Bài giảng Vật lý chất rắn: Chương 2 - TS. Lê Văn Thăng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:37

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Vật lý chất rắn" Chương 2: Liên kết trong tinh thể chất rắn, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: các loại liên kết trong tinh thể; các loại liên kết trong chất rắn; ví dụ minh họa cho các loại liên kết trong chất rắn. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý chất rắn: Chương 2 - TS. Lê Văn Thăng

Chöông II LIEÂN KEÁT TRONG TINH THEÅ CHAÁT RAÉN CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
•Giaû söû oxeùt töông taùc giöõa hai nguyeân töû gaàn nhau nhaát caùch nhau 3 A + Vôùi nguyeân töû naëng nhaát coù A = 250 naêng löôïng haáp daãn vaøo khoaûng: 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: 2 e Uñieän = Uhuùt ~ - ~ -5eV • Nhö vaäy: r •Uñieän >> Utöø >> Uhaáp daãn • Vaäy nguoàn goác lieân keát chính trong tinh theå laø töông taùc tónh ñieän. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 2 Uhuùt ~ - e r  Töông taùc ñaåy giöõa caùc ñieän tích cuøng daáu: haït nhaân – haït nhaân; electron – electron Uñaåy = A n r Trong ñoù: A, n = haèng soá, n >> 1; r : khoaûng caùch giöõa hai nguyeân töû. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 >> Uhuùt U(r) r0 r Khi r : Uñaåy
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-. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 ôû vò trí nuùt maïng. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Xeùt hai nguyeân töû 1 vaø 2 caùch nhau moät khoaûng r như hình. Nguyeân töû 1  Nguyeân töû 2 E p1 p2 r Töông taùc van der Waals – London Giaû söû ôû thôøi ñieåm t, nguyeân töû 1 coù momen löôõng cöïc ñieän   töùc thôøi laø P1 sinh ra moät ñieän tröôøng E coù ñoä lôùn taïi taâm cuûa nguyeân töû 2 laø: 2P1 E 3 r CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Momen löôõng cöïc ñieän caûm öùng taïi nguyeân töû 2 laø P2: 2 P1 P2 E 3 r Trong ñoù = ñoä phaân cöïc ñieän   Theá naêng töông taùc giöõa hai momen P1, P2 laø:       1 P1.P2 3(P1.r )( P2 .r ) U1 (r ) 3 5   4 r r Vì // neân: o P1 P2 2 1 P1P2 3P1r.P2 r 2P1P2 1 4 P1 U1 ( r ) 3 5 3 6 4 o r r 4 o r 4 o r U1(r) = Uhuùt = - Töông taùc huùt C 6 r 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. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Khi ñöa caùc nguyeân töû laïi gaàn nhau hôn coù theâm töông taùc ñaåy coù daïng: Uñaåy = A 12 r Theá naêng töông taùc toaøn phaàn: U(r) = Uhuùt(r) + Uñaåy(r) = - + C 6 A 12 r r 12 6 Hay : U(r) = 4 = Theá Lennard – Jones r r Trong ñoù: C 4 6 ; A 4 12 laø caùc haèng soá döông CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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:  U U( ri ) i 1     Vôùi: ri n i1a 1 n i 2a 2 n i 3a 3 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 caùc caëp nguyeân töû N.U 2 Naêng löôïng töông taùc tính treân moät nguyeân töû laø: 1 N.U U u . CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Maët khaùc, theo theá Lennard _ Jones ta coù: 12 6 Ñaët ri = iR U( r ) 4 r r 12 6 12 12 6 6 4 1 1 u 2 . . 2 i ri ri i i R i R 12 6 u 2 A12 A6 . R R n Vôùi An = 1 i 1 i CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Khoaûng caùch caân baèng Ro giöõa caùc laân caän gaàn nhaát ñöôïc tính töø ñieàu kieän: U 0 R R Ro A12 .12 A6 .6 6 U 12 2 0 R R R 11 5 R Ro 12 A12 6A 6 2A12 12 6 Ro 6 . 1.09 Ro 11 Ro 5 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. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
Naêng löôïng lieân keát caân baèng 12 6 2A12 Theá R o 6 . vaøo coâng thöùc: u = 2 A12 R , A6. R A ta tính ñöôïc naêng löôïng lieân keát caân baèng: 6 12 6 uo = 2 A12 2A12 A6. 2A12 6 . 6 . A6 A6 uo = 2 2 2 2 A6 A6 A6 8.6 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. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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. Theo ñònh nghóa: B = -V. P V Vôùi: V laø theå tích cuûa tinh theå; P laø aùp suaát. T ÔÛ nhieät ñoä T = 0oK, aùp suaát ñöôïc tính: 2 U U P=- B = V. 2 V V T 0 U Ta coù: Naêng löôïng cuûa moät haït: u = U = Nu V N Theå tích cuûa moät haït: v= V = Nv N B = v. u B = Nv. U ( Nu) Nv. . V V ( Nv) ( Nv) v v CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt