固体物理学 课件 第1章 晶体结合理论

固体物理学主讲教师：胡建民哈尔滨师范大学物理与电子工程学院1第一章晶体结合理论第一节原子结构和原子的电负性第二节结合力的基本类型第三节结合能与结合力2第一章晶体结合理论判断题：1晶体中原子结合的引力除异种电荷间的库仑引力外，还存在其他来源；32晶体中原子间的斥力完全来源于同种电荷间的库仑斥力；第一章晶体结合理论第一节原子结构和原子的电负性一、原子模型1803年道尔顿实心球模型1904年汤姆森枣糕模型1911年卢瑟福有核模型1913年玻尔轨道模型1935年薛定谔/玻恩电子云模型α散射实验氢原子光谱实验电中性薛定谔方程4第一章晶体结合理论第一节原子结构和原子的电负性二、原子的电子结构与电子状态1.能级2.角动量3.角动量分量l=0,1,2,3,…,(n-1)

4.自旋角动量5第一章晶体结合理论第一节原子结构和原子的电负性二、原子的电子结构与电子状态1.主量子数：3.轨道磁量子数：2.角量子数：l=0,1,2,3,…,(n-1)

n=1,2,3,4，5…轨道：s,p,d,f,g,h,…4.自旋磁量子数：6能量轨道形状能级：K,L,M,N,O,P,…轨道数量2l+1自旋角动量的空间取向第一章晶体结合理论第一节原子结构和原子的电负性二、原子的电子结构与电子状态

电子填充轨道能级遵循的原则

能量最低原理：徐光宪定则泡利原理：同一轨道只容纳2个自旋反向的电子洪德定则：分占各个轨道且自旋同向7第一章晶体结合理论第一节原子结构和原子的电负性三、原子的电负性表征原子对电子束缚能力强弱的物理量有3个：亲和能

A（affinityenergy）电离能I（ionizationenergy）电负性χ（Electronegativity）第一章晶体结合理论第一节原子结构和原子的电负性三、原子的电负性1.亲和能

A

俘获一个外来自由电子释放的能量亲和过程：第一章晶体结合理论第一节原子结构和原子的电负性三、原子的电负性2.电离能I

基态原子失去一个最外层电子吸收的能量电离过程：第一章晶体结合理论第一节原子结构和原子的电负性三、原子的电负性3.电负性是原子对电子束缚能力的综合标定1934年美国化学家马力肯提出电负性是一个相对的值，0.18是为使Li的电负性为1，并无实际意义。单位为eV。第一章晶体结合理论第一节原子结构和原子的电负性三、原子的电负性

金属性：

容易失去电子，电负性较小χ

˂2.0非金属性：容易获得电子，电负性较大χ

˃2.012第一章晶体结合理论第一节原子结构和原子的电负性三、原子的电负性χ

=2.0金属性非金属性金属结合共价结合离子结合13第一章晶体结合理论第二节结合力的基本类型一、结合力的本质来源孤立原子在结合成晶体的过程中，原子核不发生变化，而是核外电子在原子核势场的作用下重新分布。结合力源于：电荷之间的库仑相互作用力电子的重新分布引起体系能量变化14第一章晶体结合理论第二节结合力的基本类型一、结合力的本质来源1.引力：异种电荷间的库仑引力？2.斥力：同种电荷之间的库仑斥力

？15第一章晶体结合理论第二节结合力的基本类型一、结合力的本质来源16第一章晶体结合理论第二节结合力的基本类型一、结合力的本质来源17第一章晶体结合理论第二节结合力的基本类型一、结合力的本质来源引力：异种电荷间的库仑引力斥力：同种电荷之间的库仑斥力受泡利原理的限制，由电子云的重叠产生的斥力。18第二节结合力的基本类型第一章晶体结合理论共价键离子键

金属键分子键氢键混合键19第二节结合力的基本类型第一章晶体结合理论共价键离子键

金属键分子键氢键混合键20第二节结合力的基本类型第一章晶体结合理论共价键离子键

金属键分子键氢键混合键21第二节结合力的基本类型第一章晶体结合理论共价键离子键

金属键分子键氢键混合键22第一章晶体结合理论第三节结合能与结合力一、结合能N个处于自由状态下的孤立原子能量为ENN个孤立原子结合成晶体后的能量为E0结合能定义为

W=EN-E0

原子之所以能结合成稳定的晶体，是因为平衡态下能量最低。

23第一章晶体结合理论第三节结合能与结合力二、结合力的一般性质

以T=0K的双原子体系为例，忽略原子动能，则体系的能量等于两原子间的相互作用势能

W=EN

-E0=-u(r)E0=u(r)自由状态下原子的能量EN

=0，则体系的结合能为24第一章晶体结合理论第三节结合能与结合力二、结合力的一般性质

W=EN

-E0=-u(r)可见，绝对零度下结合能等于相互作用势能的负值。由此可以计算两个原子间相互作用力25第一章晶体结合理论第三节结合能与结合力二、结合力的一般性质26第一章晶体结合理论第三节结合能与结合力二、结合力的一般性质当r→∞时当r=rm时当r=r0时当r→0时27f(r)=0，原子处于自由状态结合力随间距减小而增大，表现为引力吸引力达到最大

f(rm)f(r0)=0，达到平衡状态斥力随间距减小而迅速增大第一章晶体结合理论第三节结合能与结合力二、结合力的一般性质当r=r0时，f(r0)=0，达到平衡状态当r=rm时引力有极值

f(rm)，称为理论断裂点势能有极值

28第一章晶体结合理论第三节结合能与结合力三、米势双原子间的相互作用势能可表示为幂函数α，β，m，n都是大于零的常数第一项表示引力作用，而第二项表示斥力作用29势能两项分别对应的结合力是引力还是斥力呢？1903年，德国物理学家古斯塔夫·米第一章晶体结合理论第三节结合能与结合力四、晶体的结合能晶体总的相互作用势能第i个原子与其他原子间的相互作用势能30晶体的结合能取决于原子数和原子间距，即结合能是体积的函数第一章晶体结合理论第三节结合能与结合力五、晶体的力学性质1.晶格常数平衡状态下，结合力为0，结合能有极小值可解出r0，由此可得晶格常数。31第一章晶体结合理论第三节结合能与结合力五、晶体的力学性质2.体弹性模量根据热力学可知，压缩系数定义为32第一章晶体结合理论第三节结合能与结合力五、晶体的力学性质3.抗张强度：晶体所能负荷的最大张力，定义为可以确定Vm33第一章晶体结合理论章小结一、结合力的来源34二、结合力的性质三、晶体典型的力学性质