì)：使整個金21結(jié)構(gòu)要求:對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)受相當大的范性變形） 金屬性結(jié)

10、合對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晶體內(nèi)自由運動22很大的范性（可經(jīng)受相當大的范性變形）金屬材料易于機械加23特點：共價鍵：形成晶體的兩原子相互接近時，各提 供一個電子，它們具有相反的自旋。 這樣一對為兩原子所共有的自旋相反配 對的電子結(jié)構(gòu) 共價鍵以原子為基本結(jié)構(gòu)單元2.4共價晶體23特點：共價鍵：形成晶體的兩原子相互接近時，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：兩個氫原子各有一個1s態(tài)的電子

11、 自旋可取兩個可能方向之一！當兩個氫原子接近時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 當兩個電子自旋方向相反： 電子在兩核之間的區(qū)域有較大的電子云密度， 它們與兩個核同時有較強的吸引作用兩個電子為兩個核所共有，在兩個原子周圍都形成穩(wěn)定的滿殼層結(jié)構(gòu) 共價鍵！把兩個核結(jié)合在一起形成一個氫分子H2分子中電子云的等密度線圖25 當兩個電子自旋方向相反：兩個電子為兩個核所共有，在兩26飽和性 和 方向性飽和性：一個原子只能形成一定數(shù)目的共價鍵。 一個電子與另一個電子配對以后就不能 再與第三個電子成對； 同一原子中自旋相反的兩個電子也不能 與其他原子的電

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

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(原子正負電荷重心重合)b)價電子已用于形成共價鍵的具有穩(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