固体物理第2章.pptx

第2章固体的结合
2-1 离子晶体:离子性结合
2-2 共价晶体:共价结合
2-3 金属晶体:金属性结合
2-4 分子晶体:范德瓦耳斯结合和氢键结合
2-5 元素和化合物晶体结合的规律性
掌握固体结合的基本形式与固体材料的结构、物理和化学性质的联系
了解不同结合方式的计算原理
2-1 离子性结合
失去电子的形成阳离子,获得电子的形成阴离子,两者之间形成离子键
结合单元为离子,电子高度局域化分布在离子实的附近,形成稳定的球对称性的电子壳层结构
离子晶体的模型:正、负离子——刚球
离子晶体结合力
吸引力:库仑作用
排斥力:靠近到一定程度,由于泡利不相容原理,两个离子的闭合壳层电子云的交迭产生强大的排斥力
排斥力和吸引力相互平衡时,形成稳定的离子晶体
一种离子的最近邻离子为异性离子
离子晶体的配位数:最多只能是8
离子晶体结合的稳定性: 导电性能差、熔点高、硬度高和膨胀系数小
2-1 离子性结合的种类
配位数8,简单立方嵌套:CsCl、 TlBr、 TlI
配位数6,面心立方嵌套:NaCl、KCl、AgBr、PbS
配位数4,面心立方嵌套:ZnS
2-1 配位数和粒子半径比的关系
半径比(r+/r-)
配位数
配位粒子构型
<
2
直线
~
3
平面三角形
~
4
四面体
~
6
八面体
~
8
立方体
>
12
截角立方体
思考:半径比如何计算而来?
思考:哪几种情况不可能出现在离子晶体中?为什么?
2-1 原理:系统内能表达
晶体内能: 所有离子之间的相互吸引库仑能和电子云重叠排斥能之和
以NaCl晶体为例,r :相邻正负离子的距离
单个离子的平均库仑能
:正/负离子库伦势能
求和:所有该离子以外的离子对其产生的库伦能
:该离子以外的离子为正或负产生的差别
因子1/2:库仑相互作用能为两个离子所共有
为正整数
2-1 原理:系统内能表达
一个原胞有一个正离子和一个负离子,其原胞的能量
令
马德隆常数,取决于晶体结构
几种常见的晶体晶格的马德隆常数
NaCl
CsCl
ZnS



思考:为什么库伦能是吸引作用?
2-1 原理:系统内能表达
相邻两个离子因电子云有显著重叠时的排斥能
排斥能的经验表达:前一种更能体现出排斥力随 r 减小而陡峻上升的特点;为了便于分析,采取后一种
NaCl:只计近邻离子,每个原胞平均排斥能
晶体中有N个原胞,系统的内能
其中
吸引能:物理定律排斥能:经验表达
2-1 原理:平衡时的晶格常数
原子能结合为晶体的根本原因:原子结合形成晶体后,系统具有更低的能量
形成晶体时,放出能量W,称W为结合能
以分散原子构成系统的内能为零,-W就是晶体系统内能
内能与晶体体积(离子间距)有关
2-1 原理:平衡时的晶格常数
不考虑热效应,外界作功等于系统内能增量
平衡:一般条件下晶体只受大气压的作用,可忽略,则
求解其中
得NaCl离子间距
NaCl原胞体积
NaCl晶体体积
思考:dV为何可用dr代替?
2-1 原理:结合能和体变模量
由,得系统结合能
体变模量
平衡状态下
消去A、B,得
利用实验测得的晶格常数r0和体变模量K,可以确定排斥力中的参数 n,进而推测晶体结合能/内能