晶体结合固体物理.ppt

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1、2.2晶体的结合类型2原子是按一定的规律周期性排列形成晶体。按排列规律的不同，可以分为七大晶系、十四种布喇菲点阵。那么，是靠什么作用将这些原子结合在一起，形成不同的晶体结构的呢？这一章，我们将讨论晶体中原子间的结合的类型和物理本质。3晶体中原子间的结合力几乎可以全部归因于带负电的电子和带正电的原子核之间的库仑作用。原子(包括离子实与电子)间相互作用使原子凝聚在一起形成固体，用化学家的语言说，这些相互作用使电子重新分布，在原子间形成了化学键，正是这些化学键使原子结合成固体。4根据电子在实空间的分布，键形成的物理起源和所涉及的键力的性质，将化学键分成五种类型：离子键，共价键，分子键，氢

2、键和金属键。由前四种键形成的固体一般为绝缘体，而后一种键形成的固体是金属。实际固体的结合是以这四种基本形式为基础，可以具有复杂的形式。固体结合的基本形式与固体材料的结构和物理、化学性质都有密切的联系，因此固体的结合是研究固体材料性质的重要基础。5§2.1离子键和离子晶体以离子键结合的晶体称为离子晶体。最典型的离子晶体是由第一族碱金属元素和第VII族卤族元素生成的化合物。I:Li、Na、K、Rb、Cs、FrVII:F、Cl、Br、I、At如：NaCl、Cscl672.1.1结合方式碱金属原子最外层只有一个电子,电离能小,易失去；卤族原子最外层有七个电子，易吸收一个电子。一得一失后，电

3、子结构都是稳定的满壳层结构，形成离子键。以离子为结合单元，正、负离子的电子电荷分布高度局域在离子实附近，形成球对称的电子壳层结构。8例如：Na(1S22S22P63S1)-e=Na+(1S22S22P6)(Ne)Cl(1S22S22P63S23P5)+e=Cl-(1S22S22P63S23P6)(Ar)这样，在凝聚成固体时Na原子失去最外层电子，而Cl原子得到这个电子。形成离子键。92.1.2结合力和结构特点结合力：主要依靠正负离子之间较强的静电库仑力（吸引）而结合。当两个离子接近到电子云发生交迭时，由于泡利不相容原理，会产生强大的排斥力；排斥力另一个来源是同号离子间的静电库仑斥力

4、。10结构特点：以离子为基本结合单元，正负离子是相间排列（结合力最强，系统势能最低，结构最稳定）；离子晶体的配位数最多只能是8（例如CsCl）。典型的离子晶体结构有两种：氯化钠型（配位数6）：NaCl?KCl?AgBr?PbS?MgO氯化铯型（陪位数8）：CsCl?TlBr?TlI离子结合成份较大的半导体材料ZnS等11Cl-Na+Cl-Cs+离子晶体结构122.1.3主要物理性质在离子晶体中，离子间靠较强的库仑引力结合，具有以下特性：结构稳固，结合能约为800kJ/mol；导电性差；熔点高；硬度高；膨胀系数小；对可见光一般为透明，远红外区有一吸收峰。13离子晶体材料已获广泛应用发

5、光材料：ZnS,CaS铁电材料与压电材料：BaTiO3磁性材料：以Mn、Co、Ni、Cu、Mg、Zn和Cd离子部分替代Fe3O4中的Fe的铁氧体。14§2.2共价键和原子晶体(共价晶体)形成原子晶体最典型的元素是是IV族元素。如：C、Si、Ge、Sn(灰锡，13℃以下，金刚石结构，半导体；13℃以上为白锡，金属)152.2.1结合方式以共价键方式结合的两个原子各出一个价电子（未配对）为两者所共有（配对），从而在每个原子的最外层形成有公有电子的封闭的电子壳层。这两个公有电子按泡利原理其自旋是反平行的。（共价键的现代理论以氢分子的量子理论为基础）16量子力学的计算证明，两个氢原子处于这

6、样状态结合在一起的能量比单独两个氢原子能量低。H+H+17在这种状态下，电子在两个核之间出现几率最大，电子云密度最大。因此在两核间区域形成电子云密度较大区的“电子桥”，把两个正电荷结合在一起。这种为两个原子所共有的，自旋取向相反的配对电子结构，称为共价键。原子晶体是以共价键方式结合起来的。182.2.2共价键特点饱和性:共价键只能由两个原子中原来未配对的电子形成，而原子中未配对电子数是一定的，所以一个原子只能形成一定数目的共价键，依靠共价键也只能和相应数目的其他原子结合。IV族至VII族的元素依靠共价键结合，共价键的数目符合所谓8-N定则，N指价电子数目．19方向性:指原子只在特定

7、的方向上形成共价键．因为共价键的强弱决定于形成共价键的两个电子轨道相互交迭的程度，因此一个原子是在价电子波函数最大的方向上形成共价键。20p态价电子云分布不是球形的而是哑铃状，因此共价键在对称轴的方向上形成。21金刚石(C)结构共价键的方向也是沿这样一个四面体的方向排列。键间的夹角为10928’这样形成的晶体称为金刚石结构。C的基态电子壳层结构是1s22s22p2，只有2个未配对的2p电子。但2s与2p轨道，形成4个sp3杂化轨道。原来在2s和2p轨道上的4个电子，