热学第七章ppt课件.ppt

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1、目录,1. 晶体2. 晶体中粒子的结合力和结合能3. 晶体中粒子的热运动,物质的基本形态,气态固态 液态,晶体、液晶、玻璃态、超流体、超导体等,固体物理学（Solid State Physics）,凝聚态物理学 （Condensed Matter Physics）,1. 晶体（1）,晶体： 水晶、金属、钻石、冰等固体 非晶体: 玻璃、橡胶、塑料、沥青等一、晶体的宏观特性,石英 NaCl 云母 钻石,1. 晶体（2）,晶面、晶棱、晶角晶面角守恒定律晶体的基本特性：各向异性：解理面、石蜡熔化实验熔点：多晶体：金属,1. 晶体（3）,二、晶体的微观结构,1. 晶体（4）,晶格整体平移一定距离后与 自

2、身重合，此距离称为晶格 的平移周期，在不同方向上 有不同的平移周期。最小的 几何单位称为原胞，原胞各 边的尺寸称为点阵常数。具有平移对称性的晶格，只能 有2、3，4、6重旋转对称性,3重旋转对称性,1. 晶体（5）,准晶：不具有严格平移对称性， 从而可具有5、8、12重旋转对 称性的物质。常见的周期点阵：体心立方点阵、面心立方点阵、六方点阵晶体的表面：表面的存在破坏了晶体严格的平移对称性。纳米材料：L10-9 m,2. 晶体中粒子的结合力和结合能（1）,试问1：原子为什么会聚在一起形成凝聚体？试问2：同样的原子聚在一起为什么会形成物理化学性质截然不同的物质？如碳原子的各种同素异形体。,黑色、导

3、电，耐高温,透明、绝缘，可燃,2. 晶体中粒子的结合力和结合能（2）,一、晶体中粒子的结合力 离子键 共价键化学键： 范德瓦耳斯键 氢键 金属键,2. 晶体中粒子的结合力和结合能（3）,1. 离子键： 库伦吸引力离子晶体通常由金属和非金属原子以离子键结合。其构成离子可以在溶剂中以游离的形式存在。,Cl-,Na+,2. 晶体中粒子的结合力和结合能（4）,2. 共价键： 共用电子对由共价键的作用组成的晶体称为原子晶体原子晶体的特点为：硬度大、熔点高、导电性差等,2. 晶体中粒子的结合力和结合能（5）,3. 范德瓦耳斯键： 分子间的微弱吸引力由范德瓦耳斯键的作用所组成的晶体 称为分子晶体分子晶体的特

4、点是：硬度小、熔点低、 易挥发,范德瓦耳斯（18371923）,+,-,+,-,+,-,+,-,低静电势能,高静电势能,瞬时偶极矩,2. 晶体中粒子的结合力和结合能（6）,4. 金属键：共用游离电子各种金属原子以金属键的作用结合成金属金属键没有方向性 金属具有很好的延展性游离电子 良好的导电性和导热性,2. 晶体中粒子的结合力和结合能（7）,5. 氢键： 氢原子参与的特殊化学键以氢键形式结合的晶体有：冰、氟化氢晶体等氢键的产生是由于氢原子外层只有一个电子，当它与其他原子形成共价键后，氢原子核几乎完全暴露出来，形成较强的电极性。对于具体的物质，其原子结合 形式不一定是单纯的，可以是 几种化学键同

5、时起作用。,2. 晶体中粒子的结合力和结合能（8）,二、结合力的普遍特性 结合能五种化学键的共同特征：结合力可以分为排斥和吸引两部分。在范德瓦尔斯键和离子键情形下，整个晶体的势能可以表示为： 思考，要形成稳定的结构，m和n哪个更大？对应的相互作用力为： 思考，相互作用力为零的地方，势能有什么特点？,2. 晶体中粒子的结合力和结合能（9）,例：计算由N对一价正负离子交错排列的一维点阵的静电相互作用能量。最近邻的静电势能：第n相邻间的静电势能：总势能：,2. 晶体中粒子的结合力和结合能（10）,马德隆常数：一般情况下，离子晶体的静电势能，可以写成：其中 称为马德隆常数，它的值取决于晶格结构。总势能

6、可以写成：,2. 晶体中粒子的结合力和结合能（11）,三、晶体弹性的微观解释压缩情形:弯曲情形:剪切情形:胡克定律的微观理解,3. 晶体中粒子的热运动（1）,决定物质热学性质的内因是分子力和分子的热运动。对于气体，热运动的能量占主要地位；对于晶体分子间的势能占主要地位。晶体中粒子的热运动并不能破坏粒子之间的结合，只是使粒子在平衡位置附近做微小的振动，即热振动。另一种比较剧烈的热运动是少数粒子脱离结点的运动，从而使粒子由一个地方移到另一个地方。,3. 晶体中粒子的热运动（2）,一、热振动振动幅度0.1晶格常数 振动自由度：3N-6 3N 每个自由度的平均能量：kT（动能+势能） 摩尔热容：Cm=3R (杜隆-珀蒂定律)受热膨胀与格点原子作用力曲线的关系,3. 晶体中粒子的热运动（3）,二、热缺陷的产生和运动 扩散晶体中粒子的热运动能量和气体中一样，也有一定的统计分布，在一定温度下，总有一些粒子具有足够的能量脱离平衡位置而形成缺陷，这种由于粒子热运动而产生的缺陷，称为热缺陷热缺陷可分为填充粒子和空位两种。,填充粒子型,空位型,3. 晶体中粒子的热运动（4）,例：假设把一个钠原子从钠晶体的内部移到边界上，所需要的能量为1eV，计算1000K下空位数目占粒子总数的百分比。近邻空位的粒子跳到空位上去所需的平均时间：粒子跳到空位上的概率：粒子每秒振动的次数：,