材料科学和工程基础顾宜市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

原子间距离很大时,相互作用很小;距离减小时，斥力和引力以不一样函数形式增大。2-3-3 原子间距和空间排列原子间距和空间排列 (Interatomic Spacing and Forces)1.原子间距离和作用原子间距离和作用 (Interatomic Separation and Interaction)（1）a，：平衡间距，协力F=0，能量U最低，结合能负值；（2）a增大，F为引力，U增大；a减小，F为斥力，U大大增大。平衡间距平衡间距（Equilibrium Spacing）就是斥力和引力相等距离。第1页FIGURE 2.8第2页孤立原子（非键合）半径范氏半径结合原子：原子间作用方式和作用力不一样，a，不一样，半径不一样(a)金属半径：金属键结合原子距离二分之一：a，/2(b)离子半径：a，=r+R-2.原子半径和离子半径原子半径和离子半径 (Atomic Radius and Ionic Radius)第3页 离子价影响离子半径离子价影响离子半径(c)共价半径：成键电子云最大重合（非球形，多用键长）单键、双键、三键温度影响半径温度影响半径第4页 3.配位数配位数 (Coordination Number)-CN：（影响半径）（影响半径）大部分工程材料含有多个原子组成配位团配位数是一个原子含有第一邻近（原子或离子）数第一邻近（原子或离子）数（Number of nearest-neighbor atoms）H-1Mg为6Si或C为4影响原因共价共价，围绕一个原子共价键数取决于原子价电子数目卤族配位数为1；氧族为2。原子有效堆积有效堆积，离子化合物含有较高配位数，最常见为6。第5页第6页元元 素素金金 属属 原原 子子离离 子子共共 价价 键键CN半径半径(nm)价价 CN半径半径(nm)键键 长长/2（nm）碳碳单单 键键双双 键键三三 键键00770065006硅硅4+64+400420038单单 键键0117氧氧2-82-62-40.0420.0380.444单单 键键 双双 键键0.0750.065氯氯2-21-81-60.1400.1270.181单单 键键0099钠钠80.018751+60.097镁镁120.1612+60.066铝铝120.14313+63+40.0540.046铁铁8120.12410.1272+63+60.0740.064铜铜120.12781+60.096第7页1键长键长(bonddistance):两相邻原子间达运动平衡时能量最小距离金属键和离子键：无方向性，无键长，三维空间（集体效应）：体积和电荷共价键：有方向性(和饱和性)，键长为相连原子间距离，共价半径之和同周期电荷大键长小同族由上到下键长增大2键能键能(bondenergy):1mol 物质结合键分裂放出能量,表示结合强弱。化学键物理键（分子键）化学键中:共价键离子键金属键共价键中:叁键双键单键氢键范氏键 2-3-4 各种键性比较各种键性比较 （Comparison among Various Bonds)键性表第8页2-4 多原子体系电子相互作用与稳定性多原子体系电子相互作用与稳定性 （Electron Interaction and Stability of Polyatomic System)What is the Hybrid Orbital of atoms?What is the Molecular Orbital in compounds?What is the Fermi Energy Level in metals?What is the Energy Band Structures in solids?第9页杂化轨道：原子不一样轨道线性组合后新原子轨道原子不一样轨道线性组合后新原子轨道杂化后，数目不变；空间分布、能级状态改变，有利成键杂化轨道与配位原子空间排列方式2-4 多原子体系电子相互作用与稳定性多原子体系电子相互作用与稳定性 （Electron Interaction and Stability of Polyatomic System)2-4-1杂化轨道和分子轨道杂化轨道和分子轨道(Hybrid Orbital and Molecular Orbital)1杂化轨道杂化轨道理论第10页中心原子杂化轨道中心原子杂化轨道配位原子空间排列配位原子空间排列实实 例例spxspxpysp3直线形直线形平面三角形四面体形三方双锥形四方锥形八面体形五方双锥形CO2,XeF2BF3,SO3,SiH4,PF5,SOF4Sb(C6H5)5SF6,IF7第11页组合成份子轨道条件（1）能量相近；（2）轨道最大重合；（3）对称性匹配：符号相同，为成键轨道符号相反，为反键轨道 2分子轨道分子轨道理论 不一样原子轨道原子轨道线性组合第12页轨道：经过键轴，无节面，以键轴为对称轴对称轨道如：s-s,s-p，p-p 三种分子轨道：（1）轨道和键第13页键：由成键电子组成共价键单电子键：成键轨道1个电子，能量降低=EE1正常键：成键轨道2个电子，能量降低2三电子键：成键轨道2个电子，反键轨道1个电子，能量降低第14页轨道：经过键轴，有一个（=0）节面如：py-py，pz-pz键：由成键电子组成共价键（2）轨道和键第15页轨道：经过键轴，有两个（=0）节面键：由成键电子组成共价键分子轨道电子排布与原子轨道填充三标准相同（3）轨道和键第16页同核双原子分子能级和电子排布同核双原子分子能级和电子排布第17页T=0K（基态ground state）时，最高被电子充满能级能量为EF，以下能级全满，以上能级全空。2-4-2 费米能级费米能级 (Fermi energy Level)-金属金属费米分布费米分布(Fermi distribution)：T0K时，一些电子受到激发，移到费米能级以上能级，到达平衡分布分布函数：某能级E被电子占据几率只是温度函数第18页1）T=0，EEF：f（E）=1EEF：f（E）=02）T0，E=EF：f（E）=1/2填充几率为二分之一3）T0（很低）EEF：1/2f（E）1EEF：0f（E）1/2第19页3费米能（量）：EFEF01（kBT/EF0）2/12T=0，EF=EF0。故EF0为T=0K时系统费米能量T0，EFEF0。T升高，EF降低普通温度（包含室温左右）：EFEF0（kBT/EF0仅10-2量级）费米面即能量值为费米能等能面（自由电子为球面）第20页2-4-3 固体中能带固体中能带 (Energy Band Structures in Solids)能级分裂能级分裂：n个同种原子靠近时，相同原子能级分裂(split)成n个能量不一样能级（分子轨道）能带能带(electron energy band)：许多原子聚集，由许多分子轨道组成近乎连续能级带带宽带宽：能带中最高能级与最低能级能量差与原子数目无关，仅取决于原子间距，间距小，带宽大。第21页内、外层电子能量分布第22页价带价带(Valence band)：价电子能级展宽成能带(可满可不满)满带满带(Filled band)：添满电子价带 空带空带(Empty band)：价电子能级以上空能级展宽成能带 导带导带(Conduction band)：0K时最低可接收被激发电子空带 禁带禁带(Band Gaps)：两分离能带间能量间隔，又称为能隙（Eg）第23页导导 体体：价带未填满；或满带与空带重合。绝缘体绝缘体：满价带与空导带间禁带宽，Eg5eV。半导体半导体：满价带与空导带间禁带较小，Eg2eV。能带与材料导电性：a.b.c.三种：aEg很小：热激活本征bEg较小：高价杂质N型cEg较小：低价杂质P型第24页