2021年固体物理 第二章 晶体的结合

第二章晶体的结合

一、

欧阳光明（2021.03.07）

二、填空体

1. 晶体的结合类型为：共价结合、离子结合、分子结合、金属结合和氢键结合。

2. 共价结合的特点方向性和饱和性。

3. 晶体中原子的相互作用力可分为两类吸引力和排斥力。

4. 一般固体的结合可概括为范德瓦耳斯结合、金属结合、离子结合和共价结合四种基本类型。

5. 金属具有延展性的微观根源是金属原子容易相对滑动。

6. 石墨晶体的结合涉及到的结合类型有共价结合、氢键结合和金属结合。

7. GaAs晶体的结合涉及到的结合类型有共价结合和离子结合。

二、基本概念

1. 电离能

始原子失去一个电子所需要的能量。

2.电子的亲和能

电子的亲和能：一个中性原子获得一个电子成为负离子所释放出的能量。

3.电负性

描述化合物分子中组成原子吸引电子倾向强弱的物理量。

4.共价键

原子间通过共享电子所形成的化学键。

5.离子键

两个电负性相差很大的元素结合形成晶体时，电负性小的原子失去电子形成正离子，电负性大的得到电子形成负离子，这种靠正、负离子之间库仑吸引的结合成为离子键。

6.范德瓦尔斯力

答：分子晶体的粒子间偶极矩相互作用以及瞬时偶极矩相互诱生作用力称为范德瓦耳斯力。

7.氢键

答：氢原子处于两个电负性很强的原子（如氟、氧、氮、氯等）之间时，可同时受两个原子的吸引而与它们结合，这种结合作用称为氢键。

8.金属键

答：在金属中，组成金属的原子的价电子已脱离母原子而成为自由电子，自由电子为整个晶体共有，而剩下的离子实就好像沉浸在自由电子的海洋中。自由电子与离子实间的互相吸引作用具有负的势能，使势能降低形成稳定结构。这种公有化的价电子（自由电子）与离子实间的互作用称为金属键。

三、简答题

1.共价结合为什么有“饱和性”和“方向性”？

答：饱和性：当一个原子与其它原子结合时，能够形成共价键的数目有一个最大值，这个最大值决定于它所含的未配对的电子数，这

个特性称为共价键的饱和性。

方向性：两个原子在以共价键结合时，必定选取尽可能使其电子云密度为最大的方位，电子云交迭得越厉害，共价键越稳固。这就是共价键具有方向性的物理本质。

2. 晶体的结合能, 晶体的内能, 原子间的相互作用势能有何区别?答: 自由粒子结合成晶体过程中释放出的能量, 或者把晶体拆散成一个个自由粒子所需要的能量, 称为晶体的结合能。原子的动能与原子间的相互作用势能之和为晶体的内能。在0K时, 原子还存在零点振动能，但零点振动能与原子间的相互作用势能的绝对值相比小得多，所以, 在0K时原子间的相互作用势能的绝对值近似等于晶体的结合能.

3. 原子间的排斥作用取决于什么原因?

答：相邻的原子靠得很近, 以至于它们内层闭合壳层的电子云发生重叠时, 相邻的原子间便产生巨大排斥力. 也就是说, 原子间的排斥作用来自相邻原子内层闭合壳层电子云的重叠.

4.共价结合, 两原子电子云交迭产生吸引, 而原子靠近时, 电子云交迭会产生巨大的排斥力, 如何解释?

答：共价结合, 形成共价键的配对电子, 它们的自旋方向相反, 这两个电子的电子云交迭使得体系的能量降低, 结构稳定. 但当原子靠得很近时, 原子内部满壳层电子的电子云交迭, 量子态相同的电子产生巨大的排斥力, 使得系统的能量急剧增大.

5. 试解释一个中性原子吸收一个电子一定要放出能量的现象.

答：当一个中性原子吸收一个电子变成负离子, 这个电子能稳定的进

入原子的壳层中, 这个电子与原子核的库仑吸引能的绝对值一定大于它与其它电子的排斥能. 但这个电子与原子核的库仑吸引能是一负值. 也就是说, 当中性原子吸收一个电子变成负离子后, 这个离子的能量要低于中性原子原子的能量. 因此, 一个中性原子吸收一个电子一定要放出能量.

6.为什么许多金属为密积结构?

答：金属结合中, 受到最小能量原理的约束, 要求原子实与共有电子电子云间的库仑能要尽可能的低(绝对值尽可能的大). 原子实越紧凑, 原子实与共有电子电子云靠得就越紧密, 库仑能就越低. 所以, 许多金属的结构为密积结构.

7. 当2个原子由相距很远而逐渐接近时，二原子间的力与势能是如何逐渐变化的？

答：当2个原子由相距很远而逐渐接近时，2个原子间引力和斥力都开始增大，但首先引力大于斥力，总的作用为引力，0)(r f ，而相互作用势能)(r u 也开始急剧增大。

8. 为什么金属比离子晶体、共价晶体易于进行机械加工并且导电、导热性良好？

答：由于金属晶体中的价电子不像离子晶体、共价晶体那样定域于2个原子实之间，而是在整个晶体中巡游，处于非定域状态，为所有

原子所“共有”，因而金属晶体的延展性、导电性和导热性都较好。

9.为什么组成晶体的粒子（分子、原子或离子）间的互作用力除吸引力外还要有排斥力，吸引力和排斥力的来源是什么？

答：组成晶体的粒子间只有同时存在这两种力，在某一适当的距离，这两种力相互抵消，晶体才能处于稳定状态。就结合力起源来说，吸引力主要应归于异性电荷之间的库仑引力，此外还有微弱的磁相互作用和万有引力作用，排斥力包括同性电荷间的库仑排斥力和泡利原理引起的排斥作用。

10.有人说“晶体的内能就是晶体的结合能”，对吗？

答：这句话不对，晶体的结合能是指当晶体处于稳定状态时的总能量（动能和势能）与组成这晶体的N 个原子在自由时的总能量之差，即0E E E N b -=。（其中b E 为结合能，N E 为组成这晶体的N 个原子在自由时的总能量，0E 为晶体的总能量）。而晶体的内能是指晶体处于某一状态时（不一定是稳定平衡状态）的，其所有组成粒子的动能和势能的总和。

11.原子间的相互作用势能、晶体的内能就是晶体的结合能，此话正确吗？为什么？

答：晶体的总能量0E 与构成晶体的N 个原子（离子或分子）在自由状态时的总能量N E 之差的绝对值0E E E N b -=称为晶体的结合能，而晶体的内能包括晶体的总互作用势能和系统的总动能，题中三者的范围和概念均不一致，所以说原命题不正确。

12.是否有与库仑力无关的晶体结合类型?

答:共价结合中, 电子虽然不能脱离电负性大的原子, 但靠近的两个