固体物理论文.doc

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1、化学键理论在材料科学与工程中的应用汤裕143111046材料学(中南大学材料科学与工程，长沙410083)摘要：本文综述了化学键理论和化学键模犁的提出和发展以及化学键理论在材料屮的应川，具体说明了其在品体生长，品体性质的研究，晶体材料的结构设计，晶体材料的缺陷和晶体的结构预测应用。关键词：化学键;晶体;应用ApplicationofchemicalbondtheoryinmaterialsscienceandengineeringTangYu(SchoolofMaterialsScienceandEngineerin

2、g,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract：Thispaperreviewedthechemicalbondtheoryandchemicalbondmodels5proposeanddevelopmentinthematerialapplication,specifyingincrystalsgrowth,crystalspropertiesresearch,crystalmaterials5design,crystalstructureandcry

3、stalsdefectsinmateriaIsprediction.Keyvvords：chemicalbond;crystals;applications1化学键1.1化学键理论的提出和发展化学键的概念是在总结长期实践经验的基础上建立和发展起来的，用来概括观察到的大量化学事实，特别是用來说明原子为何能以■定的比例结合成具有确定几何形状的、相对稳定和相对独立的、性质与其组成原子完全不同的分子。1863年就有人说过“原子之间的化学键合方式”、“原子之间的化学键”的话。Frankland在1866年也指出，他使用键这个词

4、表示将原子结合在一起的作用。开始时，人们在相互结合的两个原子Z间画■根短线作为化学键的符号。自从发现电子后，1916年Lewis等人提出了原子价的电子理论。认为原子价可以分为共价和电价两种，共价是由两个原子共用•对电子构成的，电价是由正负离子之间的库仑引力构成的，原子在化合吋失去、获得或共亨电子，其FI的是使它们的外层电子形成稳定的结构，并指出原子间的相互作用是价电子和各原子核的相互作用。这就确立了化学键的形成是源于电子转移和电子共用的观点，但这却不能合理地解释共价键的方向性、氧分子的顺磁性等问题，也无法解释两个原子

5、为何共亨■对电了吋就能相互结合的现象。量子理论建立以后，1927年Heitler和London利用量子力学的方法研究氢分子的行为，认为两个氢原子结合成一个氢分子是由于电子密度的分布集屮在两个原子核Z间形成了化学键，并解释了氢分子稳定存在的原因。原则上阐明了化学键的本质是相邻原子间强烈吸引的札I互作用，并且知道了化学键有多种类型，其屮主要的三种是电价键、共价键和金属键，开创了现代的化学键理论〔询。在分子结构和化学键理论方而，Pauling的贡献最大。他长期从事X・射线晶体结构研究，一牛致力于寻求分子内部的结构信息，把量

6、子力学应用于分子结构,把原子价理论扩展到金属和金属间化合物，提出了电负性概念和计算方法，创立了价键学说和杂化轨道理论。1954年，由于Pauling在化学键木质研究和运用化学键理论阐明物质结构方面的重大贡献而获得诺贝尔化学奖。直到20世纪60年代末，从事物理学研究的Phillips和VanVechien[3]首先提出了介屯描述的化学键理论（或者称为P-V理论）。P-V理论成功地用于半导体型晶体性质的定量计算，但是，其研究对象只限于结构简单的ANB8N型晶体，而对复杂晶体却不能进行计算，这种情况就限制了晶体化学键理论的

7、发展。随后，Levine⑷对P-V理论做了进一步的近似，并将该理论成功地推广到AmBn型晶体的化学键研究屮。虽然Levine的工作发展了P-V理论并扩大了它的应用领域，但是由于缺乏基本概念的引入和系统的处理方法,Levine能够解决最复杂的研究对象是结构为ABC?型的晶体。而对于包含多种元素并且结构复杂的晶体，Phillips、VanVechien和Levine都没能找到合适的解决办法。直到复杂晶体介电描述理论的提岀⑸，才使得复杂晶体的化学键研究岀现新的契机，在此基础上晶体化学键理论得到了长足的发展，并获得了丰硕的研

8、究成果©7〕。近年来，人们已经开始应用晶体化学键理论定量地研究复杂晶体的物理性质，并将该理论点Phillips-VanVechien-Levine键理论，简称为P-V-L-X键理论⑻。这个理论是口前能够对晶体的各部分基元贡献进行定量计算的唯一方法，也为晶体材料的设计和性质预测提供了理论指导和帮助。1・2化学键模型的提出及发展鲍林静电价规则的科学