固体物理第6讲离子结合金属结合和范德瓦耳斯结合.pptVIP

* * 第二章 固体的结合 第六讲、离子结合、金属结合和范德瓦耳斯结合 晶体结合的类型： ——离子结合(离子晶体)、共价结合(原子晶体)、金属结合(金属晶体)、范德瓦耳斯结合(分子晶体)、氢键结合(氢键晶体) ? 晶体结合的物理本质 固体结合的基本形式与固体材料的结构、物理和化学性质的密切联系 § 2.1 离子性结合 I 族碱金属元素 —— Li、Na、K、Rb、Cs VII 族的卤族元素 —— F、Cl、Br、I 结合为离子晶体 —— NaCl， CsCl等 半导体材料 —— CdS、ZnS 1. 离子晶体结合的特点 CsCl晶体 —— Cs原子失去电子，Cl获得电子，形成离子键 —— 离子为结合单元，电子分布高度局域在离子实的附近，形成稳定的球对称性的电子壳层结构 ? 离子晶体的模型：正、负离子 —— 刚球 ? 离子晶体结合力 —— 库仑吸引力作用 —— 排斥力_靠近到一定程度，由于泡利不相容原理，两个 离子的闭合壳层电子云的交迭产生强大的排斥力 —— 排斥力和吸引力相互平衡时，形成稳定的离子晶体 ? 一种离子的最近邻离子为异性离子 ? 离子晶体的配位数最多只能是8（例如CsCl晶体） 离子晶体结合的稳定性 —— 导电性能差、熔点高、 硬度高和膨胀系数小 氯化钠型 —— NaCl、KCl、AgBr、PbS、MgO (配位数6) 氯化铯型 —— CsCl、 TlBr、 TlI（配位数8） 离子结合成分较大的半导体材料ZnS等（配位数4） 2. 离子晶体结合的性质 1) 系统内能的计算 晶体内能 —— 所有离子相互吸引库仑能和重叠排斥能之和 以NaCl晶体为例，r —— 相邻正负离子的距离 ? 一个正离子的平均库仑能 —— 求和遍及所有正负离子 —— 因子1/2：库仑相互作用能为两个离子所共有 —— 正整数 正离子的平均库仑能 ? 一个负离子的平均库仑能 —— 求和遍及所有正负离子 —— 因子1/2：库仑相互作用能为两个离子所共有 ? 一个原胞有两个离子，其原胞的能量 令 — ? 马德隆常数 取决于晶体的结构 几种常见的晶体晶格的马德隆常数 离子晶体 NaCl CsCl ZnS 马德隆常数 1.748 1.763 1.638 相邻两个离子因电子云有显著重叠时的排斥能 NaCl —— 计近邻离子排斥作用，每个原胞平均排斥能 ? 晶体中有N个原胞，系统的内能 2) 平衡时晶体的体积和晶格常数 原子形成晶体以后，系统具有更低的能量 ——如果是分散排列的原子构成的系统，其内能为零，当形成周期性的晶体时内能降低，放出能量W，称W为结合能。 －W —— 结合成晶体后系统的内能 一般条件下, 晶体只受大气压的作用，对晶体体积的影响很小 不考虑热效应，外界作功等于系统内能增量 —— W= - U(V0) —— 如果已知晶体的内能，根据极值条件来确定晶体平衡时的体积和晶格常数 NaCl晶体的内能 晶格常数 NaCl的晶格常数 NaCl原胞体积 NaCl晶体体积 3) 晶体的体变模量和结合能 体变模量 平衡状态 利用 体变模量 体变模量 —— 实验测得的晶格常数r0和体变模量K，由上式可以确定排斥力中的参数 n 晶体的结合能 利用 § 2.3 金属性结合 I族、II族元素及过渡元素 —— 典型的金属晶体，最外层电子一般为1~2个 组成晶体时每个原子最外层电子为所有原子所共有 电子云和原子实的作用 —— 库仑作用 体积越小电子云密度越高，库仑相互作用的能愈低，表现为原子聚合起来的作用 原子实 —— 沉浸在电子云 价电子 —— 电子云 ? 金属晶体结合力 —— 原子实和电子云之间的库仑力，无特殊要求，要求排列最紧密，势能最低，结合最稳定 大多数金属 —— 面心立方结构 —— 六角密排 —— 面心立方晶格和六角晶格，配位数为12 ? 面心立方晶格 —— Cu、Ag、Au、Al、…… ? 六角晶格 —— Be、Mg、Zn、Cd、…… ? 体心立方 —— Li、Na、K、Rb、Cs、Mo 、……(配位数8) 金属 —— 良好的导电本领 —— 结合能比离子结合和共价结合要低一些 —— 过渡金属结合能较大 ? 晶体的平衡 —— 依靠库仑作用力和一定的排斥力 —— 体积减小，电子云的密度增大，电子的动能将增加 —— 原子实相互接近到一定的距离时，它们的电子云发生 显著的重叠，将产生强烈的排斥作用 —— 金属性结合对原子的排列没有特殊的要求，容易造成原子排列的不规范性，使其