固体物理二晶体的结合PPT课件

.,1,原子是按一定的规律周期性排列形成晶体。按排列规律的不同，可以分为七大晶系、十四种布喇菲点阵。那么，是靠什么作用将这些原子结合在一起，形成不同的晶体结构的呢？这一章，我们将讨论晶体中原子间的结合的类型和物理本质。,第二章晶体的结合,.,2,自然界中物质间相互作用的类型、相对强度以及作用范围,.,3,2.1原子的电负性,一、原子的电子分布：原子由原子核和核外电子组成，核外的电子分布遵从泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则。电子的运动最初由波尔理论解释：1、电子只能沿一定能量的轨道运动，自身没有能量的变化；2、轨道的能量不是连续的，轨道不同，能级不同；3、电子只有从一个轨道跃迁到另一轨道时，才有能量的吸收或放出。,.,4,(1)主量子数n代表电子层，取1、2、3、4等整数；(2)角量子数l代表亚层，也即原子轨道的形状。取0、1、n-1的整数。为了和n的取值区分开,常用字母代表角量子数,l=0,用S表示,l=1,用P表示,l=2,用d表示,(3)m-磁量子数，决定角动量在空间的方位。(4)s-自旋量子数，决定自旋角动量在空间的方位,l=3,用f表示,.,5,.,6,3、原子的电子组态，由n和l来描述：如氧的电子组态为：。字母左边的数字是轨道主量子数，右上标表示该轨道的电子数目。氧的电子组态表示的意思：第一主轨道上有两个电子，这两个电子的亚轨道为s，（第一亚层）；第二主轨道有6个电子，其中有2个电子分布在s亚轨道上，有4个电子分布在p亚轨道上（第二亚层）,.,7,二、电离能：原子失去一个电子所需要的能量。三、亲和能：中性原子获得一个电子成为负离子所释放的能量。四、电负性：原子得到一个电子的能力。,元素电负性数值越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强；反之，电负性数值越小，相应原子在化合物中吸引电子的能力越弱（稀有气体原子除外）。,两原子电负性相差较大易形成离子键两原子电负性相差较小易形成共价键,.,8,在元素周期表中，同一周期从左到右电负性增强同一族从上到下电负性减弱。,.,9,晶体中原子间的结合力几乎可以全部归因于带负电的电子和带正电的原子核之间的库仑作用。原子(包括离子实与电子)间相互作用使原子凝聚在一起形成固体，用化学家的语言说，这些相互作用使电子重新分布，在原子间形成了化学键，正是这些化学键使原子结合成固体。,2.2晶体的结合类型,.,10,根据电子在实空间的分布，键形成的物理起源和所涉及的键力的性质，将化学键分成五种类型：离子键，共价键，分子键，氢键和金属键。由前四种键形成的固体一般为绝缘体，而后一种键形成的固体是金属。实际固体的结合是以这四种基本形式为基础，可以具有复杂的形式。固体结合的基本形式与固体材料的结构和物理、化学性质都有密切的联系，因此固体的结合是研究固体材料性质的重要基础。,.,11,一、共价结合(原子晶体）,形成原子晶体最典型的元素是是IV族元素。如：C、Si、Ge、Sn(灰锡，13以下，金刚石结构，半导体；13以上为白锡，金属),.,12,（1）结合方式,一、共价结合(原子晶体）,以共价键方式结合的两个原子各出一个价电子（未配对）为两者所共有（配对），从而在每个原子的最外层形成有公有电子的封闭的电子壳层。这两个公有电子按泡利原理其自旋是反平行的。（共价键的现代理论以氢分子的量子理论为基础）,.,13,(2)共价键的特点饱和性:共价键只能由两个原子中原来未配对的电子形成，而原子中未配对电子数是一定的，所以一个原子只能形成一定数目的共价键，依靠共价键也只能和相应数目的其他原子结合。IV族至VII族的元素依靠共价键结合，共价键的数目符合所谓8N定则，N指价电子数目,.,14,方向性:指原子只在特定的方向上形成共价键因为共价键的强弱决定于形成共价键的两个电子轨道相互交迭的程度，因此一个原子是在价电子波函数最大的方向上形成共价键。,.,15,(3)共价键晶体结构,.,16,.,17,共价键结合力强，因此共价晶体熔点高，硬度高，但导电性差。,(4)主要物理性质,.,18,4,3,电负性小的元素与电负性大的元素结合在一起，一个失去电子变成正离子，一个得到电子变成负离子，形成离子晶体。,二、离子结合,最典型的离子晶体是由第一族碱金属元素和第VII族卤族元素生成的化合物。I:Li、Na、K、Rb、Cs、FrVII:F、Cl、Br、I、At如：NaCl、Cscl,.,19,碱金属原子最外层只有一个电子,电离能小,易失去；卤族原子最外层有七个电子，易吸收一个电子。一得一失后，电子结构都是稳定的满壳层结构，形成离子键。,结合力：主要依靠正负离子之间较强的静电库仑力（吸引）而结合。,(1)结合力,.,20,以离子为基本结合单元，正负离子是相间排列（结合力最强，系统势能最低，结构最稳定）；离子晶体的配位数最多只能是8（例如CsCl）。典型的离子晶体结构有两种：,(2)结构特点,.,21,典型的离子晶体结构有两种,.,22,.,23,(3)主要物理性质,在离子晶体中，离子间靠较强的库仑引力结合，具有以下特性：结构稳固，结合能约为800kJ/mol；导电性差；熔点高；硬度高；膨胀系数小；,.,24,最典型的金属晶体是I族的碱金属、II族的碱土金属以及3d元素。I：Li、Na、K、Rb、Cs、FrII：Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra3d元素：Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni,三、金属键与金属晶体,.,25,（1）金属键：电负性较小的金属原子失去价电子，形成离子实，价电子均匀分布在离子实之间，金属键就是靠共有化价电子和离子实之间的相互作用而形成的。,.,26,（2）结合力与结构特点,结合力：正离子实与负电子云之间的库仑吸引作用。要求结构体积越小，电子云愈密集，库仑势能愈低。因此金属性结合对晶格中原子排列的具体方式没有要求，很多金属晶体采取面心立方或密排六方结构，配位数高，如面心立方、密排六方为12。体心立方也是一种比较常见的金属结构，配位数也较高，为8。,.,27,立方密积（Cu、Ag、Au、Al）：面心立方结构，配位数12；六角密积（Be、Mg、Zn、Cd）体心立方结构（Li，Na，K，Rb，Cs，Mo，W）：配位数8。,.,28,(3)金属晶体的物理性质因为存在可在整个晶体内可以自由运动的大量公有化电子，所以金属晶体具有良好的导电性和导热性；由于金属性结合对晶格中原子排列的具体方式没有要求，只要求排列紧密，这种结合的体积效应导致金属良好的范性。,.,29,形成分子晶体最典型的元素是惰性气体元素：Ne、Ar、Kr、Xe、Rn。它们的原子的电子结构是稳定的满壳层结构，原子的正负电子中心在核心上。,四、范德瓦尔斯键与分子晶体,.,30,（1）范德瓦尔斯键：分子电偶极矩的互作用力形成。（弱键）,+,+,+,+,e,+,-,+,-,+,+,-,-,瞬时吸引,瞬时排斥,瞬时电偶极矩的形成,.,31,（2）分子晶体的结合很弱，导致硬度低，熔点低，易于挥发，多为透明的绝缘体，这是分子晶体的特点。与共价键、离子键、金属键相比，范德瓦尔斯力要弱得多，因此也称弱力。如氩的范德瓦尔斯键的结合能是：0.088eV/原子。,.,32,氢原子只有一个电子。这个电子电离能大，为13.6eV（Li,5.39;Na,5.14;K,4.34）。所以氢很难形成金属氢，易形成共价键。当与某些电负性大的原子(如F、O、N等)形成共价键后，电子更倾向于集中在非氢原子一端，氢核就暴露在外。此时裸露的氢核通过库仑作用又可与另一个电负性大的原子相结合，形成氢键。由于氢核(即质子)的体积很小，一般只和两个电负性较强的原子结合。,XHY共价键库仑结合,五、氢键晶体与混合晶体,.,33,冰是一种氢键晶体。氢原子不但与一个氧原子结合成共价键，而且与另一个氧原子结合形成氢键。氢键是水分子间相互作用的一个重要组成部分。,.,34,以上主要根据结合力的性质，把晶体分成了5个典型的类型但是对于大多数晶体来说，结合力的性质是属于综合性的，除了上面所阐述的离子键与共价键的综合性外，还有其它的综合情况,.,35,六、混合晶体：同时存在两种以上化学键结合成的晶体。,石墨结构,.,36,.,37,总结：元素晶体结合的规律性,第族元素具有最低的负电性，金属键结合；,周期表左端和右端元素电负性差别大离子晶体（如：NaCl）随着元素之间负电性差别减小，离子性结合逐渐过渡到共价结合族化合物具有类似金刚石结构的闪锌矿结构，为良好的半导体。,第族元素为惰性元素，在低温下可凝聚成晶体，只能靠VanderWaals力结合成分子晶体。,.,38,1.原子间的相互作用力(库仑力),吸引力,排斥力,库仑斥力,泡利原理引起,原子间的相互作用力,2.3结合力及结合能,库仑斥力,2.相互作用势能,.,39,A、B、m、n0,2.相互作用势能,两原子间的相互作用力,.,40,两粒子间的互作用力,假设相距无穷远的两个自由原子间的相互作用能为零，相互作用力为零。,.,41,.,42,(r0平衡时原子间距),(r=r0处相互作用能有最小值。),可知nm，排斥作用是短程的。,最大有