固体物理21固体的结合课件.ppt

1、电磁力四种基本相互作用万有引力强相互作用弱相互作用只存在基本粒子当中对宏观物体可以忽略库伦相互作用晶体的结合力原子原子核核外电子芯电子价电子离子实2.1固体的结合力固体固体难以拉伸难以拉伸原子间存在吸引力原子间存在吸引力（长程力）（长程力）固体固体难以压缩难以压缩原子间存在排斥力原子间存在排斥力 （短程力）（短程力）晶体结构稳定晶体结构稳定 原子间相互作用的势能取最小值原子间相互作用的势能取最小值原子或离子间的相互作用原子或离子间的相互作用 或或 结合的性质结合的性质与固体与固体材料的结构和物理、化学性质有密切关系，是研材料的结构和物理、化学性质有密切关系，是研究固体材料性质的重要基础！究固体

2、材料性质的重要基础！中性原子失去中性原子失去1个电子成为个电子成为+1价离子时所需要的能价离子时所需要的能量为第一电离能，从量为第一电离能，从+1价离子再移去一个电子所需的价离子再移去一个电子所需的能量为第二电离能。能量为第二电离能。为第一电离能其中AzAze电离能代表原子失去电子的能力。电离能越电离能代表原子失去电子的能力。电离能越大，原子对价电子的束缚能力越强。大，原子对价电子的束缚能力越强。2.1.1.电离能e14.5NaeVNa5.14eV-电离能2.1.2.电子亲和能eVClCl61.3e13.61 eV-电子亲合能电子亲合能。电子亲和能代表原子得到电子的能力。电子亲和能代表原子得到

3、电子的能力。2.1.3.结合能eV9.7ClNaClNa晶体结合能2.1.4.电负性-描述得失电子的能力电负性电负性=0.18(电离能电离能+亲和能亲和能)密里根定义：泡林值：相对电负性Li：1.0指定F电负性:4.0,根据热化学数据和分子的键能)X-(X5.96)()()(BA2/1BBEAAEBAE)XB-(XAIAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBLi1.0Na0.9K0.8Be1.5Mg1.2Ca1.0B2.0Al1.5Ga1.5C2.5Si1.8Ge1.8N3.0P2.1As2.0O3.5S2.5Se2.4F4.0Cl3.0Br2.8电负性电负性周期表由上到下，电负性逐渐弱；周期

4、表由上到下，电负性逐渐弱；周期表越往下，一个周期内电负性的差别也越小。周期表越往下，一个周期内电负性的差别也越小。对比下表各个周期对比下表各个周期,可看出以下两个特性：可看出以下两个特性：IA、IIA、IIIB负电性低的元素对电子束缚较弱，负电性低的元素对电子束缚较弱，价电子易于摆脱原子束缚成为共有化电子，因此在形成价电子易于摆脱原子束缚成为共有化电子，因此在形成晶体时便采取典型的金属结合。晶体时便采取典型的金属结合。IVB、VB具有较强的负电性，它们束缚电子的具有较强的负电性，它们束缚电子的能力较强，适于形成共价结合。能力较强，适于形成共价结合。周期表左端的元素负电性弱，易于失去电子；而周期

5、表左端的元素负电性弱，易于失去电子；而右端的元素负电性强，易于获得电子，因此它们形成右端的元素负电性强，易于获得电子，因此它们形成离子晶体。离子晶体。按按合力不合力不同同1 1离子晶体离子晶体离子键结合离子键结合2 2共价晶体共价晶体共价键结合共价键结合3 3金属晶体金属晶体金属键结合金属键结合4 4分子晶体分子晶体分子键（范分子键（范德瓦尔斯键）结合德瓦尔斯键）结合5 5氢键晶体氢键晶体氢键结合氢键结合五种基本类型五种基本类型离子晶体举例离子晶体举例典型的离子晶体结构典型的离子晶体结构：和和结构结构碱金属元素碱金属元素Li,Na,K,Rb,Cs 卤族元素卤族元素 F,Cl,Br,I形成的化合

6、物形成的化合物两种元素对价电子两种元素对价电子的束缚程度不同。的束缚程度不同。2.2.2 2.2.2 离子性结合的特点特点 结合单元结合单元:正、负离子正、负离子.结构的要求结构的要求:u正、负离子相间排列，即一种离子的最近邻离正、负离子相间排列，即一种离子的最近邻离子为异号离子；子为异号离子；u每个离子具有球对称满电子壳层结构每个离子具有球对称满电子壳层结构.结合力的本质结合力的本质：正、负离子的静电相互作用力正、负离子的静电相互作用力.特性：特性：离子晶体结合牢固，无自由电子离子晶体结合牢固，无自由电子.以以NaCl NaCl 为例，在凝聚成固体时，为例，在凝聚成固体时，NaNa原子失去价

7、原子失去价电子，电子，Cl Cl 获得了电子，形成离子键。获得了电子，形成离子键。以离子为结合单元，正负离子的电子分布高以离子为结合单元，正负离子的电子分布高度局域在离子实的附近，形成稳定的度局域在离子实的附近，形成稳定的球对称球对称性性的满电子壳层结构。的满电子壳层结构。离子晶体的结合力：离子晶体的结合力：正、负离子之间靠正、负离子之间靠库仑吸引力库仑吸引力作用而相互靠近，当靠近到两个离子的电子云发生作用而相互靠近，当靠近到两个离子的电子云发生显著重叠时，由于泡利不相容原理，会产生强大的显著重叠时，由于泡利不相容原理，会产生强大的排斥力。当排斥力和吸引力相互平衡时，形成稳定排斥力。当排斥力和

8、吸引力相互平衡时，形成稳定的离子晶体。的离子晶体。黄球黄球 :钠离子钠离子(Na(Na+)绿球绿球 :氯离子氯离子(Cl(Cl-)在氯化钠晶体中，钠离子与氯在氯化钠晶体中，钠离子与氯离子通过离子键相结合离子通过离子键相结合uNaClNaCl只是代表氯化钠晶体中钠离子的个数和只是代表氯化钠晶体中钠离子的个数和氯离子的个数为氯离子的个数为1:11:1红球红球表示铯离子表示铯离子(Cs(Cs+)黄球黄球表示氯离子表示氯离子(Cl(Cl-)铯离子与氯离子通过离子键铯离子与氯离子通过离子键相结合。相结合。CsClCsCl只是代表氯化钠晶体中铯离子的个只是代表氯化钠晶体中铯离子的个数和氯离子的个数为数和氯

9、离子的个数为1:11:1 宏观上表现出宏观上表现出:电子不容易脱离离子，离子也电子不容易脱离离子，离子也 不容易离开格点位置不容易离开格点位置;但在高温下离子可以离开正常但在高温下离子可以离开正常的格点位置并参与导电的格点位置并参与导电!熔点较高熔点较高硬度较大硬度较大导电性弱导电性弱结合力强结合力强2.2.3离子晶体特点：离子晶体特点：氯化钠型氯化钠型(NaCl、KCl、AgBr、PbS、MgO)(配位数配位数6)氯化铯型氯化铯型(CsCl、TlBr、TlI)（配位数（配位数8）离子结合成分较大的半导体材料离子结合成分较大的半导体材料ZnS 等（配位数等（配位数4）C.N(coordinat

10、ion number)离子晶体的配位数最多只能是离子晶体的配位数最多只能是8 8大多数离子晶体对可见光是透明的；在远红外区有大多数离子晶体对可见光是透明的；在远红外区有一特征吸收峰一特征吸收峰.191 1 举例：举例：、和过渡族元素和过渡族元素2 2 特点：特点：基本特点基本特点：Na+Na+Na+Na+Na+金属性结合示意图金属性结合示意图价电子不再束缚在原子上，而在整价电子不再束缚在原子上，而在整个晶体中运动，原子实个晶体中运动，原子实(正离子实正离子实)浸泡在价电子组成的浸泡在价电子组成的“电子云电子云”中。中。电子的电子的“”它们的最外层电子一般为它们的最外层电子一般为1-2 1-2

11、个个.2.3金属晶体金属晶体20离子实和电子云之间的库仑相互作用离子实和电子云之间的库仑相互作用结合力本质：结合力本质：使整个金属结使整个金属结合在一起！合在一起！晶体平衡：晶体平衡：依靠库仑作用力和一定的排斥力而维持依靠库仑作用力和一定的排斥力而维持!排斥作用排斥作用两个来源两个来源 V V,共有化电子密度共有化电子密度动能动能 原子实相互接近原子实相互接近到一定的距离时到一定的距离时，电子云显著重叠电子云显著重叠 强烈排斥作用强烈排斥作用.21结构要求结构要求:对晶格中原子排列的具体形式无特殊要求对晶格中原子排列的具体形式无特殊要求 -体积效应体积效应(只要求排列最紧密只要求排列最紧密)；

12、排列的愈紧密，排列的愈紧密，CoulombCoulomb能愈低能愈低,结合结合愈稳定愈稳定 取最紧密排列结构取最紧密排列结构面心立方结构面心立方结构立方密积（立方密积（CuCu、AgAg、AuAu、AlAl）六角密积结构六角密积结构(Be、Mg、Zn、Cd)体心立方结构体心立方结构(Li、Na、K、Rb、Cs、Mo、W)CN=12CN=822很大的范性（可经受相当大的范性变形）很大的范性（可经受相当大的范性变形）金属性结合对原子的排列没有特殊的要求，这使得容易造成晶体内部原子排列的不规则性晶体内部原子排列的不规则性，使其具有很大的范性。金属材料易于机械加工！金属材料易于机械加工！性能：性能：高

13、的导电性高的导电性导热性导热性金属光泽金属光泽共有化电子可以在整共有化电子可以在整个晶体内自由运动个晶体内自由运动23特点：特点：形成晶体的两原子相互接近时，各提形成晶体的两原子相互接近时，各提 供一个电子，它们具有相反的自旋。供一个电子，它们具有相反的自旋。这样一对为这样一对为两原子所共有两原子所共有的的自旋相反自旋相反配配 对的电子结构对的电子结构 共价键共价键2.4共价晶体共价晶体24 如果两电子如果两电子自旋方向相同自旋方向相同：泡利不相容原理使：泡利不相容原理使 两个原于互相排斥两个原于互相排斥 不能形成分子不能形成分子两个氢原子各有一个两个氢原子各有一个1s1s态的电子态的电子 自

14、旋可取两自旋可取两个可能方向之一个可能方向之一当两个氢原子接近时当两个氢原子接近时H H2 2分子中电子云的等密度线图分子中电子云的等密度线图25当两个电子当两个电子自旋方向相反自旋方向相反：电子在两核之间的区域有较大的电子云密度，电子在两核之间的区域有较大的电子云密度，它们与两个核同时有较强的吸引作用它们与两个核同时有较强的吸引作用两个电子为两个核所共有，在两个原子周围都两个电子为两个核所共有，在两个原子周围都形成稳定的满壳层结构形成稳定的满壳层结构 共价键共价键把两个核结合在一起形成一个氢分子把两个核结合在一起形成一个氢分子H H2 2分子中电子云分子中电子云的等密度线图的等密度线图26和

15、和 饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键。饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键。一个电子与另一个电子配对以后就一个电子与另一个电子配对以后就不能不能 再与第三个电子成对；再与第三个电子成对；同一原子中自旋相反的两个电子同一原子中自旋相反的两个电子也不能也不能 与其他原子的电子配对形成共价键与其他原子的电子配对形成共价键.注意：注意：当原子的电子壳层不到半满时当原子的电子壳层不到半满时 所有电子所有电子 自旋都是未配对的自旋都是未配对的成键数目成键数目=价电子数价电子数27方向性：只在某特定方向上形成共价键。方向性：只在某特定方向上形成共价键。即只在即只在电子云交叠最大的特定方向电子云交

16、叠最大的特定方向上上形成共价键形成共价键.当原子的电子数为半满或超过半满时当原子的电子数为半满或超过半满时 泡利泡利 原理原理 部分电子必须自旋相反配对部分电子必须自旋相反配对成键数目成键数目=8-N28性能：性能：具有很高的熔点和很高的硬度具有很高的熔点和很高的硬度 例：金刚石是目前所知道的最硬的晶体例：金刚石是目前所知道的最硬的晶体共价键饱和共价键饱和性和方向性性和方向性弱导电性：弱导电性：价电子定域在共价键上价电子定域在共价键上,一般属于绝缘体或半导体一般属于绝缘体或半导体共价结合的键合能相当强共价结合的键合能相当强291.1.分子晶体分子晶体：由具有封闭满电子壳层结构的原子：由具有封闭

17、满电子壳层结构的原子或分子组成的晶体称为分子晶体。或分子组成的晶体称为分子晶体。2 2 举例：举例：a)a)满壳层结构的惰性气体满壳层结构的惰性气体He,Ne,Ar,Kr,Xe He,Ne,Ar,Kr,Xe 非极性非极性(原子正负电荷重心重合原子正负电荷重心重合)b)b)价电子已用于形成共价键的具有稳定电子结价电子已用于形成共价键的具有稳定电子结 构的分子构的分子 NH3,SO2 在低温下形成晶体在低温下形成晶体有极性有极性(正负电荷重心不重合正负电荷重心不重合)30范德瓦尔斯力是分子间的范德瓦尔斯力是分子间的偶极矩作用偶极矩作用，是分子，是分子间作用力的间作用力的 一种。一种。范德瓦尔斯（范

18、德瓦尔斯（Van der WaalsVan der Waals）力）力通过范德瓦尔斯力作用结合而成通过范德瓦尔斯力作用结合而成具体有：具体有：l非极性分子非极性分子：瞬时偶极矩之间的作用力；：瞬时偶极矩之间的作用力；l极性分子极性分子：固有电偶极矩间的静电力；：固有电偶极矩间的静电力；l极性分子的电偶极矩与其在非极性分子上诱导产极性分子的电偶极矩与其在非极性分子上诱导产生的偶极矩之间的作用力。生的偶极矩之间的作用力。H2OO2-O2-H+H+H+H+H键的形成，HF，H3N六边形雪花：冰晶体H键在生物体中DNA：双螺旋,C、H、O、N、P(骨架)，碱基配对。维持双螺旋结构的力就是H键。石墨石墨 层状结构（二维）层状结构（二维）