第二十二章分子與固體

cm10-10m10-14m10-15mu<10-19m10-9m物質(zhì)分子原子核子夸克k重子電子<10-19m質(zhì)子、中子、介子等t,b,c,s,u,d夸克化學原子物理核物理粒子物理(強子)(輕子)液態(tài)物質(zhì)氣態(tài)固態(tài)晶體(crystallinesolid)

非晶體(amorphoussolid)準晶體物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次分子或原子嚴格按周期性排列分子或原子的排列完全無序介于晶體與非晶體之間目前一頁\總數(shù)二十三頁\編于五點

22－1化學鍵*

22－2晶體結(jié)構(gòu)*

22－3能帶理論*第二十二章分子與固體

22－4導體絕緣體半導體*目前二頁\總數(shù)二十三頁\編于五點

化學鍵(chemicalbond)：原子間存在的一種相互吸引、能把原子結(jié)合成分子的相互作用。

鍵能

(bondenergy)：化學鍵形成時所釋放德能量。

解離能：破壞化學鍵所需德能量。設XA和XB分別表示A、B兩種原子德最外層電子數(shù)則：離子鍵共價鍵

22－1

化學鍵*目前三頁\總數(shù)二十三頁\編于五點一、共價鍵

(covalentbond)共價鍵：原子間通過共享電子而產(chǎn)生的化學結(jié)合作用。

1916年，美國科學家Lewis提出共價鍵理論。

1927年，美籍德國物理學家Heitler和美籍波蘭物理學家London用量子力學處理H2氣分子，解決了兩個氫原子之間化學鍵的本質(zhì)問題，使共價鍵理論從經(jīng)典的Lewis理論發(fā)展到今天的現(xiàn)代共價鍵理論。GilbertNewtonLewis1875-1946FritzLondon1900-1954WalterHeitler1904-1981目前四頁\總數(shù)二十三頁\編于五點目前五頁\總數(shù)二十三頁\編于五點3)鍵能與離子鍵的差不多，

150~400kJ/mol

。特點：

1)有方向性，使分子具有特定的幾何形狀；

2)飽和性和短程性；

共價鍵的分類（按共用電子數(shù)）單鍵：兩原子間只共用一對電子，以“－”或“?”表示，如H－H；

雙鍵：兩原子間只共用兩對電子，以“＝”表示，如O=O；三鍵：兩原子間只共用三對電子，以“”表示，如NN。性質(zhì)：

熔點高、質(zhì)硬脆、導電能力差。目前六頁\總數(shù)二十三頁\編于五點二、離子鍵

(ionicbond)WaltherKossel1881-1956離子鍵：借助陰、陽離子間的靜電力而結(jié)合成分子的化學鍵。

離子鍵主要存在于金屬和非金屬原子，金屬或與酸根，金屬或與OH所形成的分子中，如NaCl、KClO3、(NH4)2SO4、NaOH。

1916年德國科學家Kossel提出離子鍵理論。目前七頁\總數(shù)二十三頁\編于五點作用力實質(zhì)是靜電引力，作用強、鍵能大（150~400kJ/mol）；所帶電荷越多，間距越小，鍵能越強。特點：

3.沒有飽和性：只要是正負離子之間，則彼此吸引。

2.無方向性：與任何方向的電性不同的離子相吸引。形成：

性質(zhì)：

熔點和硬度均較高，良好電絕緣體。目前八頁\總數(shù)二十三頁\編于五點三、金屬鍵

(Metallicbond)

電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)。性質(zhì)：

良好導電、導熱性能，金屬光澤和延展性好。特點：

金屬原子最外層電子數(shù)很少，即價電子（valenceelectron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Freeelectron），金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成的鍵合稱為金屬鍵。目前九頁\總數(shù)二十三頁\編于五點四、分子間的作用力JohannesDiderikvanderWaals1837-19231910NobelPrizeinPhysics1)鍵能小，約20kJ/mol；1)極性分子的永久偶極矩之間的相互作用；來源：

2)分子極化產(chǎn)生誘導偶極矩的吸引作用；3)瞬時偶極矩的倫敦力或色散力。范德瓦耳斯力(VanderWaalsforce)：中性分子或原子間德一種弱的電性吸引。特點：2)沒有方向性和飽和性；3)不屬于化學鍵，但可影響物質(zhì)的性質(zhì)。目前十頁\總數(shù)二十三頁\編于五點22－2

晶體結(jié)構(gòu)*WilliamHenryBragg1862-1942WilliamLawrenceBragg1890-1971TheNobelPrizeinPhysics1915主要貢獻：利用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)目前十一頁\總數(shù)二十三頁\編于五點一、晶格的周期性(periodicproperty)（平移對稱性）

絕大部分的金屬材料、半導體材料和絕緣體材料都是晶體。原子或分子在晶體中有規(guī)則地排列著，被稱為“長程有序”，這一規(guī)則排列一般稱為晶體格子，簡稱為晶格。

原子（或分子、離子）在三維空間呈周期性重復排列即存在長程有序。晶體性能上兩大特點：固定的熔點各向異性目前十二頁\總數(shù)二十三頁\編于五點

結(jié)點

(latticepoint)：考察基元在空間排列時，用來表示基元位置的點子。點陣：表示晶體結(jié)構(gòu)中結(jié)點排列規(guī)律的幾何圖形稱為空間點陣。

晶格

(crystallattice)：通過點陣中的結(jié)點，可以作許多平行直線族和平行平面族，這樣得到的許多網(wǎng)格就稱為晶格。基元+點陣=晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)概念

基元(basis)：晶體可看作由完全相同的結(jié)構(gòu)單元在空間規(guī)則地、周期性地排列而構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)單元稱為基元。目前十三頁\總數(shù)二十三頁\編于五點晶格中的格點、晶向與晶面選擇最小六面體，其三邊基矢為l、m、n為整數(shù)。

若晶格平移后，將與原來的晶格相重合。目前十四頁\總數(shù)二十三頁\編于五點二、晶體分類離子晶體

(ioniccrystal)NaCl晶體結(jié)構(gòu)原子晶體

(atomiccrystal)金剛石晶體結(jié)構(gòu)金屬晶體

(metalliccrystal)分子晶體

(molecularcrystal)目前十五頁\總數(shù)二十三頁\編于五點C60結(jié)構(gòu)納米管石墨結(jié)構(gòu)CO2分子晶體目前十六頁\總數(shù)二十三頁\編于五點22－3

能帶理論*能帶的形成——從能級擴展到能帶

當孤立原子相互靠近結(jié)合成晶體時，由于每個原子都受到周圍原子勢的作用，電子不再屬于某個原子，而是在晶體中做共有化運動，這些電子原有的能級分裂成許多子能級，從而擴展成能帶。固體中電子的能量形成能帶原子間距目前十七頁\總數(shù)二十三頁\編于五點能帶的表示方法能帶符號n：能帶序號k：波矢每個能帶內(nèi)有N個準連續(xù)的子能級;每個能級可以填充自旋相反的兩個電子；能帶中允許填充2N個電子。目前十八頁\總數(shù)二十三頁\編于五點滿帶：所有的能級全部為電子填充的能帶空帶：無電子填充的能帶未滿帶：部分能級為電子填充的能帶價帶

(valenceband)：價電子所在能帶，滿帶或未滿帶滿帶未滿帶導帶

(conductiveband)：能帶中的電子具有導電性目前十九頁\總數(shù)二十三頁\編于五點當今，應用能帶理論有可能對晶體的特性參量進行依據(jù)第一性原理的從頭計算，結(jié)果的準確性可令人滿意。這樣的理論計算可作為進一步發(fā)展材料的依據(jù)。凝聚態(tài)物理學，發(fā)展成為成熟的科學，可以從理論上來解釋物質(zhì)的物理性質(zhì)，遂使材料研究的面目大為改觀。當然，炒菜式的材料研究依然進行，但更為重要的是有可能根據(jù)理論的線索來研制和開發(fā)新型材料。

馮端院士——香山科學會議固體物理學凝聚態(tài)物理學有力地推動了新材料、新器件的發(fā)展能帶的意義目前二十頁\總數(shù)二十三頁\編于五點1956NobelPrizeinPhysics主要貢獻：半導體研究和發(fā)明晶體管W.B.Shockley(1910-1989)JohnBardeen(1908-1991)W.H.Brattain(1902-1987)22－4

導體絕緣體半導體*目前二十一頁\總數(shù)二十三頁\編于五點主要貢獻：發(fā)明的快速晶體管、激光二極管和集成電路ZhoresI.Alferov（1930-）1/4HerbertKroemer（1928-）1/4JackS.Kilby（1923-）1/22000N