金属晶体的结构.ppt

第八章金属的结构和性质
在100多种化学元素中, 金属约占80%. 它们有着许多相似的性质:不透明, 有金属光泽, 能导电传热, 富有延展性. 金属的这些性质是金属内部电子结构及晶体结构的外在反映. 弄清金属及合金晶体中化学键的本质及结构与性能之间的关系是材料科学的重大课题之一, 也是结构化学的重要任务.
外层价电子在整个金属中运动, 类似于三维势箱中运动的粒子. 其Schrodinger方程为:
(自由电子模型)
第一节金属键和金属的一般性质
金属键的自由电子理论模型
解此方程求得:
电子由局限某个原子周围运动扩展到整个金属运动, 能量降低, 这就是金属键的起源.
金属键:在金属晶体中,原子失去了外层电子而形成正离子,这些脱离了原子的价电子在各正离子之间运动,把这些正离子吸引在一起而结合成晶体,原子间的这种结合力称为金属键。
金属键的强弱用摩尔气化热表示。
金属键实质上是由晶粒内所有原子都参加的一种特殊的多原子共价键,或则说是一种特殊的离域共价键。
金属的通性:不透明,有金属光泽,能导电传热,富有延展性等。
金属键的主要特征:
(1)成键轨道是高度离域的
成键电子的活动范围非常广,即可在整个宏观晶体的范围内运动。有时我们把这种运动非常自由的电子叫做自由电子。金属的许多特有的物理特性如导电性、导热性、和金属光泽和自由电子的存在分不开。
(2)金属键没有饱和性和方向性
因为金属原子的价电子层的s电子云是球形对称的,它可以
在任意方向与任何数目的附近原子的价电子云重叠。因此金属原
子或正离子的排列不受饱和性和方向性的限制,只要把金属正
离子按最紧密的方式堆积起来,这样价电子云就能得到最大程度
的重叠。这就是金属采取最紧密堆积结构和高配位数的原因。
金属键的能带理论
能带理论可以看成是多原子分子轨道理论的极限情况, 由分子轨道的基本原理可以推知, 随着参与组合的原子轨道数目的增多, 能级间隔减小, 能级过渡到能带.

将整块金属当作一个巨大的超分子体系, 晶体中N个原子的每一种能量相等的原子轨道, 通过线性组合, 的数值很大(~1023数量级),得到的分子轨道间的能级间隔极小, 形成一个能带.
每个能带在固定的能量范围, 内层原子轨道形成的能带较窄, 外层原子轨道形成的能带较宽, 各个能带按能级高低排列起来, 成为能带结构。
能带的范围是允许电子存在的区域, 而能带间的间隔, 是电子不能存在的区域, 称为禁带。
已填满电子的能带, 称为满带;
无填充电子的能带, 成为空带。
有电子但未填满的能带称为导带。
导体的能带结构特征是具有导带。绝缘体的能带特征是只有满带和空带, 而且满带和空带之间的禁带较宽(ΔE≥5eV)。一般电场条件下,难以将满带电子激发入空带, 不能形成导带。半导体的特征, 也是只有满带和空带, 但满带与空带之间的禁带较窄(ΔE<3eV), 在电场条件下满带的电子激发到空带, 形成导带, 即可导电。
图8-1 导体、绝缘体和半导体的能带结构特征
导体
绝缘体
半导体