固體物理學(xué)：第二章 晶體的結(jié)合

1、第二章 晶體的結(jié)合,2.1晶體結(jié)合的普遍特征 一、結(jié)合力的普遍性質(zhì) 晶體的結(jié)合由于粒子間吸引、排斥達到平衡 兩粒子間的互作用勢,庫侖引力勢,異性電荷庫侖吸引,庫侖排斥勢 泡利排斥勢,同性電荷庫侖排斥 泡利原理,兩粒子間的互作用勢,兩粒子間的互作用力,當 r=無窮遠 無互作用 r=rm時，吸引力最大 rr0，排斥力吸引力 r=r0時，f (r0)=0，排引力吸斥力 Uc最小 r吸引力,二、晶體系統(tǒng)互作用勢U（內(nèi)能函數(shù),晶體互作用勢等于粒子間互作用勢之和,忽略表面粒子與體內(nèi)粒子的不同 晶體的互作用勢,晶體互作用力,U(r,V,V,F(V,V0,三、內(nèi)能函數(shù)與晶體的物理性質(zhì),1、內(nèi)能函數(shù)與晶體結(jié)合能

2、 結(jié)合能：在絕對零度時，自由粒子系統(tǒng)的 能量EN與穩(wěn)定晶體的能量E0之差EN -E0. 結(jié)合能大，晶體粒子間結(jié)合較強。 當T=0， EN =0，結(jié)合能：U0= - U(V0) 此時，結(jié)合能等于晶體內(nèi)能,自由粒子,晶體,釋放能量,提供能量,2、內(nèi)能函數(shù)與平衡體積、晶格常數(shù) V=V0 時， U(V)最小,V0,a,3、內(nèi)能函數(shù)與體彈性模量,彈性模量： 4、內(nèi)能函數(shù)與電負性 電負性：原子得到一個電子的能力。 在元素周期表中，同一周期從左到右電負性增強；同一族從上到下電負性減弱。 * 兩原子電負性相差較大易形成離子鍵 * 兩原子電負性相差較小易形成共價鍵,2.2 離子鍵與離子晶體,一、離子鍵、離子晶體

3、 1、離子鍵：電負性小的金屬原子失去電子成為正離子，電負性大的非金屬原子得到電子成為負離子，正負離子吸引、排斥力相等，形成穩(wěn)定離子鍵。 2、離子晶體：由離子鍵結(jié)合成的晶體,二、離子晶體的結(jié)合能,1、一對離子的互作用勢,2、有N個離子晶體的結(jié)合能 離子價為的N個離子，第 i 個離子和 第 j個離子間的互作用勢,第 i 個離子與其它 N-1個離子間的互作用勢,忽略表面與體內(nèi)離子的差異 N個離子的晶體互作用勢,設(shè) R是最近鄰間距,N個離子的晶體互作用勢,其中 馬德隆常數(shù)，由晶體結(jié)構(gòu)決定 NaCl 型結(jié)構(gòu) =1.747558， CsCl 型結(jié)構(gòu) =1.76267， B 晶格參數(shù)，由晶體結(jié)構(gòu)決定 n 玻

4、恩指數(shù)， NaCl n=7.9, KCl n=9.62, ZnS n=5.4 在平衡狀態(tài) R=R0（平衡間距,3、平衡體積V0與平衡時最近鄰間距R0 （1）NaCl型 （2）非NaCl型,V0一個慣用元胞體積 N 一個慣用元胞內(nèi)原 子數(shù) 修正因子，由晶體 而定,4、U（R）的應(yīng)用,三、離子晶體的特點 熔點高、硬度強、電解電導(dǎo)、配位數(shù)高,4、離子晶體的結(jié)合能,每對離子間的結(jié)合能,2.3 共價鍵與共價晶體 一、共價鍵：電負性相等或相近原子共用一對自旋相反的電子形成的化學(xué)鍵。（強鍵） 成鍵態(tài)：兩電子自旋反平行， 電子云在兩原子之間， 兩原子相互吸引。 反鍵態(tài)：兩電子自旋平行， 電子云在原子兩邊， 兩

5、原子相互排斥。 1、共價鍵的飽和性：自旋相反的一對電子配對后，不再與第三個電子配對,反鍵態(tài),成鍵態(tài),U,r,r0,C 原子的電子組態(tài),1S22S22P2,典型共價鍵晶體金剛石,雜化軌道的特點是它們的電子云分別集中在四面體的4個頂角方向,雜化”:同一個原子（例如C原子）的能量相近的各個原子軌道平均混合成一組新的原子軌道的過程。雜化后的一組新軌道（仍是原子軌道），叫做“雜化軌道,sp3雜化: 一個s軌道和三個p軌道雜化成四個sp3雜化軌道,飽和性（泡利原理,方向性（指向電子云 密度最大,共價鍵特點,2、共價鍵的方向性：由原子核指向電子云密度最大的方向,C 原子之間結(jié)合方式正四面體,二、原子晶體及其

6、特點 1、原子晶體：由共價鍵結(jié)合成的晶體。 2、原子晶體的特點：低配位數(shù)、熔點高、硬度大；電導(dǎo)率低，但某些雜質(zhì)（As、P、B等）進入后，電導(dǎo)率將隨之增加,2.4 金屬鍵與金屬晶體,一、金屬鍵：電負性較小的金屬原子失去價電子，形成離子實，價電子均勻分布在離子實之間，金屬鍵就是靠共有化價電子和離子實之間的相互作用而形成的。金屬鍵無飽和性和方向性（強鍵）。 二、金屬晶體及特點 1、金屬晶體：由金屬鍵結(jié)合成的晶體。 2、金屬晶體的特點：多采用密堆積，配位數(shù)高，良導(dǎo)體，熔點高,立方密積 CN=12 Cu Ag Au Al 六角密積 CN=12 Mg Zn,2.5 范德瓦爾斯鍵與分子晶體,一、范德瓦爾斯鍵：分子電偶極矩的互作用力形成。（弱鍵,e,瞬時吸引,瞬時排斥,瞬時電偶極矩的形成,二、分子晶體及其特點 1、分子晶體：由范德瓦爾斯鍵結(jié)合成的晶體,2、分子晶體的特點：常采用密堆積結(jié)構(gòu)（多為 惰性氣體），配位數(shù)較大 熔點低，硬度小,2.6 氫鍵晶體與混合晶體 1、氫鍵：在一定的條件下，