济南大学-固体物理(黄昆)课件-第二章.ppt

固体物理学
第一章晶体结构
第二章晶体中原子的结合
第三章晶格振动与晶体的热学性质
学习内容:
第四章能带理论
第二章晶体中原子的结合
第一节结合力与结合能的一般性质
第二节结合力的类型与晶体分类
第三节离子晶体的结合能
第四节分子晶体的结合能
学习目的:
从晶体的几何对称性观点讨论了固体的分类!
原子或离子间的相互作用或结合的性质与固体材料的结构和物理、化学性质有密切关系,是研究固体材料性质的重要基础!
全部归因于电子的负电荷和原子核的正电荷的静电吸引作用!
物理本质:
晶体的结合决定于其组成粒子间的相互作用→化学键→由结合能及结合力来反映!
规律性:
很难直接看到晶体结构对其性能影响的物理本质
学习意义:
通过晶体的内能函数U 算出
结合能 W
晶格常数 r0
体积弹性模量 K
实验可测
将理论与实际联系起来!
有利于了解组成晶体的粒子间相互作用的本质,从而为探索新材料的合成提供理论指导!
实际上,一个固体材料有几种结合形式,也可具有两种结合之间的过渡性质,或某几种结合类型的综合性质!
强调:
分类:
按结合力性质区分
1·离子晶体—离子键结合
2·共价晶体—共价键结合
3·分子晶体—分子键结合
4·金属晶体—金属键结合
5·氢键晶体—氢键结合
五种基本类型
第一节结合力与结合能的一般性质
一、结合力与结合能的一般性质
1·晶体的结合力:
固体难以拉伸
原子间存在吸引力
库仑吸引作用(长程力)
固体难以压缩
原子间存在排斥力
泡利原理
库仑斥力
晶体结构稳定
原子间相互作用的势能取最小值
现象
原理
首先考虑:相邻两个原子间作用
如果 f(r) 表示两原子间的相互作用力
u(r) 表示两原子间的相互作用势能
两原子间的相互作用势能:
r0
f(r)
u(r)
f(r) ,u(r) 和 r 的关系曲线
-W
r
r
A,B,m,n 皆为>0的常数→取决于结合力类型
r :两个原子间的距离
第一项:表示吸引势能
第二项:表示排斥势能
假设条件:
较大的间距上,排斥力比吸引力弱的多—保证原子聚集起来;
很小的间距上,排斥力又必须占优势—保证固体稳定平衡;
∴ n > m
>
波恩描述(最简单的恒温描述)!
当两原子间距r 为某一特殊值r0 时:
晶体都处于这种稳定状态
对应势能最小值
r0 称为平衡位置→此时的状态称
为稳定状态!
晶体中的原子都处于平衡位置!
r0
f(r)
u(r)
f(r) ,u(r) 和 r 的关系曲线
-W
r
r
2·晶体的结合能:自由原子(离子或分子)结合
成晶体时所放出的能量W
①数学定义:W = EN–Eo
Eo 是绝对零度时晶体的总能量
EN 是组成晶体的N个自由原子的总能量
固体结构稳定
晶体的能量低于构成晶体的粒子处在自由状态时的能量总和
∣W ∣→把晶体分离成自由原子所需要的能量
★把原子体系在分散状态的能量算作零;
★不考虑晶体的热效应(0K);