《大学物理学》课程教学资源（PPT课件）第六章 气体、固体和液体的基本性质 §6-7 晶体中粒子的相互作用

S6-7晶体中粒子的相互作用晶体表现出各自特性在于构成晶体的粒子之间存在着与其结构相对应的相互作用。晶体中粒子之间的相互作用，称为结合力。当原子结合成晶体时，原子的外层电子要重新分布，这种因电子分配关系所产生的相互结合类型，称为化学键不同的化学键导致不同类型的晶体。一、晶体的结合使原子失去一个电子所需的能量称为原子的电离能：一个原子获得一个电子成为负离子所释放的能量称头为原子的电子亲和能。原子的电离能和亲和能的相对大小反映了原子吸引电子的能力，可用电负性来量度

1 §6-7 晶体中粒子的相互作用 晶体表现出各自特性在于构成晶体的粒子之间存在 着与其结构相对应的相互作用。 晶体中粒子之间的相互作用，称为结合力。当原子 结合成晶体时，原子的外层电子要重新分布，这种因 电子分配关系所产生的相互结合类型，称为化学键。 不同的化学键导致不同类型的晶体。 一、晶体的结合 使原子失去一个电子所需的能量称为原子的电离能; 一个原子获得一个电子成为负离子所释放的能量称为 原子的电子亲和能。原子的电离能和亲和能的相对大 小反映了原子吸引电子的能力，可用电负性来量度

Na1.离子键结合（ionicbond）两种元素的原子相结合时失去电子的成为正离子，获得电子的成为负离子，正、负离子依靠静电力而结合在一起构成离子晶体描述离子键强弱程度的物理量是有效电荷Z，定义为Z'=εn，式中ε表示原子电离程度的因子，称为电离度，n是原子形式上的价数。理论计算&结果NaCl:0.82，LiF:0.83，KCI:0.92RbCI:0.94，HCI:0.18。这些值与实验测得的结果基本相符。实际申荷值要小且一般不是整数

2 1. 离子键结合(ionic bond) 两种元素的原子相结合时， 失去电子的成为正离子，获得 电子的成为负离子，正、负离 子依靠静电力而结合在一起， 构成离子晶体。 描述离子键强弱程度的物理量是有效电荷Z  ，定 义为Z =n，式中表示原子电离程度的因子，称为 电离度，n是原子形式上的价数。 理论计算结果NaCl0.82，LiF0.83，KCl0.92， RbCl0.94，HCl0.18。这些值与实验测得的结果基 本相符。实际电荷值要小且一般不是整数

2.共价键结合（covalentbond)当电负性较大的同种原子结合成晶体时，相邻的两个原子各自将一个外层申子贡献出来，形成共享形式，这两个电子的活动范围也在这两个原子之间使两个原子结合。被共享的电子称为配对电子，电子配对的方式称为共价键，以共价键结合的晶体称为原子晶体。金刚石结构，碳原子最外层有四个价电子可与周围的原子形成共价键，构成四面体结构：中心碳原子与四个顶角上的每个碳原子都共享两个价电子，形成四根键

3 2. 共价键结合(covalent bond) 当电负性较大的同种原子结合成晶体时，相邻的 两个原子各自将一个外层电子贡献出来，形成共享 形式，这两个电子的活动范围也在这两个原子之间 使两个原子结合。被共享的电子称为配对电子，电 子配对的方式称为共价键，以共价键结合的晶体称 为原子晶体。 金刚石结构，碳原子最外 层有四个价电子可与周围的 原子形成共价键，构成四面 体结构：中心碳原子与四个 顶角上的每个碳原子都共享 两个价电子，形成四根键

3.分子键结合（molecularbond）当分子直接结合成晶体时，是依靠分子之间的范德瓦耳斯力彼此结合在一起的，这种结合方式称为分子键或范德瓦耳斯键。范德瓦耳斯键是一种很弱的结合力，与气体分子之间或液体分子之间情形相类似。由范德瓦耳斯键构成的晶体称为分子晶体低温下的性气体，如氩、、氪和氙等以及大部分有机物所形成的晶体，都属于分子晶体4.金属键结合（metallicbond）电负性很小的元素构成元素晶体时，脱离原子的价电子称为自由电子，因而为整个晶体所共有。自由电子与点阵正离子之间的相互作用就是金属键。由金属键构成的晶体称为金属晶体，简称金属

4 3. 分子键结合(molecular bond) 当分子直接结合成晶体时，是依靠分子之间的范德 瓦耳斯力彼此结合在一起的，这种结合方式称为分子 键或范德瓦耳斯键。范德瓦耳斯键是一种很弱的结合 力，与气体分子之间或液体分子之间情形相类似。由 范德瓦耳斯键构成的晶体称为分子晶体。 低温下的惰性气体，如氩、氖、氪和氙等以及大部 分有机物所形成的晶体，都属于分子晶体。 4. 金属键结合(metallic bond) 电负性很小的元素构成元素晶体时，脱离原子的价 电子称为自由电子，因而为整个晶体所共有。自由电 子与点阵正离子之间的相互作用就是金属键。由金属 键构成的晶体称为金属晶体，简称金属

5.氢键结合（hydrogenbond)氢原子的电负性很大，一般氢原子先与某种电负性大的A原子(O或N)形成共价键结合，致使原来球对称的电子云向A原子一侧位移，表现出正极性的氢核一侧则可以与另一个电负性较大的B原子(N,O,E, CI或S)相结合这种结合称为氢键结合。可以用符号A-H..B表示*一、结合力的共同特征晶体中原子间的相互作用力，在较远距离上以引力为主，在较近距离上以斥力为主。当两原子间距使两种作用互相抵消时，晶体就处于稳定状态。两个原子的相互ＡB作用势能表示为u(r)rmrn两个原子之间的nBdu mAF(r)作用力形式为1.n+1rm+1drL9

5 5. 氢键结合(hydrogen bond) 氢原子的电负性很大，一般氢原子先与某种电负性大 的A原子(O或N)形成共价键结合，致使原来球对称的电 子云向A原子一侧位移，表现出正极性的氢核一侧则可 以与另一个电负性较大的B原子(N, O, F, Cl或S)相结合， 这种结合称为氢键结合。 可以用符号A-HB表示。 *二、结合力的共同特征 u r A r B r m n ( ) = − 晶体中原子间的相互作用力，在较远距离上以引力为 主，在较近距离上以斥力为主。当两原子间距使两种作 用互相抵消时，晶体就处于稳定状态。两个原子的相互 作用势能表示为 1 1 d d ( ) + + = − = − m n r nB r mA r u F r 两个原子之间的 作用力形式为

从u(r)和F(r)的关系曲线可以看到，u(r)能量极小值的稳定平衡状态对应于原子间距为r处，此处对应于原子间作0C用力为零，所以下面两个关系成立：F(r))du)>000dydrmA1/(m-n)由第一个关系可以得到r=（nBAm(m - n)0福将ro代入上面的第二个关系，可得Bn(n + 1)由上式可以得到m>n。表示两原子之间的斥力作用比引力作用随间距的增大衰减得更快

6 从u(r)和F(r)的关系曲线可以看到， 能量极小值的稳定平衡状态对应于原 子间距为r0处，此处对应于原子间作 用力为零，所以下面两个关系成立 : ( ) d d u r r 0 = 0 ( ) d d 2 u r 2 r 0  0 1 ( ) 0 ( ) m n nB mA r − 由第一个关系可以得到 = Am m n Bn n ( ) ( ) − +  1 将r 0 0代入上面的第二个关系，可得 由上式可以得到m>n。表示两原子之间的斥力作 用比引力作用随间距的增大衰减得更快。 o o u(r) F(r) r r r0 rm

自由粒子结合成晶体时所释放的能量，或把晶体拆散成单个自由粒子所需提供的能量，称为结合能。可认为晶体中原子之间相互作用势能的总和，数值上就等于晶体的结合能。由N个原子组成的晶体的结合能可以表示为NN福ZZu(n)U一2ijti结合能的大小反映了晶体中原子结合的牢固程度。实验测得氯化钠晶体的U为7.66×105J·mol-1，金刚石的为7.11x105J·mol-1，氧化铝的为151.38×105J·mol-1，铜晶体的为3.39x105J·mol-l，分子晶体的结合能最低，在0.042×105~0.209×105J·mol-1的范围内

7 结合能的大小反映了晶体中原子结合的牢固程度。 实验测得氯化钠晶体的U为7.66105Jmol-1 , 金刚石的 为7.11105Jmol-1 ，氧化铝的为151.38105Jmol-1 ，铜 晶体的为3.39105Jmol-1 ，分子晶体的结合能最低，在 0.0421050.209105Jmol-1的范围内。 自由粒子结合成晶体时所释放的能量，或把晶体拆 散成单个自由粒子所需提供的能量，称为结合能。可 认为晶体中原子之间相互作用势能的总和，数值上就 等于晶体的结合能。由N个原子组成的晶体的结合能 可以表示为 U u rij j i N i N =   1 2 ( )