232425黃昆固體物理教案

1、 2.3 金屬性結(jié)合; 2.4 范德瓦耳斯結(jié)合; 2.5 元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律性1. 教學(xué)目的和要求: 通過(guò)講解使學(xué)生理解并掌握金屬性結(jié)合和范德瓦耳斯結(jié)合；理解元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律性2教學(xué)重點(diǎn)：金屬性結(jié)合和范德瓦耳斯結(jié)合。3教學(xué)難點(diǎn)：范德瓦耳斯結(jié)合。4講授時(shí)間：45分鐘。5講授方式：PPT文檔。6作業(yè)：學(xué)生課后復(fù)習(xí)。一金屬性結(jié)合（1）金屬性結(jié)合的概念第I族、第II族元素及過(guò)渡元素都是典型的金屬晶體，它們的最外層電子一般為12個(gè)。組成晶體時(shí)每個(gè)原子的最外層電子為所有原子所共有，因此在結(jié)合成金屬晶體時(shí)，失去了最外層（價(jià)）電子的原子實(shí)“沉浸”在由價(jià)電子組成的“電子云”中。如圖XCH002

2、_004所示。 這種情況下，電子云和原子實(shí)之間存在庫(kù)侖作用，體積越小電子云密度越高，庫(kù)侖相互作用的能愈低，表現(xiàn)為原子聚合起來(lái)的作用。 （2）金屬晶體結(jié)合力金屬晶體結(jié)合力：主要是原子實(shí)和電子云之間的靜電庫(kù)侖力，對(duì)晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有特殊的要求，只要求排列最緊密，這樣勢(shì)能最低，結(jié)合最穩(wěn)定。因此大多數(shù)金屬具有面心立方結(jié)構(gòu)，即立方密積或六角密積，配位數(shù)均為12。 立方密積（Cu、Ag、Au、Al）（面心立方結(jié)構(gòu)）（配位數(shù)12） 六角密積(Be、Mg、Zn、Cd) 體心立方結(jié)構(gòu)(Li、Na、K、Rb、Cs、Mo、W)（配位數(shù)8） 良好的導(dǎo)電本領(lǐng)，結(jié)合能比前面兩種晶體要低一些，過(guò)渡金屬的結(jié)合能較大。 晶體的平衡是

3、依靠庫(kù)侖作用力和一定的排斥力而維持的。 排斥來(lái)自兩個(gè)方面 (a) 但體積減小，電子云的密度增大，電子的動(dòng)能將增加 (b) 當(dāng)原子實(shí)相互接近到一定的距離時(shí)，它們的電子云發(fā)生顯著的重疊，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的排斥作用。 金屬性結(jié)合對(duì)原子的排列沒(méi)有特殊的要求，這使得容易造成原子排列的不規(guī)范性，使其具有很大的范性。 二范德瓦耳斯結(jié)合（1）范德瓦耳斯結(jié)合的概念元素周期表中第VIII族（惰性）元素在低溫下所結(jié)合成的晶體，是典型的非極性分子晶體。為明確起見(jiàn)，我們只介紹這種分子晶體。 惰性元素最外層的電子為8個(gè)，具有球?qū)ΨQ的穩(wěn)定封閉結(jié)構(gòu)。但在某一瞬時(shí)由于正、負(fù)電中心不重合而使原子呈現(xiàn)出瞬時(shí)偶極矩，這就會(huì)使其它原子產(chǎn)生感

4、應(yīng)極矩。非極性分子晶體就是依靠這瞬時(shí)偶極矩的互作用而結(jié)合的，這種結(jié)合力是很微弱的。1873年范德瓦耳斯（Van der Waals）提出在實(shí)際氣體分子中，兩個(gè)中性分子間存在著“分子力”。當(dāng)時(shí)他并沒(méi)有指出這力的物理本質(zhì)，現(xiàn)在知道瞬時(shí)偶極矩引起的力是分子力的一種。如圖XCH002_005所示。 （2）范德瓦耳斯結(jié)合的特征惰性元素因具有球?qū)ΨQ，結(jié)合時(shí)排列最緊密以使勢(shì)能最低，所以Ne、Ar、Kr、Xe的晶體都是面心立方結(jié)構(gòu)。它們是透明的絕緣體，熔點(diǎn)特低，分別為24K、84K、117K和161K。 （3）范德瓦耳斯結(jié)合的能量?jī)蓚€(gè)惰性原子之間的相互作用勢(shì)能 兩個(gè)相距為r的原子，雖然電子是對(duì)稱分布，但在某個(gè)

5、瞬時(shí)具有電偶極矩。 設(shè)原子1的瞬時(shí)電偶極矩：，在r處產(chǎn)生的電場(chǎng)，原子2在這個(gè)電場(chǎng)的作用下將感應(yīng)形成偶極矩：，a為原子的極化率。 兩個(gè)電偶極子之間的相互作用能：相互作用能與的平方成正比，對(duì)時(shí)間的平均值不為零。這種力隨距離增加下降很快，兩個(gè)原子之間的相互作用很弱。 靠范德瓦耳斯力相互作用結(jié)合的兩個(gè)原子的相互作用勢(shì)能可以表示為：其中為重疊排斥作用勢(shì)能，A和B為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，都是正數(shù)。 引入新的參量：并且有 ，勒納瓊斯（Lennard-Jones）勢(shì) 晶體的（N個(gè)原子）總的勢(shì)能：（ 根據(jù)勢(shì)能函數(shù)的最小值可以確定晶格常數(shù)、結(jié)合能和體變模量。 三元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律性一種晶體采取何種基本結(jié)合方式取決于原子束縛電子能力的強(qiáng)弱。原子的負(fù)電性是用來(lái)標(biāo)志原子得失電子能力的物理量。 Mul