固体物理学课件第二章.pptVIP

1 （6）共价键的特点是电子不停地在两个相邻的原子之间运动，为两个原子所“共有” 。共价键有两个特点：一个是饱和性；一个是方向性。 饱和性：自旋相反的一对电子配对后，不再与第三个电子配对。 方向性：未配对电子云分布的相对取向一定尽可能使电子云重叠最大。键能最大，系统能量最低。 2.3 共价键与原子晶体 1. 共价键的饱和性 （1）价电子壳层的填充不到半满，共价键数目与价电子数目相等。 价电子壳层的填充未满但超过半满时，根据泡利原理，部分电子必须自旋相反配对，因此遵循8-N定则，其中N是价电子数目。共价键数目与未被填充的量子态数目相等。 IV族－VII族的元素依靠共价键结合，共价键数目符合8-N原则 2.3 共价键与原子晶体 电子填充原则： （1）能量最低原理 （2）泡利不相容原理 （3）洪特规则 根据以上原则，电子在原子轨道中填充排布的顺序为1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d…。 C原子中：6个电子， 1s2，2s2，2p2。 2.3 共价键与原子晶体 （2）在这种情况下只有2个未成对的p电子，而在金刚石中每个C原子和4个近邻的C原子形成共价键。 对于金刚石中C原子形成的共价键，要用“轨道杂化”理论进行解释。 2.3 共价键与原子晶体 （3）怎么能获得4个未配对的电子呢？ 2s和2p态能量差别甚小，一个2s电子易于激发到2p态。 基态（1s2，2s2，2p2）：两个未成对的电子； 激发态（1s2，2s1，2p3）：四个未成对的电子。（sp3杂化） 2.3 共价键与原子晶体 2.3 共价键与原子晶体 2.3 共价键与原子晶体 109。28’ （4）杂化轨道的特点使它们的电子云分别集中在四面体的4个顶角上，4个2s和2p电子都成为未配对的，可以在四面体顶角方向上形成4个共价键，两个键之间的夹角为109°28’。 2.3 共价键与原子晶体 （5）由于成键数目增加，成键能力增强，成键时放出能量大於形成杂化轨道所需的激活能，体系总能量下降。 2.3 共价键与原子晶体 2. 共价键的方向性 通常在价电子电荷密度最大的方向形成共价键。 如在p态的价电子云在对称轴方向上具有哑铃般的形状，因此是沿着对称轴的方向。如碳的四个杂化轨道的电子云最大的方向指向正四面体的4个角。 2.3 共价键与原子晶体 2.3.2 原子（共价）晶体的特点 共价键的方向性和饱和性饱和性决定了原子晶体的是低配位数的 （最大4）。 共价键结合是很强的结合，决定其熔点高、硬度大；由於其电子定域在共价键上，决定其电导率低（一般是绝缘体或半导体）。 2.3 共价键与原子晶体 《固体物理学》 微电子与固体电子学院 * (1)离子晶体： 通过正、负离子之间的静电库仑力作用结合。 (2)共价晶体：通过相邻原子间因共用电子对而形成的共价键结合而成的。 (3)金属晶体：组成金属的原子失去最外层价电子被所有原子公有，这样，失去最外层价电子的离子实“沉浸”在由价电子组成的“电子海洋”中，通过离子实与电子之间的静电库仑力结合形成金属晶体。 2.1 晶体结合的普遍特征 (4)分子晶体：通过分子间范德瓦尔斯力结合而成的。 非极性分子晶体是通过分子之间的瞬时偶极矩之间的相互作用结合而成的。极性分子晶体是通过分子中的固有偶极矩之间的相互作用以及感应偶极矩之间的相互作用结合而成的。 （5）氢键晶体：通过氢键结合而成。 2.1 晶体结合的普遍特征 2.1.1 结合力的普遍性质 （1）晶体的结合由于粒子间吸引、排斥力达到平衡，形成稳定的晶体。这种互作用力又称为键力。两个原子间的相互作用势能U(r)和相互作用力f(r)随原子间距的变化规律如图所示 2.1 晶体结合的普遍特征 r r U(r) r0 rm f(r) O O （2）两粒子间的互作用势由吸引势和排斥势构成: 吸引势主要是库仑引力，表示为： (a, m大于0常数) 2.1 晶体结合的普遍特征 r r U(r) r0 rm f(r) O O （3）排斥作用起源于：（a）同性电荷之间的库仑力；（b）由于Pauli不相容原理的限制所引起的排斥作用。 排斥势可表示为： b是晶格参量，n是玻恩指数，都是实验确定的常数 2.1 晶体结合的普遍特征 r r U(r) r0 rm f(r) O O （4）两粒子间的互作用势可写为： 与之对应，两粒子间的互作用力可表示为： 2.1 晶体结合的普遍特征 r r U(r) r0 rm f(r) O O （5）当两个原子相距无限远时,互作用势趋於零。粒子从远处靠近，互作用能降低，在r = r0处达极小值。随着r的进一步降低，排斥作用加强，互作用势上升。 2.1 晶体结合的普遍特征 r r U(r) r0 r