Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 2 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 2 Các dạng liên kết trong chất rắn, gồm các nội dung chính sau cấu tạo nguyên tử; liên kết trong chất rắn; thuyết liên kết hóa trị VB, quỹ đạo phân tử mo lý thuyết vùng năng lượng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 2 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

CHƯƠNG 2 CÁC DẠNG LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1
VIẾT TẮT • NT: nguyên tử • HCHH: hợp chất hóa • PT: phân tử học • HN: hạt nhân • KL: kim loại • VC: Vật chất • LK: liên kết • LT: lượng tử • AO: orbital nguyên tử • CHLT: cơ học lượng tử • e: electron • NL: năng lượng • TTĐT: Trạng thái điện tử • NTHH: nguyên tố hóa • ĐT: Điện từ học • T: Nhiệt độ PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2
MỞ ĐẦU  NT là những phần tử cơ bản cấu tạo nên vật chất  NT liên kết tạo nên phân tử; các PT liên kết tạo khối vật chất lớn hơn  Bản chất liên kết: được giải thích như lực hút giữa các hạt tích điện  Quan điểm CHLT: khi HN các NT tham gia liên kết sẽ sắp xếp lại mật độ e lớp ngoài cùng (e hóa trị)  Độ bền liên kết: năng lượng phá hủy nó PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 3
1. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 1.1. CẤU TẠO NT THEO MÔ HÌNH BOHR  NT gồm HN hình cầu và các e bao quanh  Điện tích dương của hạt nhân Z bằng số lượng các e bao quanh: NT trung hòa điện  Các e quay quanh HN theo quỹ đạo tròn có bán kính rn: rn= n2.0,53.10-8m (n: số tự nhiên)  Mỗi quỹ đạo ứng với một giá trị n với một mức NL En xác định, n: số lượng tử chính (số LT quỹ đạo) PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4
1.1. CẤU TẠO NT THEO MÔ HÌNH BOHR  Mỗi e có mức NL En phụ thuộc vào Z và n; n càng lớn mức năng lượng càng cao  Khi hấp thụ NL, e sẽ chuyển lên mức NL cao hơn (trạng thái bị kích thích), tồn tại ở trạng thái này 10-7 – 10-9 s, sau đó về trạng thái ban đầu, giải phóng NL bằng NL hấp thụ: ∆E= h= E2 – E1 E1: mức năng lượng ban đầu của e E2: mức năng lượng của quỹ đạo cuối của e PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 5
PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6
1.2. NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH HEISENBERG  Theo CHLT, e (cả những hạt cơ bản khác cấu tạo nên NT) thể hiện cả tính chất hạt và tính chất sóng ĐT, không thể xác định đồng thời chính xác cả tọa độ và vận tốc mà chỉ có thể xác định xác xuất tìm hạt trong không gian  Sóng ĐT lan truyền với vận tốc c, bước sóng  (tần số ): c= .  NL sóng: E= h, NL hạt: E= mc  = h/mc h: Hằng số Planck PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7
1.2. NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH HEISENBERG Nguyên lý bất định Heisenberg: ∆x.∆vx ≥ h/m ∆x: độ bất định vị trí e theo tọa độ x ∆vx: độ bất định vân tốc theo phương x m: khối lượng hạt PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8
1.3. PHƯƠNG TRÌNH SCHRÖDINGER Mô tả trạng thái e chuyển động trong NT: c2/cx2+c2/cy2+c2/cz2+82m/h2(E-V)= 0 E: năng lượng toàn phần e V: thế năng, phụ thuộc tọa độ x, y, z Hàm sóng (hàm trạng thái) (x, y, z) mô tả tr.thái chuyển động e, là hàm đơn trị, hữu hạn, liên tục PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 9
1.4. NGHIỆM CỦA PT SCHRÖDINGER Giải PT Schrödinger là xác định hàm sóng (x, y, z) và giá trị NL E tương ứng Lời giải PT sóng Schrödinger trong hệ tọa độ cầu cho thấy trạng thái chuyển động của e trong NT hydro phụ thuộc các số lượng tử: • n: số lượng tử chính • l: số lượng tử quỹ đạo • ml: số lượng tử từ • s (ms): số lượng tử spin PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 10
1.4.1. Số lượng tử chính Còn được gọi là số lượng tử quỹ đạo n (n= 1, 2, 3 …) n xác định mức năng lượng nguyên tử En n= 1 ứng với mức NL nhỏ nhất (mức bền nhất) Các mức En được ký hiệu: K (n= 1), L (n= 2), M (n= 3), N (n= 4), O (n= 5)… PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 11
1.4.2. Số lượng tử quỹ đạo l  Còn được gọi là số LT phụ hay số LT phương vị  Liên quan tới hình dạng mây e. Ứng với mỗi giá trị n, có một bộ số l nhận giá trị từ 0 đến n-1  Khi n≥ 2 (NT nhiều e) sẽ có sự phân lớp e, mỗi phân lớp ứng với một giá trị của l  Thí dụ: • n= 1: l= 0 (không có phân lớp) • n= 2: l= 0 và l= 1 (2 phân lớp) • n= 3; l= 0, l= 1, l= 2 (3 phân lớp) PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 12
1.4.2. Số lượng tử quỹ đạo l Những lớp có cùng trị số l: có quỹ đạo và NL tương tự nhau. Lớp thứ n có n phân lớp với quy ước tên mỗi phân lớp là s, p, d, f, g Để phân biệt NL cùng mức nhưng khác lớp: ghi cùng tên số LT chính 1s, 2s, 2p, 3s … Số LT l xác định giá trị momen động lượng quỹ đạo M của e PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 13
1.4.3. Số lượng tử từ ml  Momen động lượng M là một vectơ, cho phép xác định hướng đám mây e (dọc trục/xiên góc so với trục tọa độ), có trị số được tính theo giá trị l  Mỗi giá trị l có (2l+1) kiểu định hướng khác nhau của mây e, còn chiều phụ thuộc số LT từ cụ thể  ml có thể có các giá trị số: 0, ±1, ±2 … : • l= 0, mây s, ml= 0 • l= 1, mây p, ml có 2x1+1= 3, giá trị số:0, ±1 • l= 2, mây d, ml có 2x2+1= 5, giá trị số:0, ±1, ±2 PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14
Đám mây electron s, p ml= +1 ml= -1 ml= 0 Đám mây electron s Đám mây electron p PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 15
Đám mây electron d (hình dưới) PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 16
1.4.4. Số lượng tử spin s Các số LT n, l, ml: mô tả chuyển động đám mây e quanh HN NT Mỗi e còn tự quay quanh chính mình với động lượng riêng Ms không phụ thuộc các số LT quỹ đạo. Chuyển động tự quay này được mô tả bằng số LT spin s PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 17
1.5. SƠ ĐỒ MỨC NĂNG LƯỢNG Với NT nhiều e, thường dùng hàm sóng mô tả theo quy luật cộng tính: Ψ= nCii ; Ci: các hằng số, i: số e trong NT Không có nghiệm đúng Ψ về mặt toán học nhưng có thể đưa ra trật tự sắp xếp các e theo thứ tự NL tăng dần PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 18
1.5. SƠ ĐỒ MỨC NĂNG LƯỢNG  Thường dùng các ô LT để biểu diễn sự sắp xếp các e trong NT. Mỗi e được biểu diễn bằng một ký hiệu tương ứng trong 1 ô LT  Mức NL của e phụ thuộc cả n lẫn l nên không phải lúc nào e ở mức n cao hơn cũng sẽ có mức NL lớn hơn  Khi NT lượng tăng, số e cũng tăng, chúng sẽ lần lượt lấp đầy vào các lớp và phân lớp theo thứ tự NL tăng dần PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 19
1.5. SƠ ĐỒ MỨC NĂNG LƯỢNG  Ký hiệu thứ tự các lớp: K, L, M, N … ứng với số LT chính n= 1, 2, 3, 4 …  Mỗi lớp chứa 1 hoặc nhiều phân lớp, kí hiệu: s, p, d, f, g ứng với số LT phụ m= 0, 1, 2, 3, 4  Các e được sắp xếp theo thứ tự mức NL tăng dần như sau: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 5s …  Có thể sử dụng sơ đồ Aufbau về thứ tự tăng dần mức NL của e PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 20