第二十二章分子与固体

cm10-10m10-14m10-15mu<10-19m10-9m物质分子原子核子夸克k重子电子<10-19m质子、中子、介子等t,b,c,s,u,d夸克化学原子物理核物理粒子物理(强子)(轻子)液态物质气态固态晶体(crystallinesolid)

非晶体(amorphoussolid)准晶体物质结构层次分子或原子严格按周期性排列分子或原子的排列完全无序介于晶体与非晶体之间目前一页\总数二十三页\编于五点

22－1化学键*

22－2晶体结构*

22－3能带理论*第二十二章分子与固体

22－4导体绝缘体半导体*目前二页\总数二十三页\编于五点

化学键(chemicalbond)：原子间存在的一种相互吸引、能把原子结合成分子的相互作用。

键能

(bondenergy)：化学键形成时所释放德能量。

解离能：破坏化学键所需德能量。设XA和XB分别表示A、B两种原子德最外层电子数则：离子键共价键

22－1

化学键*目前三页\总数二十三页\编于五点一、共价键

(covalentbond)共价键：原子间通过共享电子而产生的化学结合作用。

1916年，美国科学家Lewis提出共价键理论。

1927年，美籍德国物理学家Heitler和美籍波兰物理学家London用量子力学处理H2气分子，解决了两个氢原子之间化学键的本质问题，使共价键理论从经典的Lewis理论发展到今天的现代共价键理论。GilbertNewtonLewis1875-1946FritzLondon1900-1954WalterHeitler1904-1981目前四页\总数二十三页\编于五点目前五页\总数二十三页\编于五点3)键能与离子键的差不多，

150~400kJ/mol

。特点：

1)有方向性，使分子具有特定的几何形状；

2)饱和性和短程性；

共价键的分类（按共用电子数）单键：两原子间只共用一对电子，以“－”或“׃”表示，如H－H；

双键：两原子间只共用两对电子，以“＝”表示，如O=O；三键：两原子间只共用三对电子，以“”表示，如NN。性质：

熔点高、质硬脆、导电能力差。目前六页\总数二十三页\编于五点二、离子键

(ionicbond)WaltherKossel1881-1956离子键：借助阴、阳离子间的静电力而结合成分子的化学键。

离子键主要存在于金属和非金属原子，金属或与酸根，金属或与OH所形成的分子中，如NaCl、KClO3、(NH4)2SO4、NaOH。

1916年德国科学家Kossel提出离子键理论。目前七页\总数二十三页\编于五点作用力实质是静电引力，作用强、键能大（150~400kJ/mol）；所带电荷越多，间距越小，键能越强。特点：

3.没有饱和性：只要是正负离子之间，则彼此吸引。

2.无方向性：与任何方向的电性不同的离子相吸引。形成：

性质：

熔点和硬度均较高，良好电绝缘体。目前八页\总数二十三页\编于五点三、金属键

(Metallicbond)

电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构。性质：

良好导电、导热性能，金属光泽和延展性好。特点：

金属原子最外层电子数很少，即价电子（valenceelectron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Freeelectron），金属中自由电子与金属正离子之间构成的键合称为金属键。目前九页\总数二十三页\编于五点四、分子间的作用力JohannesDiderikvanderWaals1837-19231910NobelPrizeinPhysics1)键能小，约20kJ/mol；1)极性分子的永久偶极矩之间的相互作用；来源：

2)分子极化产生诱导偶极矩的吸引作用；3)瞬时偶极矩的伦敦力或色散力。范德瓦耳斯力(VanderWaalsforce)：中性分子或原子间德一种弱的电性吸引。特点：2)没有方向性和饱和性；3)不属于化学键，但可影响物质的性质。目前十页\总数二十三页\编于五点22－2

晶体结构*WilliamHenryBragg1862-1942WilliamLawrenceBragg1890-1971TheNobelPrizeinPhysics1915主要贡献：利用X射线研究晶体结构目前十一页\总数二十三页\编于五点一、晶格的周期性(periodicproperty)（平移对称性）

绝大部分的金属材料、半导体材料和绝缘体材料都是晶体。原子或分子在晶体中有规则地排列着，被称为“长程有序”，这一规则排列一般称为晶体格子，简称为晶格。

原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列即存在长程有序。晶体性能上两大特点：固定的熔点各向异性目前十二页\总数二十三页\编于五点

结点

(latticepoint)：考察基元在空间排列时，用来表示基元位置的点子。点阵：表示晶体结构中结点排列规律的几何图形称为空间点阵。

晶格

(crystallattice)：通过点阵中的结点，可以作许多平行直线族和平行平面族，这样得到的许多网格就称为晶格。基元+点阵=晶体结构相关概念

基元(basis)：晶体可看作由完全相同的结构单元在空间规则地、周期性地排列而构成的，其结构单元称为基元。目前十三页\总数二十三页\编于五点晶格中的格点、晶向与晶面选择最小六面体，其三边基矢为l、m、n为整数。

若晶格平移后，将与原来的晶格相重合。目前十四页\总数二十三页\编于五点二、晶体分类离子晶体

(ioniccrystal)NaCl晶体结构原子晶体

(atomiccrystal)金刚石晶体结构金属晶体

(metalliccrystal)分子晶体

(molecularcrystal)目前十五页\总数二十三页\编于五点C60结构纳米管石墨结构CO2分子晶体目前十六页\总数二十三页\编于五点22－3

能带理论*能带的形成——从能级扩展到能带

当孤立原子相互靠近结合成晶体时，由于每个原子都受到周围原子势的作用，电子不再属于某个原子，而是在晶体中做共有化运动，这些电子原有的能级分裂成许多子能级，从而扩展成能带。固体中电子的能量形成能带原子间距目前十七页\总数二十三页\编于五点能带的表示方法能带符号n：能带序号k：波矢每个能带内有N个准连续的子能级;每个能级可以填充自旋相反的两个电子；能带中允许填充2N个电子。目前十八页\总数二十三页\编于五点满带：所有的能级全部为电子填充的能带空带：无电子填充的能带未满带：部分能级为电子填充的能带价带

(valenceband)：价电子所在能带，满带或未满带满带未满带导带

(conductiveband)：能带中的电子具有导电性目前十九页\总数二十三页\编于五点当今，应用能带理论有可能对晶体的特性参量进行依据第一性原理的从头计算，结果的准确性可令人满意。这样的理论计算可作为进一步发展材料的依据。凝聚态物理学，发展成为成熟的科学，可以从理论上来解释物质的物理性质，遂使材料研究的面目大为改观。当然，炒菜式的材料研究依然进行，但更为重要的是有可能根据理论的线索来研制和开发新型材料。

冯端院士——香山科学会议固体物理学凝聚态物理学有力地推动了新材料、新器件的发展能带的意义目前二十页\总数二十三页\编于五点1956NobelPrizeinPhysics主要贡献：半导体研究和发明晶体管W.B.Shockley(1910-1989)JohnBardeen(1908-1991)W.H.Brattain(1902-1987)22－4

导体绝缘体半导体*目前二十一页\总数二十三页\编于五点主要贡献：发明的快速晶体管、激光二极管和集成电路ZhoresI.Alferov（1930-）1/4HerbertKroemer（1928-）1/4JackS.Kilby（1923-）1/22000N