Кафедра физики ЛЕКЦИЯ 9 ПЛАН ЛЕКЦИИ 1 Элементы

Кафедра физики ЛЕКЦИЯ 9 ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. Элементы физики твердого тела. Кристаллические и аморфные вещества. Кристаллическая решетка. 2. Виды межатомных связей в твердых телах. Общая физика. «Элементы квантовой статистики» 1

Кафедра физики Элементы физики твёрдого тела Предмет физики твёрдого тела - изучение состава твёрдых тел, их атомно-электронной структуры, установление зависимости между составом и структурой и физическими свойствами. Основные виды твёрдых тел. Кристаллы Существуют два вида твёрдых веществ, отличающиеся структурой: кристаллические и аморфные. Кристаллические вещества - твёрдые тела, в которых атомы расположены упорядоченно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решётку Аморфные тела не имеют упорядоченной структуры и их можно рассматривать как жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости. Общая физика. «Элементы физики твердого тела» 2

Элементы физики твёрдого тела Кафедра физики Кристаллическая решетка - это упорядоченное расположение частиц (атомов, молекул, ионов) в строго определённых точках пространства. Точки размещения частиц - узлы решётки. Изучает кристаллы прикладная наука - кристаллография. Примеры кристаллических решеток: Ион Na + + + Ион Cl - + + а). Поваренная соль. В узлах - б). Металлы. В узлах ионы хлора и натрия. - ионы металла. Общая физика. «Элементы физики твердого тела» в). Алмаз. 3

Кафедра физики Элементы физики твёрдого тела Понятие о кристаллической решётке. Элементарная ячейка кристалла (кристаллической решетки) - структурная единица, содержащая как один, так и несколько атомов. Строение элементарной ячейки определяет многие свойства кристалла: электрические, магнитные, механические. Ячейку выбирают. Принцип выбора: наиболее простая форма (наибольшее число прямых углов), минимальный объемно-центрированная кубическая решетка α-железа Элементарная ячейка Общая физика. «Элементы физики твердого тела» 4

Кафедра физики Элементы физики твёрдого тела Понятие о кристаллической решётке. Выбранную элементарную ячейку и кристалл в целом нужно как-то характеризовать (описывать). Ячейку характеризуют тремя векторами , , , совпадающими с ее тремя ребрами, сходящимися в одной точке, и углами α, β, γ между ними. Для полного описания структуры кристалла необходимо дополнительно задать пространственную решетку и базис Эти параметры содержатся во всех справочниках по структуре веществ Общая физика. «Элементы физики твердого тела» 5

Кафедра физики Элементы физики твёрдого тела Понятие о кристаллической решётке. В зависимости от углов , , и соотношения между a, b, c различают 7 кристаллических систем. Простейшие это кубические системы (a = b = c и = = ). Простая Объёмно-центрированная Гране-центрированная Период кристаллической решётки (длина ребра элементарной ячейки решётки) a, b, c составляет порядка единиц ангстрем ( 10 -10 м). решётки Для обозначения узлов, направлений и плоскостей кристаллов используются индексы Миллера - изучить самостоятельно! Общая физика. «Элементы физики твердого тела» 6

Элементы физики твёрдого тела Кафедра физики Виды межатомных связей (типы кристаллов) в твёрдых телах Атомы заставляет объединяться и формировать разные типы кристаллической решетки электростатическая энергия взаимодействия зарядов. По характеру связи атомов выделяют 5 типов кристаллов: - ионные кристаллы, ионные - ковалентные кристаллы, ковалентные - металлические кристаллы, металлические - Ван-дер-Ваальсовы (молекулярные) кристаллы, Ван-дер-Ваальсовы молекулярные - молекулярные кристаллы с водородными связями. молекулярные связями Деление условное, существуют кристаллы со смешанным характером связей (переходные). Общая физика. «Элементы физики твердого тела» 7

Элементы физики твёрдого тела Кафедра физики Ионная связь (ионные кристаллы). Формируются под влиянием электростатического взаимодействия разноименно или одноименно заряженных ионов. Взаимодействуют щелочные металлы (K, Na, Li, Rb, Cs, Fr) и галоиды (F, Cl, Br, I, At – астат). + = поваренная соль. Na Na + Cl Cl Атом металла превращается в положительный ион, а атом галоида в отрицательный ион. Ионы взаимодействуют друг с другом по закону Кулона, как два разноимённых заряда. Ионные кристаллы по физическим свойствам являются изоляторами. По оптическим свойствам чистые кристаллы прозрачны в широком спектральном диапазоне. Общая физика. «Элементы физики твердого тела» 8

Кафедра физики Ковалентные кристаллы Это соединения типа H 2, O 2, N 2, C, Si, Ge (последние три имеют решётку типа алмаза). Ковалентная связь (атомная связь) - химическая связь, образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных электронных облаков. За счет перекрытия электронных облаков между атомами образуется сгусток отрицательного заряда, который стягивает два атома. Типичный ковалентный кристалл - алмаз. Кристаллическая решетка алмаза - гранецентрированная кубическая решетка с четырьмя дополнительными частицами. В такой решетке каждый атом окружен четырьмя соседями, расположенными симметрично по углам тетраэдра относительно него. Общая физика. «Элементы физики твердого тела» 9

Элементы физики твёрдого тела Кафедра физики Металлические кристаллы В металлических кристаллах внешние электроны атомов могут свободно перемещаться между ионными остовами. Эти электроны образуют как бы отрицательно заряженное облако, в котором находятся ионы металла. Взаимодействие этих ионов друг с другом и с электронным облаком ведет к упорядоченному расположению ионов в металле. + + + Электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; иначе решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Общая физика. «Элементы физики твердого тела» 10

Элементы физики твёрдого тела Кафедра физики Ван-дер-Ваальсовы кристаллы Образуются из электрически нейтральных атомов за счет диполь - дипольного взаимодействия между ними. Такие системы в твёрдом состоянии образуют молекулярные кристаллы. Силы обусловлены поляризацией атомов при сближении друг с другом. до сближения после сближения Связь Ван-дер-Ваальса наиболее универсальна. Возникает между любыми частицами, но это наиболее слабая связь, энергия ее примерно на два порядка ниже энергии ионной и ковалентной связи. Общая физика. «Элементы физики твердого тела» 11

Элементы физики твёрдого тела Кафедра физики Молекулярные кристаллы с водородными связями Молекулярные Разновидность молекулярной связи (связи Ван-дер-Ваальса) - водородная связь. При определённых условиях атом водорода может быть связан прочно с двумя другими атомами. Один из атомов забирает себе электрон водорода, превращая его в протон, которому иногда энергетически выгоднее оказаться между двумя отрицательно заряженными ионами, чем быть связанным только с одним из атомов. Наибольшее значимыми являются те водородные связи, которые образуются между двумя электроотрицательными атомами, в особенности между атомами N, O, F. F - H + O - Пример: H 2, N 2, O 2, CO 2, H 2 O. Общая физика. «Элементы физики твердого тела» 12