大学物理学 第二卷 近代物理基础 第6版 课件 23 晶体结构与结合力

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大学物理固体物理学第八部分CollegePhysics

大学物理

（1）什么是晶体?

2、固体的分类:晶体、非晶体、准晶引言：1、固体物理学的研究对象CollegePhysics

大学物理Be2O3晶体与Be2O3玻璃的内部结构CollegePhysics

大学物理准晶体——1984年Shechtman用快速冷却方法制备的AlMn准晶，结构有别于晶体和非晶体CollegePhysics

大学物理

（1）甚么是晶体?

2、固体的分类:晶体、非晶体、准晶

（2）晶体的分类:多晶体,单晶体引言：1、固体物理学的研究对象

3、学习的重点:理想单晶体CollegePhysics

大学物理晶体结构与结合力第二十三章第二节布喇菲格子第一节晶体结构及其描述CollegePhysics

大学物理第三节晶体的结合力第四节晶体的结合能本章核心内容1.由晶体5种宏观性质推测晶体微观结构特征。2.如何分析不同晶体具有千差万别的性能。CollegePhysics

大学物理第一节晶体结构及其描述一、晶体的性质1、规则的几何外形

晶面数晶棱数顶点数第一节晶体结构及其描述2、均匀性

相同

（1）物理性质力、热、电、光

（2）化学性质成分，摩尔分数

3、各向异性NaCl的拉伸性质

(g/mm2)(1:2:4)第一节晶体结构及其描述晶体的导热、导电、光的透射、折射、偏振、压电性、硬度等性质常因晶体取向不同而异。第一节晶体结构及其描述4、对称性

5、具有确定的熔点

加热曲线第一节晶体结构及其描述二、晶体结构---构成晶体的原子排列方式

1、研究方法（1）X射线分析（1912）（1）康普顿散射（2）正常散射

第一节晶体结构及其描述第一节晶体结构及其描述（2）电子衍射分析

硅晶体的原子排列情况第一节晶体结构及其描述2、晶体结构晶体中原子排列具有周期性和对称性。第一节晶体结构及其描述(1)重复排列的最小单元（结构单元）；(2)结构单元的排列方式。晶体结构包含两方面的内容：第一节晶体结构及其描述1、晶体点阵概念的提出

三、空间点阵（1）晶体结构的抽象（2）结构单元的等效点无大小、质量、不可分辨第一节晶体结构及其描述2、空间点阵例：第一节晶体结构及其描述第一节晶体结构及其描述点阵点是代表结构单元在空间重复排列方式的抽象的点。

第一节晶体结构及其描述3、晶格晶体格子：把晶体中原子的中心按一定规则用直线联起来构成的空间网格，简称晶格。第一节晶体结构及其描述4、晶胞晶体中重复出现的最基本的结构单元第一节晶体结构及其描述最小重复单元第一节晶体结构及其描述晶胞的两个要素：1.晶胞的大小与形状：

三维晶格的晶胞通常是一个平行六面体。a，b，c，α，β，γ

第一节晶体结构及其描述2.晶胞的内容：粒子的种类，数目及它在晶胞中的相对位置。晶胞是描述晶格的基本单元，但不一定是最小单元。晶胞的选取方法很多，根据晶胞所包含点阵数目的不同，可以分为

(1)单胞：晶胞中包含一个点阵点

。

(2)复胞

：每个晶胞中包含两个过两个以上的点

阵点。第一节晶体结构及其描述晶胞对组成晶胞的各质点（晶格点）的占有率如何呢（以立方体形晶胞为例）？3.晶胞中原子的计数体心：1面心：1/2棱边：1/4顶点：1/82个4个第二节布喇菲格子一、晶系

1、晶胞的六个特征参量点阵参数2、七大晶系的分类

(1)尽可能多的直角

(2)尽可能多的等边

(3)体积尽可能小

立方、四方、正交、六方（六角）、三方（三角）、单斜、三斜

7大晶系的形成第二节布喇菲格子第一节晶体结构及其描述2、14种布拉菲胞1)简单立方2)体心立方3)面心立方

4)简单四方（四角）5)体心四方（四角）第二节布喇菲格子6)简单正交7)底心正交8)体心正交9)面心正交第二节布喇菲格子10)简单单斜11)底心单斜第二节布喇菲格子12)简单三斜第二节布喇菲格子13)三角

第二节布喇菲格子14)六角

第二节布喇菲格子晶系单胞基矢的特性布拉伐格子三斜晶系简单三斜单斜晶系简单单斜底心单斜七大晶系的布拉伐格子第二节布喇菲格子正交晶系简单正交底心正交体心正交面心正交三角晶系三角第二节布喇菲格子第一节晶体结构及其描述四方晶系简单四方体心四方六角晶系六角立方晶系简单立方体心立方面心立方第三节晶体的结合力一、影响晶体结合力的因素1、构成晶体的粒子类型（1）离子

氯化钠晶体第三节晶体的结合力（3）分子

干冰

（2）原子

金刚石晶体碳原子2、粒子中价电子的分布第三节晶体的结合力（2）原子

共用电子

半导体硅氯化钠晶体（1）离子

满壳层

电子结构第三节晶体的结合力公有化电子（电子海）

（3）离子实第三节晶体的结合力

例：金刚石（硬）

石墨（软）

3、原子的空间排列（点阵）

第三节晶体的结合力当原子结合成晶体时，原子的外层电子要重新分布，这种因电子分配关系所产生的相互结合类型，称为化学键。二、晶体中粒子的结合力（性质）

1、离子键结合

例：氯化钠

两面心套构

（1）形成

第三节晶体的结合力离子键的形成静电引力（2）本质既无方向性又没有饱和性（4）离子键晶体性能

强度、硬度较高、脆、熔点较高（804°C）（3）特点

第三节晶体的结合力（例金刚石；硅和锗等半导体）例:

（1）形成

2、原子（共价键）结合能把两个原子结合在一起的一对为两个原子所共有的自旋相反配对的电子结构，称为共价键。（2）本质

共用电子对第三节晶体的结合力方向性只与相应原子成键

（各个共价键之间有确定的取向）与电子空间概率有关（4）共价键晶体性能（金刚石）

结合力很强，硬度最高高熔点（3550°C)导电性能差

饱和性（3）特征：第三节晶体的结合力

3、金属键

（1）形成

离（原）子实+电子气（海）（2）本质

正离子与电子吸引

正离子实排斥（4）

金属键晶体性能良导电、导热性静电作用

（3）特点

有没有方向性？有没有饱和性？第三节晶体的结合力4、范德瓦尔斯键(分子健)（大部分有机化合物晶体；惰性气体元素在低温下形成的晶体）（1）形成

电偶极子第四节晶体的结合能(2)本质(3)特点

静电作用无方向性与饱和性

金刚石

石墨立方(两面心)六角第四节晶体的结合能

一、定义

（1）形成晶体,放出能量（1大气压，绝对0K，1摩尔）第四节晶体的结合能（2）拆散晶体,提供能量（升华热）

1大气压，绝对0K，1摩尔-相互作用势能=结合能

二、经验原子对势（能）

1、结合能与相互作用势能第四节晶体的结合能拆散氢原子（1）类比

氢原子电离

基态能电离能

结合能

（2）晶体结合能

拆散晶体,提供能量

（0K态）基态能→结合能第四节晶体的结合能

2、晶体粒子相互作用能(基态能)（1）吸引与排斥共存（2）静电与量子效应同第四节晶体的结合能3、经验原子对势（能）

平衡位置

基态能第五节离子晶体的结合能一

、离子晶体的点阵结构O2、相互作用能（内势能）

二、离子晶体的热力学能

1、离子动能+离子相互作用能

温度

0K

（1）离子对内势能公式第五节离子晶体的结合能（2）离子内势能（3）系统总内势能第五节离子晶体的结合能3、结合能

温度

0K基态能→结合能第五节离子晶体的结合能三、计算▲

选择经验原子对势公式(离子晶体的经验对势)计算的基本思路▲

利用晶体势能的计算公式(注意:两次求和)第五节离子晶体的结合能1、离子(i)的内势能计算

离子晶体的经验对势第一项（静电力）（1）第五节离子晶体的结合能

◆以i离子为中心对所有离子求和◆

i离子有几个最近邻、次近邻、第三近邻...

◆

i离子与最近邻、

次近邻、第三近邻...

的间距

◆

分别计算i离子与以上各离子对间的静电势

能思路第五节离子晶体的结合能最近邻

①计算6个氯离子相互吸引12个钠离子相互排斥最近邻求和

次近邻

第五节离子晶体的结合能8个氯离子相互吸引

次近邻求和

第三近邻求和

第三近邻

第五节离子晶体的结合能第五节离子晶体的结合能②马德隆常数第五节离子晶体的结合能几种常见的晶体晶格的马德隆常数离子晶体NaClCsClZnS马德隆常数1.7481.7631.638

（2）排斥势（第二项）第五节离子晶体的结合能第五节离子晶体的结合能

（2）排斥势（第二项）最近邻

第三近邻

次近邻第五节离子晶体的结合能（3）第i个原子的总内势能第五节离子晶体的结合能

平衡位置

第五节离子晶体的结合能（3）第i个原子的总内势能（4）i

的平衡位置

第五节离子晶体的结合能玻恩指