固体物理黄昆ppt课件第二.pptx

第二章第二章 晶体中原子的结合晶体中原子的结合第一节第一节 结合力与结合能的一般性质结合力与结合能的一般性质 第二节第二节 结合力的类型与晶体分类结合力的类型与晶体分类 第三节第三节 离子晶体的结合能离子晶体的结合能 第四节第四节 分子晶体的结合能分子晶体的结合能学习目的学习目的学习目的学习目的：从晶体的从晶体的几何对称性几何对称性观点讨论了观点讨论了固体的分类固体的分类!原子或离子间的相互作用原子或离子间的相互作用 或或 结合的性质结合的性质 与固体与固体材料的结构和物理、化学性质有密切关系，是研材料的结构和物理、化学性质有密切关系，是研究固体材料性质的重要基础！究固体材料性质的重要基础！全部归因于全部归因于电子的负电荷电子的负电荷和和原子核原子核的正电荷的正电荷的的静电吸引静电吸引作用作用！物理本质：物理本质：物理本质：物理本质：晶体的结合决定于其组成粒子间的相互作晶体的结合决定于其组成粒子间的相互作用用 化学键化学键由由结合能结合能及及结合力结合力来反映来反映！规律性：规律性：规律性：规律性：很难直接看到很难直接看到晶体结构晶体结构对其对其性能性能影响的影响的物理本质物理本质物理本质物理本质学习意义学习意义学习意义学习意义：通过晶体的通过晶体的内内能函数能函数U U 算出算出结合能结合能 WW晶格常数晶格常数 r r0 0 体积弹性模量体积弹性模量 K K实验可测实验可测有利于了解组成晶体的粒子间相互作用的本质，有利于了解组成晶体的粒子间相互作用的本质，从而为探索新材料的合成提供理论指导！从而为探索新材料的合成提供理论指导！实际上，一个固体材料有几种结合形式，实际上，一个固体材料有几种结合形式，也可具有两种结合之间的过渡性质，或某也可具有两种结合之间的过渡性质，或某几种结合类型的综合性质几种结合类型的综合性质！强调强调：分类：分类：分类：分类：按按结结合合力力性性质质区区分分1离子晶体离子晶体离子键结合离子键结合2共价晶体共价晶体共价键结合共价键结合3分子晶体分子晶体分子键结合分子键结合4金属晶体金属晶体金属键结合金属键结合5氢键晶体氢键晶体氢键结合氢键结合五种基本类型五种基本类型第一节第一节 结合力与结合能的一般性质结合力与结合能的一般性质一、结合力与结合能的一般性质一、结合力与结合能的一般性质1晶体的结合力：晶体的结合力：固体固体难以拉伸难以拉伸原子间存在吸引力原子间存在吸引力库仑吸引作用库仑吸引作用库仑吸引作用库仑吸引作用（长程力）（长程力）固体固体难以压缩难以压缩原子间存在排斥力原子间存在排斥力 泡利原理泡利原理泡利原理泡利原理库仑库仑库仑库仑斥力斥力斥力斥力 晶体结构稳定晶体结构稳定 原子间相互作用的势能取最小值原子间相互作用的势能取最小值现现现现 象象象象 原原原原 理理理理首先考虑：相邻两个原子间作用首先考虑：相邻两个原子间作用如果如果 f f(r r)表示两原子间的表示两原子间的相互作用力相互作用力 u u(r r)表示两原子间的表示两原子间的相互作用势能相互作用势能两原子间的相互作用势能两原子间的相互作用势能:r0f f(r r)u u(r r)f f(r r)，u u(r r)和和和和 r r 的关系曲线的关系曲线的关系曲线的关系曲线-W-Wr rr r A,B,m,n 皆为皆为0的常数的常数 取决于结合力类型取决于结合力类型 r r:两个原子间的距离两个原子间的距离第一项第一项：表示吸引势能：表示吸引势能第二项第二项：表示排斥势能：表示排斥势能假设条件：假设条件：较大的间距较大的间距上上,排斥力比吸引力弱的多排斥力比吸引力弱的多 保证原子聚集起来；保证原子聚集起来；很小的间距上，排斥力又必须占优势很小的间距上，排斥力又必须占优势 保证固体稳定平衡；保证固体稳定平衡；n m 波恩描述波恩描述（最简单的恒温描述）（最简单的恒温描述）！当两原子间距当两原子间距r r 为某一特殊值为某一特殊值r r0 0 时：时：晶体都处于这种稳定状态晶体都处于这种稳定状态对应势能最小值对应势能最小值对应势能最小值对应势能最小值r r0 0 称为平衡位置称为平衡位置 此时的状态称此时的状态称 为为稳定状态稳定状态！晶体中的晶体中的原子原子都处于平衡位置！都处于平衡位置！r0f(r)u(r)f f(r r)，u u(r r)和和和和 r r 的关系曲线的关系曲线的关系曲线的关系曲线-W-Wr rr r2晶体的晶体的结合能结合能结合能结合能：自由原子（离子或分子）结合：自由原子（离子或分子）结合 成晶体时所放出的能量成晶体时所放出的能量WW 数学定义：数学定义：WW =E EN N E Eo oEo 是绝对零度时晶体的总能量是绝对零度时晶体的总能量EN 是组成晶体的是组成晶体的N个自由原子的总能量个自由原子的总能量固体结固体结构稳定构稳定晶体的能量晶体的能量低于低于低于低于 构成晶体的粒构成晶体的粒子处在自由状态时的能量总和子处在自由状态时的能量总和 W W 把晶体把晶体分离成分离成自由原子所需要的能量自由原子所需要的能量 把原子体系在分散状态的能量算作零；把原子体系在分散状态的能量算作零；不考虑晶体的热效应（不考虑晶体的热效应（0K）;计算：计算：(关键是计算晶体的内能）关键是计算晶体的内能）近似处理近似处理，采用简化模型采用简化模型！平衡条件下：平衡条件下：晶体内能晶体内能U U 只是晶体体积只是晶体体积V V 或原子间距或原子间距r r 的函数的函数通常把晶体的通常把晶体的通常把晶体的通常把晶体的内能内能内能内能 看成是原看成是原看成是原看成是原子对间的子对间的子对间的子对间的相互作用能相互作用能相互作用能相互作用能之和！之和！之和！之和！r0f(r)u(r)f f(r r)，u u(r r)和和和和 r r 的关系曲线的关系曲线的关系曲线的关系曲线-W-Wr rr r设：设：u u(r rij ij)：晶体中两原子间的相互作用能：晶体中两原子间的相互作用能 r rij ij：第：第 i 和第和第 j 个原子间的距离个原子间的距离由由N N个原子所组成的晶体的内能函数表示为：个原子所组成的晶体的内能函数表示为：“1/21/2”因为因为 ，避免重复计算而引入；，避免重复计算而引入；由于由于N N 很大，可以忽略晶体很大，可以忽略晶体表面层原子表面层原子与与晶晶 体内原子体内原子的差别！的差别！注意：注意：u ui i 表示晶体中表示晶体中任一原子任一原子与与其余所有原子其余所有原子的相互作用能之和的相互作用能之和二、晶体的物理特性量二、晶体的物理特性量(通过内能函数确定）通过内能函数确定）根据功能原理：根据功能原理：p=-dU/dVp=-dU/dV表明：外界作功表明：外界作功表明：外界作功表明：外界作功 p.p.(-dV-dV)=)=内能的增加内能的增加内能的增加内能的增加dUdU1晶格常数晶格常数 一般情况下，晶体受到的仅是大一般情况下，晶体受到的仅是大 气压力气压力p p 0 0平衡态时，平衡态时，p p0 0=-dU/dV0=-dU/dV0根据：根据：若已知内能函数若已知内能函数可通过极值条件确定可通过极值条件确定平衡晶体的体积平衡晶体的体积V V 晶格常数晶格常数 r r0 0 2晶体的体积弹性模量晶体的体积弹性模量将将p=-dU/dVp=-dU/dV 代入，对于平衡晶体得：代入，对于平衡晶体得：体变模量一般表示为：体变模量一般表示为：其中：其中：dp dp 应力应力 -dV/V-dV/V 相对体积变化相对体积变化 V V0 0 平衡时晶体的体积平衡时晶体的体积第二节第二节 结合力的类型与晶体分类结合力的类型与晶体分类一一一一 离子键和离子晶体离子键和离子晶体 二二二二 共价键和共价晶体共价键和共价晶体 三三三三 金属键和金属晶体金属键和金属晶体 四四四四 分子键和分子晶体分子键和分子晶体 五五五五 氢键和氢键晶体氢键和氢键晶体 六六六六 混合键混合键 七七七七 结合力的性质和原子结结合力的性质和原子结 构的关系构的关系学习内容学习内容一、离子键和离子晶体一、离子键和离子晶体一、离子键和离子晶体一、离子键和离子晶体1 举例举例 NaClNaCl,CsCl CsCl 等是典型的离子晶体等是典型的离子晶体 碱金属元素碱金属元素Li,Na,K,Rb,Cs 卤族元素卤族元素 F,Cl,Br,I-族元素形成的化合物，如：族元素形成的化合物，如：CdS,ZnSe等等2 特点特点 结合单元结合单元:正、负离子正、负离子 结构的要求结构的要求:正、负离子相间排列，球对称正、负离子相间排列，球对称 满壳层结构满壳层结构 结合力的本质：正、负离子的相互作用力结合力的本质：正、负离子的相互作用力 特性：离子晶体结合牢固，无自由电子特性：离子晶体结合牢固，无自由电子形成的化合物形成的化合物每个钠离子与和它紧邻的每个钠离子与和它紧邻的6个氯离子相连个氯离子相连每个氯离子与和它紧邻的每个氯离子与和它紧邻的6个钠离子相连个钠离子相连黄球黄球:钠离子钠离子(Na+)绿球绿球:氯离子氯离子(Cl-)在氯化钠晶体中，钠离子与氯离子在氯化钠晶体中，钠离子与氯离子通过离子键相结合通过离子键相结合Na+和和Cl-在三维空间交替出现在三维空间交替出现,并延长形成并延长形成NaCl晶体晶体 氯化钠晶体中没有氯化钠分子氯化钠晶体中没有氯化钠分子氯化钠晶体中没有氯化钠分子氯化钠晶体中没有氯化钠分子NaClNaCl只是代表氯化钠晶体中钠离子的个只是代表氯化钠晶体中钠离子的个只是代表氯化钠晶体中钠离子的个只是代表氯化钠晶体中钠离子的个数和氯离子的个数为数和氯离子的个数为数和氯离子的个数为数和氯离子的个数为1:11:1红球表示铯离子红球表示铯离子(Cs+)黄球表示氯离子黄球表示氯离子(Cl-)铯离子与氯离子通过离子键相结合铯离子与氯离子通过离子键相结合每个每个Cs+与和它紧邻的与和它紧邻的8个个Cl-相连相连 每个每个Cl-与和它紧邻的与和它紧邻的8个个Cs+相连相连Cs+和和Cl-在三维空间交替出现，并延长形成在三维空间交替出现，并延长形成CsCl晶体晶体氯化铯晶体中没有氯化铯分子氯化铯晶体中没有氯化铯分子氯化铯晶体中没有氯化铯分子氯化铯晶体中没有氯化铯分子;CsClCsCl只是代表氯化钠晶体中铯离子的个只是代表氯化钠晶体中铯离子的个只是代表氯化钠晶体中铯离子的个只是代表氯化钠晶体中铯离子的个数和氯离子的个数为数和氯离子的个数为数和氯离子的个数为数和氯离子的个数为1:11:1 宏观上表现出宏观上表现出:电子不容易脱离离子，离子也电子不容易脱离离子，离子也 不容易离开格点位置不容易离开格点位置;但在高温下离子可以离开正常但在高温下离子可以离开正常的格点位置并参与导电的格点位置并参与导电!熔点较高熔点较高硬度较大硬度较大导电性弱导电性弱结合力强结合力强在在在在1 1大气压下大气压下大气压下大气压下T Tnana=978=978，T TNaCl NaCl=800.4=800.4高温时，在红外区有一特征高温时，在红外区有一特征:对可见光是透明的对可见光是透明的!原子外层电子被牢固的束缚原子外层电子被牢固的束缚着，光的能量不足着，光的能量不足 以使其受激发以使其受激发 C.N(coordination number)max=8 C.N=8,CsCl,TlBr C.N=6,NaCl,KCl,PbS,MgO C.N=4,ZnS典型的离子晶体不能吸收可见光，是无色透明的典型的离子晶体不能吸收可见光，是无色透明的!二、共价键和共价晶体（极性晶体）二、共价键和共价晶体（极性晶体）二、共价键和共价晶体（极性晶体）二、共价键和共价晶体（极性晶体）1 举例：金刚石，锗，硅晶体，举例：金刚石，锗，硅晶体，H2,NH32 特点：特点：共价键共价键：形成晶体的两原子相互接近时，各提：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。

供一个电子，它们具有相反的自旋这样一对为这样一对为两原子所共有两原子所共有的的自旋相反自旋相反配配 对的电子结构对的电子结构 共价键共。