固体物理 第二章1要点.ppt

绪： 几个重要原理 几个重要概念 内能（Ｕ）：所有原子相互吸引库仑能和重叠排斥能之和 结合能（Ｗ）：分散原子结合成晶体放出的能量 内聚能：将晶体分解为相距无限远、静止的中性自由原子所需的能量 晶格能：将组成晶体的离子分解为相距无限远、静止的中性自由原子所需的能量 固体结合的物理本质 晶体的结合能就是将自由的原子(离子或分子)结合成晶体时所释放的能量。 1.晶体的结合能 E0是晶体的总能量，EN是组成该晶体的N个原子在自由状态时的总能量，Eb即为晶体的结合能。 2.原子间相互作用势能 其中第一项表示吸引能，第二项表示排斥能。 A、B、m、n0 晶体结合能的普遍规律 吸引力----库仑引力； 排斥力 库仑斥力 泡利不相容原理 3.N个原子组成的晶体相互作用势能 其中ui、u(rij)为第i个原子与其他所有原子间的相互作用势能及第i个原子与第j个原子间的相互作用势能。 4.由相互作用势能可以求的几个参量 设由N个原子组成的晶体的体积为 r0 a (晶格常量) (1) (2) (3) 五种基本结合类型 离子晶体一定是复式晶格。 (2)结合力： 离子键。 (3)配位数； 最大为8 。 (1)结构： 负电性相差较大的原子+库仑作用力。 (4)互作用势能： 1.离子晶体 (5)体积弹性模量 马德隆常数 (6)结合能 2.非极性分子晶体 (3)配位数： (2)结合力： 通常取密堆积,配位数为12。 范德瓦尔斯-伦敦力。 具有饱和电结构的原子或分子+ 范德瓦尔斯-伦敦力。 (1)结构： (4)互作用势能： 式中 是仅与晶体结构有关的常数。 3.原子晶体、金属晶体和氢键晶体 结构：第Ⅳ族、第Ⅴ族、第Ⅵ族、第Ⅶ族元素都可以形成原子晶体。 结合力： 共价键 饱和性 方向性 (1)原子晶体 结构：第Ⅰ族、第Ⅱ族及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。 多采取配位数为12的密堆积，少数金属为体心立方结构，配位数为8。 (2)金属晶体 结合力：金属键。 结构：氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小的原子(O、F、N等)结合，构成氢键。 A B H 氢键具有饱和性。 共价键 (3)氢键晶体 中性原子失去1个电子成为+1价离子时所需要的能量为第一电离能，从+1价离子再移去一个电子所需能量为第二电离能。 元素和化合物结合的规律 1.电离能： 中性原子获得电子成为-1价离子时所放出的能量。 负电性=0.18(电离能+亲和能) 2.电子亲和能 3.负电性： 原子的负电性的大小表示原子得失电子能力的强弱。 IA 、IIA、 IIIB负电性低的元素对电子束缚较弱，价电子易于摆脱原子束缚成为共有化电子，因此在形成晶体时便采取典型的金属结合。 IVB、 VB具有较强的负电性，它们束缚电子的能力较强，适于形成共价结合。 周期表左端的元素负电性弱，易于失去电子；而右端的元素负电性强，易于获得电子，因此它们形成离子晶体。 7.77 8.09 8.69 8.85 9.13 9.00 n -1.43 -1.35 -1.28 -1.22 -1.23 -1.18 库仑能 -1.25 -1.18 -1.13 -1.08 -1.10 -1.05 u理论 -1.27 -1.21 -1.15 -1.10 -1.11 -1.06 u实验（10-18焦耳/每对离子） 2.82 2.99 3.15 3.30 3.29 3.43 r(?) 2.40 1.99 1.75 1.48 1.56 1.30 K(1010Pa) NaCl NaBr KCl KBr RbCl RbBr 典型离子晶体的结合能、 晶格常数和体变模量 结合能的理论值和实验值相符很好！— 库仑能 ∴离子晶体由正负离子为单元，靠库仑作用而结合！ 切合实际 2.平衡时体积弹性模量K与n的关系及晶体的结合能 设离子最近邻距离为R，由N个离子组成的晶体的体积： 体积弹性模量为： 推导略 平衡时: 推导略 共价键和共价晶体 二、共价键和共价晶体（极性晶体） 1· 举例：金刚石，锗，硅晶体，H2, NH3 2· 特点： ①共价键：形成晶体的两原子相互接近时，各提 供一个电子，它们具有相反的自旋。 这样一对为两原子所共有的自旋相反配 对的电子结构 → 共价键 ②本质：由量子力学中的交换现象而产生的交换能 以氢分子为例作定性说明： 两个氢原子各有一个1s态的电子 → 自旋可取两个可能方向之一！ ※ 如果两电子自旋方向相同：泡利不相容原理使两个 原于互相排斥 →不能形成分子 当两个氢原子接近时 H2分子中电子云的等密度线图