固體電子導(dǎo)論第二章

1、原子結(jié)合的本質(zhì)：價電子和原子實之間的靜電吸引。,原子的結(jié)構(gòu),價電子分布,離子性結(jié)合共價結(jié)合金屬性結(jié)合范得瓦耳斯結(jié)合,面心氯化鈉型金剛石型等,第二章 晶體中的原子結(jié)合,2.1 原子結(jié)合的普遍性質(zhì),由于原子結(jié)合的共同本質(zhì)，原子間的相互作用力和相互作用能隨原子間距的變化表現(xiàn)出共同的規(guī)律性。,粒子間引力——庫侖引力等,粒子間的斥力——電子云重疊產(chǎn)生的排斥力,引力和斥力同時存在，平衡時即形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),反比于原子間距，短程力,總作用力

2、為引力，增大,總作用力為零,總作用力為引力，減小,總作用力為零，,總作用力為斥力，增大,引力達(dá)到最大,一、兩原子間相互作用力與原子間距的關(guān)系,能量極小，狀態(tài)最穩(wěn)定,若已知第 個和第 個原子間的相互作用能為 ，則第 個原子與晶體中其它原子相互作用能為,二、晶體的相互作用能,若忽略表面效應(yīng). 考慮晶體中原子的等效性，晶體中的總的相互作用能，即為,晶體結(jié)合能的粗略表達(dá)式：,r0：最近鄰原子間的距離,,若已知結(jié)合

3、能，可進(jìn)一步求出,1） 晶格常數(shù),2.2 離子性結(jié)合,采用離子性結(jié)合的晶體稱為離子晶體，或極性晶體。,離子晶體的作用力稱為離子鍵。,堿金屬原子,鹵素原子,離子晶體,典型的離子晶體：如NaCl晶體，CsCl晶體。,CsCl 晶體：無色立方晶體。物理性質(zhì)：密度3.988g/cm3；熔點645℃；沸點1290℃。,物理性質(zhì)：相對密度：2.130g/cm3熔點：801度沸點：1413度,熔點較高， 硬度較強(qiáng)，容易碎裂，導(dǎo)電性弱,對可

4、見光透明,氯化鈉晶體,2) 庫侖吸引力：,主要靠異性離子間的庫侖吸引作用而結(jié)合；,3) 斥力來源：,一、離子鍵的形成,滿足泡利不相容原理，兩個滿殼層的離子相互接近到它的電子云發(fā)生顯著重疊時，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的排斥作用。,離子鍵具有較強(qiáng)的鍵能,二、結(jié)構(gòu)特點,1. 正負(fù)離子相間排列,2、配位數(shù)較高：NaCl為6，CsCl為8,三、結(jié)合力和結(jié)合能的估算,1.兩個離子間的相互作用能可表示為（以NaCl為例）,庫侖吸引,重疊排斥,其中正負(fù)離子的電荷量均

5、為e， 為離子間距,相互作用力為,2. 離子晶體的結(jié)合能,忽略表面層與內(nèi)部離子的差別，認(rèn)為各離子所受的相互作用相同,設(shè) 為離子間最短重復(fù)距離,,可通過實驗測量，并計算得到,而 與 間的關(guān)系可由平衡條件決定,2.3 共價結(jié)合,采用共價結(jié)合方式結(jié)合的晶體稱為共價晶體，或原子晶體，或同極晶體。,共價晶體的作用力稱為共價鍵。,既不易失去外層價電子，也不易獲得價電子的原子相互結(jié)合的時候，通常會采用共價結(jié)合。,典型的共價晶體：金剛石，

6、硅，鍺,硬度，熔點，沸點都很高，低溫時導(dǎo)電性能較差,硅,金剛石,密度2.32-2.34g/cm3熔點1410℃，沸點2355℃，莫氏硬度：6.5有金屬光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì),共用的電子受原子核的吸引（4綠線）電子之間和原子核之間互相排斥（2紅線）,一、共價鍵的形成,共價鍵具有很高的鍵能。,二、共價鍵的特點,1.方向性：原子在特定的方向上形成共價鍵.,價電子數(shù)小于4，共價鍵數(shù)與價電子數(shù)相等,價電子數(shù)大于4，共價鍵與價電子數(shù)之和等于8,

7、電子對在兩核周圍的空間運動在兩核間空間出現(xiàn)的幾率最大。,每個原子有四個價電子，恰好與四個最近鄰原子形成四根共價鍵，每一對形成共價鍵的原子“共用”一對價電子.,三、金剛石結(jié)構(gòu)中的軌道雜化,由 和 對應(yīng)的波函數(shù)組成的電子狀態(tài),雜化軌道的電子云分別集中于四面體的4個頂角，故金剛石型結(jié)構(gòu)中具有正四面體的結(jié)構(gòu)單元。,2.4 金屬性結(jié)合,采用金屬性結(jié)合方式結(jié)合的晶體稱為金屬晶體。,金屬晶體的作用力稱為金屬鍵。,金屬原子相互結(jié)合形成晶

8、體時，均形成金屬鍵。,典型的金屬晶體：鈉、金、銀等,1）密度較大，有較高的硬度，熔點；2）具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和金屬光澤；3）具有很大的范性,一、金屬鍵的形成,原子失去部分或全部價電子，價電子不再束縛于某個原子，而為所有離子實所共有，電子云遍及整個晶體，近似均勻分布，形成自由電子氣。,失去價電子的離子實處于其中，好象“金屬正離子淹沒在電子海中”。,自由電子氣與正離子實間的庫侖作用將金屬原子聚合在一起形成金屬晶體.,二、金屬晶體結(jié)構(gòu)的

9、特點,2.5 范得瓦耳斯結(jié)合,采用范得瓦耳斯方式結(jié)合的晶體稱為分子晶體。,分子晶體的作用力稱為范得瓦耳斯鍵。,已經(jīng)具有穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)的分子相互結(jié)合形成晶體時，通常采用范得瓦耳斯結(jié)合。,典型的分子晶體：大部分氣體在低溫下形成的晶體、 大部分有機(jī)化合物晶體,熔點和結(jié)合能都較低， 硬度很小,一、范得瓦耳斯鍵的形成,——吸引力主要來自于庫侖引力。,范德瓦爾斯結(jié)合時，原子或分子的電子狀態(tài)

10、不發(fā)生根本性的變化,已經(jīng)具有穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)的分子之間的一種瞬時電偶極矩的感應(yīng)作用,兩個相鄰分子的瞬間電偶極矩平行，形成相互間的吸引.,兩個相鄰分子的瞬間電偶極矩反平行，形成排斥作用.,由于吸引作用對應(yīng)于低勢能狀態(tài)，故出現(xiàn)的幾率較大，故平均作用表現(xiàn)為弱的吸引力.,2.6 氫鍵,在一定條件下，一個氫原子同時與兩個電子親和能大的、原子半徑較小的原子結(jié)合，形成氫鍵,冰的晶體結(jié)構(gòu)：(小球代表氫原子,大球代表氧原子,實線代表H—O鍵，虛線代表氫鍵),

11、典型的氫鍵晶體：冰晶體,1、冰的密度低是由于每個水分子周圍最鄰近的水分子只有4個,為什么水會“冷漲熱縮”？,2、隨溫度升高,冰晶結(jié)構(gòu)小集團(tuán)受熱不斷崩潰，分子間距縮小,水分子間距因熱運動不斷增大,4?C以上，后者占優(yōu)勢，密度減小,0～4?C間，前者占優(yōu)勢，密度增加,4?C時，兩者相當(dāng),水的密度最大。,冰熔化為液態(tài)水，至多只能打破冰中全部氫鍵的約13%,混合型晶體,實際晶體中很多并不是以單一的結(jié)合類型而結(jié)合成晶體的，可以存在多種相互作用。,