第二章 晶体的结合幻灯片.pptVIP

第二章晶体的结合 结合类型及相互作用力 概述 原子结合成晶体时，原子的外层电子要重新分布。外层电子的不同分布产生了不同类型的结合力。不同类型的结合力，导致了晶体结合的不同类型。 尽管晶体结合类型不同，但结合力有其共性： 库仑吸引力是原子结合的动力，它是长程力；晶体原子间还存在排斥力，它是短程力；在平衡时，吸引力与排斥力相等。 同种原子，在不同结合类型中有不同的电子云分布，因此呈现出不同的原子半径和离子半径。 原子间存在吸引力和排斥力的宏观反映，就是固体有弹性。固体的弹性形变遵守胡克定律。 几个概念 电离能、电子亲和能和电负性这几个概念，由于在今后的课程学习中还会重新重点提及，所以这里就不多作介绍了。 对于固体物理基础来说，我们只要掌握结合能这个概念就可以了。 目前来说，我们只要掌握了有关固体的基本理论及其基本的分析方法，在今后遇到类似问题就可以轻车熟路的解决了。 第二章 晶体的结合 §2.1 晶体的结合类型 晶体的结合类型 1.离子晶体 ( Ionic Crystal ) 2.原子晶体 ( Covalent Crystal ) 3.金属晶体 ( Metallic crystal ) 4.分子晶体 ( Molecular crystal ) 5.氢键晶体 ( Hydrogen –bonded Crystals ) 6.混合型晶体体 一、离子晶体 二、原子晶体(共价键晶体) 三、金属晶体 四、分子晶体 五、氢键晶体 §2.2 结合力的一般性质一、两个原子间的相互作用 二、晶体的相互作用势能U(r) 三、晶格常数a(或原胞体积v)、体积弹性模量K、抗张强度Pm和结合能的关系 §2.3 非极性分子的结合能一、非极性分子晶体的结合力分析 二、一维非极性分子结合能的计算 三、三维非极性分子晶体互作用势能的计算 四、U(r)的计算及其和K的关系 §2.4 离子晶体的结合能一、离子晶体结合能的计算 §2.5离子半径 有关离子半径，作为大家阅读参考。 其中涉及到一些经验方法，以后大家有机会也许会遇到。 通过这些可以对离子晶体的认识逐步完善。 §2.6 原子晶体的结合一、原子晶体结合的物理本质 杂化轨道理论 泡林与斯莱特（Slater）在1931年提出了杂化轨道理论，解释了金刚石结构中的共价键 .也解释了许多原子晶体的结构问题。 在碳原子结合成金刚石结构时，一个2s电子会被激发到2p态，因此在碳原子中就有四个未配对电子2s、2px、2py、2pz. 由这四个轨道“混合”起来重新组成四个等价的轨道，它们由原子的s、px、py、和pz态叠加而成，这种轨道叫做杂化轨道. 这与实验中金刚石的四个价键等同，键间夹角为109o28’的事实吻合. §2.7晶体的弹性模量 预备知识 1，线性代数 2，张量的定义： 简单的说，是矢量概念与矩阵概念的推广，标量是零阶张量，矢量是一阶张量，矩阵是二阶张量，而三阶张量则好比立体矩阵，更高阶的张量，无法用图像表示。 简介 一、应力 当固体受到外力作用时，固体中的质点偏离原平衡位置；与此同时，固体内部产生一种弹性恢复力。外力撤销后，质点能恢复到原平衡位置的性质，称为固体的弹性。 所谓应力，是指固体受到外力时，内部产生的抵抗形变的弹性恢复力。 二、应变 固体在平动和转动过程中，质点发生了位移，但质点间并未发生位移，这说明位移本身不能用来衡量固体的形变。 固体的形变，指的是介质间发生的相对位移，称之为应变。 三、胡克定律 张量分析以及对称性分析。 弹性动力学方程和弹性波 弹性动力学方程需要用张量算符来表示。 （略） 结论： 晶体中沿着某个方向传播的弹性波，一般有三个模式，如[110]方向，一个纵波，两个横波。 需要指出的是，在某一方向上虽有三种模式的波动，但对于对称性差的晶体，这些弹性波往往不是纯纵波和纯横波，一般是纵波和横波的耦合形式，称为准纵波和准横波。 3.平衡时的结合能 1.自旋方向相同的氢原子的相互作用 如图Ⅰ曲线所示，自旋方向相同的两个氢原子在任何间距时总是排斥的，因此，两个自旋方向相同的氢原子是不可能解合成分子。 1 2 3 4 5 -1.4 -1.6 -1.8 -2.0 -2.2 -2.4 2.自旋方向相反的氢原子的相互作用 如图Ⅱ曲线所示，相互作用和距离有关。 原来不是满壳层的两个氢原子，彼此占据了对方的自旋方向相反的1s电子以后，便都具有了类似氦的稳定的封闭壳层而结合成分子——氢分子形成共价键的物理本质。 3.价键理论(电子配对理论) 价键理论认为：原子中未成对的电子，可以和另一个原子中一个自旋相反的未成