固體電子導(dǎo)論第二章

1、原子結(jié)合的本質(zhì)：價(jià)電子和原子實(shí)之間的靜電吸引。,原子的結(jié)構(gòu),價(jià)電子分布,離子性結(jié)合共價(jià)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(shí)存在，平衡時(shí)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(gè)和第 個(gè)原子間的相互作用能為 ，則第 個(gè)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(diǎn)645℃；沸點(diǎn)1290℃。,物理性質(zhì)：相對(duì)密度：2.130g/cm3熔點(diǎn)：801度沸點(diǎn)：1413度,熔點(diǎn)較高， 硬度較強(qiáng)，容易碎裂，導(dǎo)電性弱,對(duì)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(gè)滿殼層的離子相互接近到它的電子云發(fā)生顯著重疊時(shí)，會(huì)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(diǎn),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(gè)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(shí)驗(yàn)測(cè)量，并計(jì)算得到,而 與 間的關(guān)系可由平衡條件決定,2.3 共價(jià)結(jié)合,采用共價(jià)結(jié)合方式結(jié)合的晶體稱為共價(jià)晶體，或原子晶體，或同極晶體。,共價(jià)晶體的作用力稱為共價(jià)鍵。,既不易失去外層價(jià)電子，也不易獲得價(jià)電子的原子相互結(jié)合的時(shí)候，通常會(huì)采用共價(jià)結(jié)合。,典型的共價(jià)晶體：金剛石，

6、硅，鍺,硬度，熔點(diǎn)，沸點(diǎn)都很高，低溫時(shí)導(dǎo)電性能較差,硅,金剛石,密度2.32-2.34g/cm3熔點(diǎn)1410℃，沸點(diǎn)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(jià)鍵的形成,共價(jià)鍵具有很高的鍵能。,二、共價(jià)鍵的特點(diǎn),1.方向性：原子在特定的方向上形成共價(jià)鍵.,價(jià)電子數(shù)小于4，共價(jià)鍵數(shù)與價(jià)電子數(shù)相等,價(jià)電子數(shù)大于4，共價(jià)鍵與價(jià)電子數(shù)之和等于8,

7、電子對(duì)在兩核周圍的空間運(yùn)動(dòng)在兩核間空間出現(xiàn)的幾率最大。,每個(gè)原子有四個(gè)價(jià)電子，恰好與四個(gè)最近鄰原子形成四根共價(jià)鍵，每一對(duì)形成共價(jià)鍵的原子“共用”一對(duì)價(jià)電子.,三、金剛石結(jié)構(gòu)中的軌道雜化,由 和 對(duì)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(gè)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(shí)，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(diǎn)；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(jià)電子，價(jià)電子不再束縛于某個(gè)原子，而為所有離子實(shí)所共有，電子云遍及整個(gè)晶體，近似均勻分布，形成自由電子氣。,失去價(jià)電子的離子實(shí)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(shí)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(diǎn),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(shí)，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(diǎn)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(shí)，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(shí)電偶極矩的感應(yīng)作用,兩個(gè)相鄰分子的瞬間電偶極矩平行，形成相互間的吸引.,兩個(gè)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(duì)應(yīng)于低勢(shì)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(gè)氫原子同時(shí)與兩個(gè)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(shí)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(gè)水分子周圍最鄰近的水分子只有4個(gè),為什么水會(huì)“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(yùn)動(dòng)不斷增大,4?C以上，后者占優(yōu)勢(shì)，密度減小,0～4?C間，前者占優(yōu)勢(shì)，密度增加,4?C時(shí)，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(shí)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。,