固体物理(第4课)化学键[精选].ppt

第2章　晶体的结合 元素周期律： 晶体结合能(binding energy) 自由原子结合成晶体释放能量 钨(最大) 惰性晶体(最小) 原子有核模型：经典理论--电子作类圆周运动，有加速度，导致电磁辐射，状态不稳定(演示) 普朗克：光子量子化观点 玻尔：有核模型量子化解释，气体光谱一定，电子在原子核外处于一系列无辐射的定态轨道上，一个定态跃迁到另一个定态时，就发出或吸收电子辐射，其能量为轨道能级差。解释了氢原子的单电子轨道和能级。(演示2-8) 1911年，著名英国物理学家卢瑟福提出了关于原子结构的行星式模型。但是，行星式原子模型存在两大困难： 单电子的波函数： 其中aB 玻尔半径，也是微观世界的基本尺度，e为电子电荷，c为光速， m是电子静止质量，为9.1?10-31kg， h为普朗克常数，为6.63 ?10-34焦尔秒。 后来，玻恩提出了统计解释，电子以一定的几率在原子核周围的空间中分布，几率分布密度： 氢原子结合能计算 如果忽略电子之间的相互作用，根据泡利不相容原理和洪特规则，电子依次排入轨道，形成1s，2s，2p，3s，3p，3d……电子壳层和亚壳层分别用量子数n和l表示。对于多电子原子来说，电子除受到核的库仑力吸引外，相互之间还有排斥作用。要解出多电子的波函数，必须用原子的自洽场计算方法。 在原子结合成固体的过程中，原子内部满壳层的电子基本保持稳定，只是价电子在实空间的几率分布会随着晶体中的原子之间的相互作用重新分布，也就是在原子间形成了化学键（chemical bond）。(转至化学键) 泡利不相容原理： 描述电子的运动状态：(n l ml ms） n：主量子数，n=1，2，3，? l：角量子数，l＝0，1，2， ? n-1 ml：磁量子数，ml＝0，?1，?2， ??l ms：自旋磁量子数，?1/2 原子核外不存在运动状态完全相同的两个电子 泡利不相容原理 1925年1月，物理学家泡利提出了不相容原理：即一切由自旋等于半整数的粒子——费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。 这一原理解释了原子的 电子壳层结构和元素周 期律，推动了电子自旋 概念的确立。 1.3 多电子原子结构 2.1 结合能 离子晶体内能和体积关系 (1)晶体的内能函数 (2)晶格常数（示意图） (3) 体弹性模量 (4) 抗张强度 1.晶体的分类 2.2 离子键和离子晶体 2.2.1 离子对的形成与离子晶体的结构 饱和的电子壳层具有最稳定的原子核外电子结构． 　由两种不同元素组成的晶体中，负电性小的原子A上的价电子将向负电性大的原子B转移，晶体的结合力是正A+和负B-离子间的库仑力。形成稳定晶体时还必须有某种近距的排斥作用与静电吸引作用相平衡。这种近距的排斥作用归因于泡利原理引起的斥力。 形成离子晶体的原则 每个离子的最邻近都应是异号离子； 在满足上面条件的前提下，配位数越大越好，典型的结构有三种：氯化铯型，氯化钠型，闪锌矿型。 晶体组成与阴阳离子半径相对大小决定： 闪锌矿型： 0.225rC/rA0.414 氯化钠型： 0.414rC/rA0.732 氯化铯型： 0.732rC/rA 氯化钠 南 晶体的结合能 这样组成的化合物一般称为离子化合物。离子化合物的稳定性导致它具有导电性差、熔点高、硬度高和膨胀系数小的特点。熔融后能导电，溶解在液体中也能导电。离子具有球对称的电子云分布，因此离子键没有方向性和饱和性。大多数离子晶体透可见光。 离子晶体的例子 玻恩 马德隆 (1) 内能函数 由于库仑力的长程性，上式中a的收敛是很慢的，马德隆发展了专门的数学方法进行计算. 几种晶体的a值 氯化钠型结构 a=1.748 氯化铯型结构 a=1.763 闪锌矿型结构 a=1.638 纤锌矿型结构 a=1.641 b. 泡利排斥能 晶格常数 (3) 体弹性模量 (4) 结合能 例2 计算一维双原子链的马德隆常数a，设晶格常数为R，原子总数为N。 解： 2.3 共价键和共价晶体 2.3.1 共价键的饱和性与方向性 共价键：对于由一种原子组成的元素半导体，原子间没有负电性差，它们是通过一对自旋相反配对的价电子结合在一起。亦即它们的电子云在原子间相互重叠而具有较高的密度，带正电的原子实与集中在原子间的带负电的电子云相互吸引结合成晶体。 金钢石 2.3.2 共价晶体的结构 C原子有4 个价电子，与周围4个原子构成共价键结构， 由体心指向正四面体的四个顶点，形成sp3