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《量子力学基础与固体物理学》ppt课件16.pptVIP

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* 两种分子轨道之间的能量差别: * Hab 0表示负电子云与正原子核之间的库仑作用,这使得成键态的能量相对应原子的能级降低了,与此同时反键态的能量升高了。 在成键态上可以填充两个自旋相反的电子,使体系的能量下降,意味着有相互吸引的作用。如图 * 共价键结合具有两个基本特征:饱和性和方向性 饱和性 —— 以共价键形式结合的原子所能形成的键的数目有一个最大值,每个键含有2个电子,分别来自两个原子。 共价键是由未配对的电子形成,价电子壳层如果不到半满,所有的电子都可以是不配对的,因此成键的数目就是价电子数目; 当价电子壳层超过半满时,根据泡利原理,部分电子必须自旋相反配对,因此能形成的共价键数目小于价电子数目; 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。 * 所谓8-N原则:N指价电子数目。 这是由于它们的价电子壳层是由1个ns电子轨道和三个np轨道组成的,考虑到自旋,共包含8个量子态,价电子壳层为半满或超过半满时,未配对的电子数实际上决定于未填充的量子态,因此等于8-N。 方向性 —— 原子只在特定的方向上形成共价键,各个共价键之间有确定的相对取向。 根据共价键的量子理论,共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子轨道相互交叠的程度,即一个原子在价电子波函数最大的方向上形成共价键。 * 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。 C原子中:6个电子,1s2,2s2和2p2。在这种情况下只有2个电子是未配对的。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。 在金刚石中共价键的基态是以2s和2p波函数组成的新的电子状态组成的: * 杂化轨道的特点使它们的电子云分别集中在四面体的4个顶角方向上,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:109°28 如图所示。 * 第三节 金属性结合 金属性结合的基本特点是电子的“共有化”! 在结合成晶体时,原来属于各原子的价电子不再束缚在原子上,而转变为在整个晶体内运动,它们的波函数遍及于整个晶体。 金属的结合作用在很大程度上是由于金属中价电子的动能与自由原子相比有所降低的缘故。 在晶体内部,一方面是由共有化电子形成的负电子云,另一方面是浸在这个负电子云中的带正电的各离子实。 情况如下图所示: * 这种情况下,电子云和原子实之间存在库仑作用,体积越小电子云密度越高,库仑相互作用的能愈低,表现为原子聚合起来的作用。 晶体的平衡是依靠库仑作用力和一定的排斥力而维持的。 排斥来自两个方面 1)当体积减小,共有化电子云的密度增大,在导致与原子实的库仑作用增大的同时,密度增加导致了电子动能的增加,造成一定的排斥力。 2)当原子实相互接近到一定的距离时,它们的电子云发生显著的重叠,将产生强烈的排斥作用。 * 金属晶体结合力主要是原子实和电子云之间的静电库仑力,对晶体结构没有特殊的要求,只要求排列最紧密,这样势能最低,结合最稳定。 因此大多数金属具有面心立方结构或六角密排结构,配位数均为12。 体系立方也是一种比较常见的金属结构,也具有较高的配位数8。 金属的主要特性:良好的导电性、导热性、金属光泽都与共有化电子在整个晶体内自由运动相联系。 * 金属一个很大的特点是一般都具有很大的范性,可以经受相当大的范性变形,这是金属广泛用做机械材料的基础! 金属具有范性的最重要原因正是由于金属性结合对原子排列没有特殊要求,通俗地讲,就是只要满足尽量密排的原则,原子球随便堆砌都可以! 所以具有面心结构密排的金属Cu、Ag、Au、Al和具有六角密排的Be、Mg、Zn等都具有非常好的范性变形能力。 第三节 金属性结合 * 第四节 范德瓦耳斯结合 元素周期表中第VIII族(惰性)元素在低温下所结合成的晶体,是典型的非极性分子晶体。为明确起见,我们只介绍这种分子晶体。 惰性元素最外层的电子为8个,具有球对称的稳定封闭结构。但在某一瞬时由于正、负电中心不重合而使原子呈现出瞬时偶极矩,这就会使其它原子产生感应极矩。 非极性分子晶体就是依靠这瞬时偶极矩的互作用而结合的,这种结合力是很微弱的。 * 短波极限q → π/ a情况 两个相邻原子的振动位相相反。 * 第一节 一维单原子链 在量子力学中简谐振动能量本征值 至此,可以看到,由N个原子组成的一维单原子链,其振动模为N个格波,在简谐近似下格波是相互独立的,按照量子理论每种振动的能级是量子化的,能量激发的单元是 声子:是指格波的量子,它的能量等于 * 第一节 一维单原子链 一个格波,也就是一种振动模式,称为一种声子;这种振动模处于本征

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