固体物理 第二章晶体的结合

第二章固体物理中，关于晶体的结合是一个重要的主题，它研究晶体中原子、离子或分子之间的相互作用力和结合方式。以下是对该章节内容的简述： 1、基础概念 2、离子结合 3、共价结合 4、金属结合 5、分子结合 6、范德华力 通过研究晶体的结合方式，我们可以深入了解晶体的性质和行为。晶体的结合方式直接影响着晶体的物理、化学性质以及它们在材料科学和工程中的应用。

晶体的结合

• 结合类型及其特点
  • 晶体结合键的类型
    • 离子晶体(NaCl)：结合力——静电库仑力
      • (1)构成晶体的基本单元是离子；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电子壳层结构；
      • (2)晶体的结合力是靠正负离子间的静电库仑力；
      • (3)离子晶体是复式格子，配位数不超过8；
      • (4)结构稳定，结合能约为800kJ/mol；
      • (5)导电性差、熔点高、硬度高、膨胀系数小、容易沿解理面劈裂；
      • (6)一般对可见光透明，在远红外区有一特征吸收峰。
    • 原子晶体(金刚石)：结合力——共价键
      • (1)原子结合力是共价键；
      • (2)共价键具有饱和性(取决于原子未配对电子数)、方向性(共价键的方向为未配对电子云密度最大的方向);
      • (3)原子晶体为复式格子；
      • (4)结构稳定，结合能约为800kJ/mol;
      • (5)低温导电性差，为绝缘体或半导体，熔点高、硬度高;
      • (6)能透射红外线。
    • 金属晶体(Cu、Al)：原子实和共有化的电子云(价电子形成的电子云)之间的静电力
      • (1)采取密堆积的形式；
      • (2)结合能较高。约为200kJ/mol；
      • (3)导电性好、热导率高、密度大、延展性好；
      • (4)对红外线和可见光反射能力强，不透明，能透紫外线。
    • 分子晶体(Ar)
      • 极性：由于极性分子存在永久电偶极矩而产生的，这种力称为范德瓦尔斯—葛生力
      • 非极性：非极性分子的瞬时偶极矩间相互作用力称为范德瓦尔斯- 伦敦力
      • 特点
        • (1)fcc结构；惰性元素具有球对称，结合时排列最
        • 紧密以使势能最低；
        • (2)结合能较低，约为几kJ/mol，结合力弱；
        • (3)熔点低、沸点低、绝缘体、硬度小、易压缩；
        • (4)能透射从红外到远紫外。
    • 氢键晶体(冰)：结合力——氢键（裸露原子核，只有一个核外电子）
      • (1)饱和性——只能形成一个氢键；
      • (2)氢键较弱；
      • (3)结合能较低，约为20kJ/mol；
      • (4)熔点低、沸点低、硬度小、导电性差。
• 结合力的一般性质
  • 两个原子之间的相互作用
  • 相互作用势能
  • 晶格常数a(或原胞体积v)、体积弹性模量K、抗张强度Pm和结合能的关系
• 非极性分子的结合能
  • 非极性分子晶体的结合力分析
    • 范德瓦耳斯—伦敦力。根据波尔兹曼统计规律，温度愈低，分子处于相互吸引的几率愈大。相互排斥的几率愈小，于是分子便结合成晶体。
  • 一维非极性分子结合能的计算
  • 三维非极性分子晶体互作用势能的计算
  • U(r)的计算及其和K的关系
• 离子晶体的结合能
  • 离子晶体的特点
    • ①原子得失电子后，电子壳层稳定，而且是球对称的，可作刚球处理。
    • ②某离子最近邻离子必为异号离子。复式格子。
    • ③由Ⅰ～Ⅶ族组成的离子晶体结合稳定，导电性差，熔点高，硬度高，膨胀系数小，结合能约为800kJ/mol。
  • 离子晶体结合能的计算
  • 平衡时晶体结合能的计算
• 原子晶体的结合
  • 自旋方向相同的氢原子的相互作用
    • 自旋方向相同的两个氢原子在任何间距时总是排斥的，两个自旋方向相同的氢原子不可能结合成分子。
  • 自旋方向相反的氢原子的相互作用
  • 价键理论(电子配对理论)
  • 共价健的分类
  • 共价健的特点
    • 1.饱和性
      • 根据泡利不相容原理，当原子中的电子一旦配对后，便不能与第三各电子配对，因此，当一个原子与其它原子结合时，它所形成的共价键的数目，有一个最大值，该最大值取决于所含有的未配对的电子数。
    • 2.方向性
      • (1)原子只在特定的方向上形成共价键，各个共价键之间有确定的相对取向。
      • (2)根据共价键的量子理论，共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子轨道相互交叠的程度— 一个原子在价电子波函数最大的方向上形成共价键。
      • (3)共价键的实质是电子云的交迭，交迭越大，结合越强，能量越低。所以，共价键沿电子云密度最大的方向取向。