固体物理21固体的结合课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 固体的结合,第二章 固体的结合,电磁力,四种基本相互作用,万有引力,强相互作用,弱相互作用,只存在基本粒子当中,对宏观物体可以忽略,库伦相互作用,晶体的结合力,原子,原子核,核外电子,芯电子,价电子,离子实,2.1,固体的结合力,电磁力四种基本相互作用万有引力强相互作用弱相互作用只存在基本,固体,难以拉伸,原子间存在吸引力,库仑吸引作用,（长程力）,固体,难以压缩,原子间存在排斥力,泡利原理,（短程力）,晶体结构稳定,原子间相互作用的势能取最小值,现 象,原 理,原子或离子间的相互作用,或,结合的性质,与固体材料的结构和物理、化学性质有密切关系，是研究固体材料性质的重要基础！,固体难以拉伸原子间存在吸引力库仑吸引作用（长程力）固体难以压,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的能量为第二电离能。,电离能代表原子失去电子的能力。电离能越大，原子对价电子的束缚能力越强。,2.1.1.,电离能,5.14eV-,电离能,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,2.1.,2.电子亲和能,2.1.2.电子亲和能,3.61 eV,-,电子亲合能,。,电子亲和能代表原子得到电子的能力。,2.1.3,.结合能,晶体,结合能,3.61 eV-电子亲合能。电子亲和能代表原子得到电子的,2.1.4.,电负性,-,描述得失电子的能力,电负性=,0.18,(电离能+亲和能),密里根定义：,泡林值：相对电负性,Li,：,1.0,指定,F,电负性,:4.0,根据热化学数据和分子的键能,2.1.4.电负性-描述得失电子的能力电负性=0.18,IA,IIA,IIIB,IVB,VB,VIB,VIIB,Li,1.0,Na,0.9,K,0.8,Be,1.5,Mg,1.2,Ca,1.0,B,2.0,Al,1.5,Ga,1.5,C,2.5,Si,1.8,Ge,1.8,N,3.0,P,2.1,As,2.0,O,3.5,S,2.5,Se,2.4,F,4.0,Cl,3.0,Br,2.8,电负性,周期表由上到下，电负性逐渐弱；,周期表越往下，一个周期内电负性的差别也越小。,对比下表各个周期,可看出以下两个特性：,IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBLiBeBCNOF,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。,IA、IIA、IIIB负电性低的元素对电子束缚较,晶体结合的类型,根据相互作用的类型分类,：,按,合力不,同,1,离子晶体,离子键结合,2,共价晶体,共价键结合,3,金属晶体,金属键结合,4,分子晶体,分子键（范,德瓦尔斯键）结合,5,氢键晶体,氢键结合,五种基本类型,晶体结合的类型根据相互作用的类型分类：按合力不同1离子晶体,2.2.1,离子性结合的特点,离子晶体举例,典型的离子晶体结构,：,NaCl,结构,和,CsCl,结构,碱金属元素,Li,Na,K,Rb,Cs,卤族元素,F,Cl,Br,I,形成的化合物,两种元素对价电子的束缚程度不同。,2.2,离子晶体,2.2.1离子性结合的特点离子晶体举例典型的离子晶体结构：N,2.2.2,离子性结合的,特点,结合单元,:,正、负离子,.,结构的要求,:,正、负离子相间排列，即一种离子的最近邻离子为异号离子；,每个离子具有球对称满电子壳层结构,.,结合力的本质,：,正、负离子的静电相互作用力,.,特性：,离子晶体结合牢固，无自由电子,.,2.2.2 离子性结合的特点 结合单元:正、负离子.,以,NaCl,为例，在凝聚成固体时，,Na,原子失去价电子，,Cl,获得了电子，形成离子键。,以离子为结合单元，正负离子的电子分布高度局域在离子实的附近，形成稳定的,球对称性,的满电子壳层结构。,以NaCl 为例，在凝聚成固体时，Na原子失去价电子，Cl,离子晶体的结合力：,正、负离子之间靠,库仑吸引力,作用而相互靠近，当靠近到两个离子的电子云发生显著重叠时，由于泡利不相容原理，会产生强大的排斥力。当排斥力和吸引力相互平衡时，形成稳定的离子晶体。,离子晶体的结合力：正、负离子之间靠库仑吸引力作用而相互靠近，,黄球,:,钠离子,(Na,+,),绿球,:,氯离子,(Cl,-,),在氯化钠晶体中，钠离子与氯离子通过离子键相结合,NaCl,只是代表氯化钠晶体中钠离子的个数和氯离子的个数为,1:1,黄球:钠离子(Na+)NaCl只是代表氯化钠晶体中钠离子,红球,表示铯离子,(Cs,+,),黄球,表示氯离子,(Cl,-,),铯离子与氯离子通过离子键相结合。,CsCl,只是代表氯化钠晶体中铯离子的个数和氯离子的个数为,1:1,红球表示铯离子(Cs+)铯离子与氯离子通过离子键相结合。C,宏观上表现出,:,电子不容易脱离离子，离子也,不容易离开格点位置,;,但在高温下离子可以离开正常的格点位置并参与导电,!,熔点较高,硬度较大,导电性弱,结合力强,在,1,大气压下,T,NaCl,=800.4,2.2.3,离子晶体特点：,宏观上表现出:电子不容易脱离离子，离子也 但在高温下离子,氯化钠型,(NaCl,、,KCl,、,AgBr,、,PbS,、,MgO)(,配位数,6),氯化铯型,(CsCl,、,TlBr,、,TlI),（配位数,8,）,离子结合成分较大的半导体材料,ZnS,等（配位数,4,）,C.N(coordination number),离子晶体的配位数最多只能是,8,大多数离子晶体对可见光是透明的；在远红外区有一特征吸收峰,.,氯化钠型(NaCl、KCl、AgBr、PbS、MgO)(配位,19,1,举例：,、,和过渡族元素,2,特点：,基本特点,：,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,Na,+,金属性结合示意图,价电子不再束缚在原子上，而在整个晶体中运动，原子实,(,正离子实,),浸泡在价电子组成的“电子云”中。,电子的“,共有化,”,它们的最外层电子一般为,1-2,个,.,2.3,金属晶体,191 举例：、和过渡族元素2 特点：基本特点：N,20,离子实和电子云之间的库仑相互作用,结合力本质：,使整个金属结合在一起！,晶体平衡：,依靠库仑作用力和一定的排斥力而维持,!,排斥作用两个来源,V,共有化电子密度,动能,原子实相互接近,到一定的距离时,，电子云显著重叠,强烈排斥作用,.,20离子实和电子云之间的库仑相互作用 结合力本质：使整个金,21,结构要求,:,对晶格中原子排列的具体形式无特殊要求,-,体积效应,(,只要求排列最紧密,),；,排列的愈紧密，,Coulomb,能愈低,结合愈稳定,取最紧密排列结构,面心立方结构,立方密积（,Cu,、,Ag,、,Au,、,Al,）,六角密积结构,(,Be,、,Mg,、,Zn,、,Cd,),体心立方结构,(,Li,、,Na,、,K,、,Rb,、,Cs,、,Mo,、,W,),CN=12,CN=8,21结构要求:对晶格中原子排列的具体形式无特殊要求-体,22,很大的范性（可经受相当大的范性变形）,金属性结合对原子的排列没有特殊的要求，这使得容易造成,晶体内部原子排列的不规则性,，使其具有很大的范性。,金属材料易于机械加工！,性能：,高的导电性,导热性,金属光泽,共有化电子可以在整个晶体内自由运动,22很大的范性（可经受相当大的范性变形）金属材料易于机械加,23,特点：,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,以原子为基本结构单元,2.4,共价晶体,23特点：共价键：形成晶体的两原子相互接近时，各提以原子,24,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,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,！,当两个氢原子接近时,H,2,分子中电子云的等密度线图,24 如果两电子自旋方向相同：泡利不相容原理使以氢分子为例,25,当两个电子,自旋方向相反,：,电子在两核之间的区域有较大的电子云密度，,它们与两个核同时有较强的吸引作用,两个电子为两个核所共有，在两个原子周围都形成稳定的满壳层结构,共价键,！,把两个核结合在一起形成一个氢分子,H,2,分子中电子云的等密度线图,25 当两个电子自旋方向相反：两个电子为两个核所共有，在两,26,饱和性,和,方向性,饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键。,一个电子与另一个电子配对以后就,不能,再与第三个电子成对；,同一原子中自旋相反的两个电子,也不能,与其他原子的电子配对形成共价键,.,注意：,当原子的电子壳层不到半满时,所有电子,自旋都是未配对的,成键数目,=,价电子数,26饱和性 和 方向性饱和性：一个原子只能形成一定数目的共,27,方向性：只在某特定方向上形成共价键。,即只在,电子云交叠最大的特定方向,上形成共价键,.,当原子的电子数为半满或超过半满时,泡利,原理,部分电子必须自旋相反配对,成键数目,=8-,N,27方向性：只在某特定方向上形成共价键。当原子的电子数为,28,性能：,具有很高的熔点和很高的硬度,例：金刚石是目前所知道的最硬的晶体,共价键饱和性和方向性,弱导电性：,价电子定域在共价键上,一般属于绝缘体或半导体,共价结合的键合能相当强,28性能：具有很高的熔点和很高的硬度 例：金刚石是目前所,29,1.,分子晶体,：由具有封闭满电子壳层结构的原子或分子组成的晶体称为分子晶体。,2.5,分子晶体,-,范德瓦尔斯力,2,举例：,a),满壳层结构的惰性气体,He,Ne,Ar,Kr,Xe,非极性,(,原子正负电荷重心重合,),b),价电子已用于形成共价键的具有稳定电子结,构的分子,NH,3,SO,2,在低温下形成晶体,有极性,(,正负电荷重心不重合,),291.分子晶体：由具有封闭满电子壳层结构的原子或分子组成的,30,范德瓦尔斯力是分子间的,偶极矩作用,，是分子间作用力的 一种。,范德瓦尔斯（,Van der Waals,）力,通过范德瓦尔斯力作用结合而成,具体有：,非极性分子,：瞬时偶极矩之间的作用力；,极性分子,：固有电偶极矩间的静电力；,极性分子的电偶极矩与其在非极性分子上诱导产生的偶极矩之间的作用力。,30范德瓦尔斯力是分子间的偶极矩作用，是分子间作用力的 一种,2.6,氢键相互作用,H,2,O,O,2-,O,2-,H,+,H,+,H,+,H,+,H,键的形成，,HF,，,H,3,N,六边形雪花：冰晶体,2.6 氢键相互作用H2OO2-O2-H+H+H+H+H键的,H,键在生物体中,DNA,：双螺旋,C,、,H,、,O,、,N,、,P(,骨架,),，碱基配对。维持双螺旋结构的力就是,H,键。,H键在生物体中DNA：双螺旋,C、H、O、N、P(骨架)，,石墨,层状结构（二维）,石墨 层状结构（二维）,