李椿《热学》（第二版）电子教案-第7章 固体.pptVIP

§7.1 晶体 一、晶体的宏观性质 一、晶体的宏观性质 一、晶体的宏观性质 二、晶体的微观结构 热振动时，粒子间的平均距离发生变化，温度越高，距离越大，宏观上就是热膨胀现象。当温度改变不大时，固体单位长度的改变量 ，近似地和温度改变量 成正比，即 为线胀系数。 在单晶体中,由于各向异性,不同方向上的线胀系数是不同的。 固体的膨胀是十分微小的．但由于使固体发生很小形变时需要很大的应力，所以热膨胀虽不很大却可以引起很大的应力。 由相互作用能曲线说明热膨胀的原因。 根据相互作用能曲线的不对称性，可以说明晶体受热后要膨胀的原因。由相互作用能函数还可以定量地计算出热膨胀系数果和实验符合一致。 在一定温度T下，由于粒子在平衡位置附近振动。因而具有动能 ，总能量为 与相互作用能 之和，在整个运动过程中是守恒的。 粒子间最接近的距离是 ，最远的距离是 ，由于距离减小所引起的斥力增长比由于距离增大所引起的引力快得多，因而粒子间接近的距离 比粒子间远离的距离 来得小。 因此平均距离 增大了，随着温度的升高， 增大，平均距离也随之增大。 曲线 表示点阵常量 随 而变的情形。 2. 热缺陷的产生和运动 热振动粒子获得较大的能量，脱离周围粒子的作用，离开平衡位置形成缺陷。这种由于晶体内部质点热运动而形成的缺陷称为热缺陷。 热缺陷包括填隙原子和空位两种。 填隙粒子形成的机制：表面上的两个粒子a、b通过填隙的方式移动到内部位置。 空位形成的机制：开始时，表面上有一粒子a移到表面上另一正规位置，使在表面上产生一个空位，因而附近粒子就可以跑到这空位上去而使空位往里移动。 数字1，2，3，4，5，表示粒子跳动的先后次序。 数字 1’,2’,3’,4’5’表示另一空位形成时柱子跳动的先后次序. 由于热缺陷的存在，及其在晶体中能够运动，可以使晶体中的粒子由一个地方移到另一个地方。固体中扩散的机制就是如此。 在有电场时离子晶体之所以能够导电，也是由于热缺陷的存在和运动，使离子晶体中的离子能够在电场作用下移动的缘故。 根据统计理论，在一定的温度T下，热缺陷的数目为 n’表示空位数，N 表示点阵中结点的总数目，u’ 表示将粒子由结点移到表面所需要的能量。n’’表示填隙粒子数，u’’表示将粒子由表面移到间隙中去所需的能量。 上述结果也可以这样理解：在某一温度下，热缺陷数目满足玻耳兹曼分布定律，即结点上的粒子能脱离原位的概率， 热缺陷在晶体中的运动规律 要使空位附近的粒子跳到空位上去也需要有一定的能量 ， 称为空位移动的激活能。 粒子具有足够的能量跳到邻近空位上去的概率为 。 设靠近空位的粒子的振动周期为 ，则粒子每秒振动次数 为 。 在这些振动次数中，有 多次具有足够的能量能跳到空位 上去。因此，空位移动一次平均所需的时间，即邻近空位的粒子跳到空位上去平均所需的时间为 同理，填隙粒子移动一次平均所需时间 为填隙例子振动周期， 填隙粒子移动的激活能。 固体中的扩散在制造金属材料或半导体材料中起着十分重要的作用。例如，钢的表面渗碳，就是将碳扩散入钢中，使表面的含碳量增大，以增加钢的表面硬度。 半导体中化学成分微小的变化，也会对半导体的电学、光学及光电性质有显著的影响。因比在半导体中常常用扩散的方法渗入一定量所需要的杂质，以达到控制半导体性质的目的。 固体中的扩散分为两大类：一类是自扩散，即同种粒子在点阵中的扩散，如铜原子在铜晶体中的扩敬。另一类是异扩散，例如碳在铁晶体中的扩散。 * 第七章 固体 物质的五种物态 构成物质的分子的聚合状态称为物质的聚集态，简称物态。 气态、液态、固态是常见的物态。 液态和固态统称为凝聚态。 物质处于气态。 当分子平均动能大于势能时，即： 当分子平均动能小于势能时，即： 物质处于固态。 当两者势均力敌时，即： 物质处于液态。 质子或中子的线度为10-15 m数量级，其质量为1.67×10-27 kg，故其密度为1017 kg·m-3 ，每1 cm3的体积中有1011 kg，即1亿吨的质量。 地球上的物质密度大约为104 kg/m3数量级。 自然界中还存在另外两种物态：等离子态与超密态。 中子星密度~1017 kg/m3。白矮星密度~107 kg/m3。 人们把它们称为超密态物质。也有人们把它们称为物质的第五态—超密态。 固体材料的应用 原子能技术 宇航技术