›
›

Bài giảng Vật lý chất rắn - Chương 2: Liên kết trong tinh thể chất rắn - Lê Văn Thăng

Download
Chöông II  
LIEÂN KEÁT TRONG TINH  
THEÅ CHAÁT RAÉN  
I. CAÙC LOAÏI LIEÂN KEÁT TRONG TINH THEÅ  
Caùc nguyeân töû khi tieán laïi gaàn nhau ñeå taïo thaønh  
tinh theå → Coù söï töông taùc giöõa chuùng → Naêng  
löôïng cuûa toaøn heä giaûm. Ñoä giaûm naêng löôïng naøy  
xaùc ñònh naêng löôïng lieân keát cuûa tinh theå.  
Naêng löôïng lieân keát khaùc nhau giöõa caùc loaïi tinh  
theå:  
Tinh theå khí trô:  
Elieân keát = 0.02 → 0.2 eV/nguyeân töû  
Tinh theå kim loaïi kieàm:  
Elieân keát = 1 eV/nguyeân töû  
Tinh theå nhoùm 4 nhö Ge, Si:  
E
lieân keát
= 4 ; 5
→
7,36 eV/nguyeân töû  
1. BAÛN CHAÁT CUÛA CAÙC LÖÏC TÖÔNG TAÙC TRONG TINH THEÅ  
Khi caùc nguyeân töû laïi gaàn nhau, giöõa caùc nguyeân  
töû coù theå coù caùc töông taùc:  
+ Töông taùc haáp daãn.  
+ Töông taùc töø.  
+ Töông taùc tónh ñieän.  
Neáu hôïp caùc töông taùc ñoù laøm naêng löôïng heä giaûm  
→ löïc huùt giöõa caùc nguyeân töû seõ thaéng → tinh  
theå oån ñònh.  
Neáu hôïp caùc töông taùc ñoù laøm naêng löôïng heä taêng  
→ löïc ñaåy thaéng → tinh theå khoâng hình thaønh.  
Giaû söûoxeùt töông taùc giöõa hai nguyeân töû gaàn nhau nhaát caùch  
A
nhau 3  
+ Vôùnguyeân tönaëng nhaácoA = 250 naêng löôïng haáp daãn  
vaøo khoaûn:  
Uhấp dẫn ~ 2,4.10-32 eV  
+Vôùi caùc nguyeân töû coù momen töø cô baûn baèng magnetron  
Born naêng löôïng töông taùc:  
Utöø ~ - 7.10-6 eV  
+ Vôùi caùc nguyeân töû coù ñieän tích e: naêng löôïng huùt tónh  
ñieän:  
e2  
Uñieän = Uhuùt ~ -  
~ -5eV  
r
Nhö vaäy:  
Uñieän >> Utöø >> Uhaáp daãn  
Vaäy nguoàn goác lieân keát chính trong tinh theå laø töông taùc tónh ñieän.  
TƯƠNG TAÙC TÓNH ÑIEÄN  
Töông taùc tónh ñieän trong tinh theå goàm:  
Töông taùc huùt vaø töông taùc ñaåy  
➢ Töông taùc huùt giöõa caùc ñieän tích traùi daáu:  
electron – haït nhaân  
e2  
Uhuùt ~ -  
r
➢ Töông taùc ñaåy giöõa caùc ñieän tích cuøng da:  
haït nhaân – haït nhaân; electron – electron  
A
Uñaåy =  
rn  
Trong ñoù: A, n = haèng soá, n >> 1; r : khoaûng caùch giöõa hai  
nguyeân töû.  
Vaäy: Naêng löôïng töông taùc giöõa hai nguyeân töû goàm:  
U(r) = Uhuùt + Uñaåy  
Khi r = ro , U(ro) = Umin  
U ( r)  
ro = khoaûng caùch thöïc  
giöõa hai nguyeân töû gaàn nhau  
nhaát trong tinh theå.  
Khi r → 0 :  
Uñaåy >> Uh U(r) →   
uùt  
r
r0  
Khi r →  :  
Uñaåy << Uh = 0 U(r) → 0  
Umin  
2. CAÙC LOAÏI LIEÂN KEÁT TRONG CHAÁT RAÉN  
Söï khaùc bieät giöõa caùc loaïi lieân keát trong chaát raén laø  
do söï phaân boá cuûa caùc ñieän töû hoùa trò cuûa caùc  
nguyeân töû.  
Khi ñöa caùc nguyeân töû laïi gaàn nhau ñeå taïo tinh theå  
chaát raén, chuùng coù söï phaân boá laïi caùc ñieän töû trong  
caùc nguyeân töû. Quaù trình naøy thoûa ñieàu kieän:  
+ Baûo toaøn ñieän tích cuûa heä.  
+ Xu höôùng sao cho caùc nguyeân töû coù lôùp voû  
ngoaøi cuøng ñaày e-.  
Tuøy theo soá electron hoùa trò cuûa caùc nguyeân töû maø  
chuùng coù theå phaân boá laïi electron baèng caùch:  
nhöôøng, hay thu, hay goùp chung caùc electron hay chæ  
bieán daïng caùc lôùp voû e-.  
CAÙC LOAÏI LIEÂN KEÁT CÔ BAÛN TRONG TINH THEÅ  
1-Lieân keát Van der Waals  
Lieân keát yeáu giöõa caùc nguyeân töû trung hoøa bôûi töông taùc  
Van der Waals – London do söï thaêng giaùng trong phaân  
boá ñieän tích cuûa caùc nguyeân töû.  
2-Lieân keát ion  
Caùc nguyeân töû trao ñoåi ñieän töû hoùa trò vôùi nhau ñeå taïo  
thaønh caùc ion (+) vaø ion (-) → lieân keát baèng löïc huùt  
tónh ñieän cuûa caùc ion traùi daáu.  
3-Lieân keát ñoàng hoùa trò  
Lieân keát giöõa caùc nguyeân töû baèng caùch goùp chung caùc  
electron hoùa trò → Caùc nguyeân töû trung hoøa coù söï phaân  
boá electron chuøm leân nhau moät phaàn.  
4-Lieân keát kim loaïi  
Caùc electron hoùa trò ñöôïc giaûi phoùng khoûi nguyeân töû vaø  
coù theå di chuyeån töï do trong tinh theå. Caùc ion (+ñöôïc  
naèm ôvtrnumaïn.  
II. VÍ DUÏ MINH HOÏA CHO CAÙC LOAÏI LIEÂN  
KEÁT TRONG CHAÁT RAÉN  
1. TINH THEÅ KHÍ TRÔ  
A. ÑIEÅN HÌNH  
Caùc tinh theå khí trô nhö He, Ne, Ar coù lôùp voû ñieän töû hoùa trò  
hoaøn toaøn ñaày, naêng löôïng ion hoùa raát lôùn, naêng löôïng lieân  
keát giöõa caùc nguyeân töû raát yeáu, khoâng ñuû laøm bieán daïng caùc  
lôùp voû electron cuûa chuùng  
→ töông taùc chuû yeáu Van der Waals – London  
Xehanguyeân tö1 va2 caùch nhau mokhoaûng r như hìn.  
Nguyeân töû 2  
Nguyeân töû 1  
E
p2  
p1  
r
Töông taùc van der Waals – London  
Giaû söû ôû thôøi ñieåm t, nguyeân töû 1 coù momen löôõng cöïc ñieän  
1
E
töùc thôøi laø → sinh ra moät ñieän tröôøng coù ñoä lôùn taïi taâm  
P
cuûa nguyeân töû 2 laø:  
2P  
1
r3  
E =  
Momen löôõng cöïc ñieän caûm öùng taïi nguyeân töû 2 laø P2:  
2P  
1
P2 = E =  
r3  
Trong ñoù = ñoä phaân cöïc ñieän  
Theá naêng töông taùc giöõa hai momen , laø:  
P2  
P
1
   
1 2  
4o r3  
   
   
1 P .P 3(P .r)(P2.r)  
1
U1(r) =  
−
r5  
Vì // neân:  
P2  
P
1
1 P P 3P r.P r  
2P P  
1 4P2  
4o  
1 2  
r3  
1
r5  
2
1 2  
4or3  
1
U1(r) =  
−
= −  
= −  
r6  
4o  
C
r6  
U1(r) = Uhuùt = - Töông taùc huùt  
Nguyeân töû caøng gaàn nhau lieân keát caøng maïnh Töông  
taùc Van der Waals – Lon don ñoùng vai troø chính trong  
caùc lieân keát cuûa caùc tinh theå khí trô.  
Khi ñöa caùc nguyeân töû laïi gaàn nhau hôn → coù  
theâm töông taùc ñaåy coù daïng:  
A
r12  
Uñaåy =  
Theá naêng töông taùc toaøn phaàn:  
C
A
r12  
U(r) = Uhuùt(r) + Uñaåy(r) = - +  
r6  
12  
6   
r
r
     
−
Hay : U(r) = 4    = Theá Lennard – Jones  
     
Trong ñoù: C 46 ; A 412 laø caùc haèng soá döông  
U(r)  
4  
r
r0  
Umin  
Theá Lennard – Jones  
Vaäy: Töông taùc Van der Waals – London ñoùng vai  
troø chính trong lieân keát cuûa caùc tinh theå khí trô.  
B. MOÄT SOÁ TÍNH CHAÁT CUÛA  
TINH THEÅ KHÍ TRÔ  
➢ Lieân keát cuûa tinh theå khí trô laø lieân keát Van der  
Waals → töông taùc huùt → xu höôùng caùc nguyeân  
töû keùo veà mình soá caùc nguyeân töû laân caän toái ña.  
→ Tinh theå coù caáu truùc xeáp chaët: laäp phöông taâm  
maët cho ña soá tinh theå khí trô, vaø luïc giaùc xeáp chaët  
vôùi tinh theå He.  
➢ Caùc tinh theå khí trô laø chaát ñieän moâi trong suoát coù  
naêng löôïng lieân keát nhoû vaø nhieät ñoä noùng chaûy  
thaáp, deã neùn.  
Naêng löôïng lieân keát cuûa caùc tinh theå khí trô  
Giaû söû tinh theå khí trô laø moät taäp hôïp caùc nguyeân töû naèm taïi  
nuùt maïng, boû qua ñoäng naêng cuûa chuùng  
→ Naêng löôïng töông taùc cuûa nguyeân töû naèm taïi goác toïa ñoä  
vôùi caùc nguyeân töû coøn laïi i trong tinh theå laø theá naêng:  
i
U = U(r )  
i=1  
    
i3 3  
= n a + n a + n a  
Vôùi:  
i1 1  
i2 2  
ri R : khoaûng caùch giöõa hai nuùt laân caän gaàn nhaát.  
Naêng löôïng toång coäng trong tinh theå coù N nguyeân töû (töùc laø  
N
coù caëp nguyeân töû) baèng toång naêng löôïng töông taùc cuûa  
2
N.U  
caùc caëp nguyeân töû  
2
→ Naêng löôïng töông taùc tính treân moät nguyeân töû laø:  
1 N.U U  
u = . =  
N 2
 
2  
Maët khaùc, theo theá Lennard _ Jones ta coù:  
12  
6   
   
     
Ñaët ri = iR  
U(r) = 4  
−
     
r r  
     
12  
12  
6   
     
   
1   
   
 6  
12  
6
42  
   
1   
   
     
−
   
   
   
u =  
= 2  
.
−
.
   
   
     
ri  
ri  
R  
R  
   
   
i
i
     
   
   
i
i
12  
6   
   
   
u = 2A  
− A .  
    
6     
12  
R
R
   
   
 n  
1
Vôùi An =  
   
   
i  
i=1  
   
An phuï thuoäc → Loaïi maïng tinh theå vaø n.  
Khi n →  : An → soá laân caän gaàn nhaát.  
VD: maïng laäp phöông taâm maët An = 12.  
Khi n giaûm → An taêng vì coù söï ñoùng goùp  
cuûa caùc nguyeân töû ôû xa hôn.  
Khoaûng caùch caân baèng Ro giöõa caùc laân caän gaàn nhaát ñöôïc  
tính töø ñieàu kieän:  
U  
R  
= 0  
R=Ro  
6
A6.6  
U  
R  
A1212.12  
→
= 2 −  
+
= 0  
R11  
R5  
R=R  
o
6A66  
2A1212  
2A  
→
→
Ro =  
12 .1.09  
6
=
R1o1  
R5o  
A6  
Keát quaû lí thuyeát naøy phuø hôïp toát vôùi keát quaû thöïc nghieäm  
ñoái vôùi caùc nguyeân töû coù khoái löôïng lôùn, coøn ñoái vôùi caùc  
nguyeân töû coù khoái löôïng nhoû thì coù söï sai khaùc ñaùng keå.  
Nguyeân nhaân laø do boû qua ñoäng naêng cuûa caùc nguyeân töû.  
Naêng löôïng lieân keát caân baèng  
12  
6   
2A  
R
   
   
R
   
   
A
− A .  
6
Ro =  
12 .  
12    
   
Theá  
vaøo coâng thöùc: u = 2  
,
6
A6  
ta tính ñöôïc naêng löôïng lieân keát caân baèng:  
6   
12  
2A12  
A6  
2A12  
A6  
A12  
− A6.  
uo = 2  
6  
6  
.  
.  
A62  
A62  
A62  
−
= −  
 = −8.6  
u = 2  
o
4A12 2A12  
2A12  
Keát quaû naøy cuõng phuø hôïp vôùi keát quaû thöïc nghieäm ñoái vôùi  
caùc nguyeân töû coù khoái löôïng lôùn.  
Khi khoái löôïng giaûm → coù söï sai leäch nhieàu vôùi keát quaû  
thöïc nghieäm.  
Nguyeân nhaân laø do boû qua ñoäng naêng cuûa caùc nguyeân töû.  
Ñoä cöùng cuûa tinh theå B  
Ñoä cöùng B cuûa tinh theå laø soá ño cuûa naêng löôïng caàn ñeå laøm  
bieán daïng tinh theå. Tinh theå coù B caøng lôùn thì caøng cöùng.  
Nghòch ñaûo cuûa B laø ñoä neùn cuûa tinh theå.  
P  
V  
Theo ñònh nghóa:  
B = -V.  
Vôùi: V laø theå tích cuûa tinh theå; P laøTaùp suaát.  
ÔÛ nhieät ñoä T = 0oK, aùp suaát ñöôïc tính:  
2U  
U  
P = -  
→ B = V.  
V2  
V  
Ta coù: Naêng löôïng cuûa moät haït: u = → U = Nu  
T=0  
U
N
V
Theå tích cuûa moät haït: v = → V = Nv  
N
 u  
   
 U  
   
 (Nu)  
B = v.  
= Nv.  
.
   
v v  
B = Nv.  
   
V V  
(Nv) (Nv)  
   
   
Tải về để xem bản đầy đủ
ppt 37 trang myanh 28320 Free
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vật lý chất rắn - Chương 2: Liên kết trong tinh thể chất rắn - Lê Văn Thăng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pptbai_giang_vat_ly_chat_ran_chuong_2_lien_ket_trong_tinh_the_c.ppt