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材料物理导论课程 习题与参考答案 Problems as exercises and the keys for reference for students to digest the fundamental conceptions involved in Introduction to Materials Physics July 2nd, 201X 第一章 固体的化学键与结构 1. What is the physical nature of chemical bonds, how many kinds of chemical bonds may be involved in solids and what are their main characteristics? A:化学键的本质是组成物质的原子、离子和分子之间的相互作用。固体材料中化学键主要有： 离子键，共价键，金属键和弱键（范德华力和氢键）。 1）离子键是正负离子之间的静电相互作用。 2）共价键是两个成键原子各自提供一个未成对电子，形成一对共享电子对而构成价键轨道， 其特点是具有饱和性和方向性。 3）金属键是金属离子和游移于其间的自由电子之间的相互作用，其特点是没有饱和性和方向 性，自由电子属于整块金属。 4）弱键：a）范德华力－分子间偶极矩之间的相互作用。这种相互作用一般很弱，不超过几 十 kJ/mol。b）氢键：一个分子中H 原子与另一个分子中电负性较高的原子间形成的弱 键。由于电负性差异，氢原子核外电子因被吸引而偏离，呈现正电性，强负电性原子吸引 电子而呈负电性，从而相互作用形成了氢键。氢键是弱键中的强者，键能21~40kJ/mol。 2. What does it mean by symmetry and symmetrical operation for an object of definite shape and size? A: 物体对称性是指将物体进行某种对称操作变换，而保持其形状不变的性质。所谓对称操作 则是指不改变物体内部任何两点的相对位置关系而使物体复原的操作，具体包括：旋转，镜 面反映，中心反演等。 3. What is the general relationship between structural symmetry and structural orderliness? A:结构对称性和有序度都是用以描述物质结构内部质点排列规律性的概念。结构对称性的变 化是突变的，即对于某一对称元素，物质要么有要么没有，没有介于两者之间的过渡状态； 结构有序度是从统计的角度描述结构排列的规律性，其变化可以是连续的。一般而言，高的 对称性对应于低的有序性，低的对称性对应于高的有序性。 4. What does it mean by the breaking of symmetry? Give an example and explain it. A: 对称破缺是指具有一定对称性的结构在经历相转变的过程中，某些原有对称元素突变性丧 失的现象。例如，一些晶态合金材料中原子占位的有序－无序转变所伴随的对称性突变现象， 铁磁、铁电性材料中磁矩或自发极化矢量排列的有序－无序转变现象等。 5. What is the physical nature of the structural order-disorder transformation? A:有序－无序转变的物理根源是能与熵的竞争结果。热力学中定义体系自有能的变化为： ΔF =ΔU −TΔS ，其中ΔU 为体系内能的变化，而ΔS 为体系的熵变，熵表征的是体系无序 度。有序－无序转变的推动力是体系自有能的变化，所以能和熵的角逐确定了自由能的大小， 进而决定了有序－无序变化转变的方向。当温度较低时，ΔU 对自由能的贡献大，能量的效 果是在低温产生有序相，而高温时