第七章 固体_电子教案白

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1、 第七章第七章 固体固体 引言引言 在通常条件下，物质有三种不同的聚集态：气态、液态和固在通常条件下，物质有三种不同的聚集态：气态、液态和固 态。液态和固态统称为凝聚态。态。液态和固态统称为凝聚态。 固体物质的主要特征是它保持自己一定的体积 （与气态不同）固体物质的主要特征是它保持自己一定的体积 （与气态不同） 和一定形状（与液态不同）的能力。和一定形状（与液态不同）的能力。 固体材料的应用：原子能技术，宇航技术，无线电技术，日常固体材料的应用：原子能技术，宇航技术，无线电技术，日常 生活和工农业生产。生活和工农业生产。 对固体材料的内部结构， 以及对其中的电子、 原子的各种运动对固体材料的内

2、部结构， 以及对其中的电子、 原子的各种运动 规律的研究已经发展成一门独立的综合性的学科规律的研究已经发展成一门独立的综合性的学科-固体物固体物 理学，近年来研究领域扩大理学，近年来研究领域扩大 到玻璃态，液晶，超流体，因此扩展到玻璃态，液晶，超流体，因此扩展 成为凝聚态物理学。研究手段已经大发展了：成为凝聚态物理学。研究手段已经大发展了：X 射线衍射，中子射线衍射，中子 衍射，扫描电子显微镜衍射，扫描电子显微镜(SEM)，透射电子显微镜，透射电子显微镜(TEM)，原子力显，原子力显 微镜，电磁性质的测定等。微镜，电磁性质的测定等。 第一第一节节 晶晶体体 固体可以分为晶体和非晶体两大类。固体

3、可以分为晶体和非晶体两大类。 晶体：岩盐、云母、明矾、水晶、冰、金属等。晶体：岩盐、云母、明矾、水晶、冰、金属等。 从本质上说，非晶体是黏性很大的液体。从本质上说，非晶体是黏性很大的液体。 一、一、晶晶体的体的宏观宏观特特性性 1、晶晶体的体的外外形特形特点点 晶体具有规则的几何外形，由若干个平面围成的凸多面体，围成晶体具有规则的几何外形，由若干个平面围成的凸多面体，围成 这样一个凸多面体的面称为晶面，晶面的交线称为晶棱，晶棱汇这样一个凸多面体的面称为晶面，晶面的交线称为晶棱，晶棱汇 集点称为顶点。集点称为顶点。 晶面角守恒定律：同一晶体的各相应晶面间的夹角均恒定不变。晶面角守恒定律：同一晶体

4、的各相应晶面间的夹角均恒定不变。 是晶体学中最重要的定律之一， 是鉴别各种矿石的重要依据。是晶体学中最重要的定律之一， 是鉴别各种矿石的重要依据。 2、晶晶体体基基本本特特性性 （1） 晶体具有各向异性特征， 即在各个方向上具有不同的物理性） 晶体具有各向异性特征， 即在各个方向上具有不同的物理性 质，如力学性质（硬度，弹性模量等等），热学性质（热膨胀系质，如力学性质（硬度，弹性模量等等），热学性质（热膨胀系 数，导热系数等等），电学性质（介电常数，电阻率等等），光数，导热系数等等），电学性质（介电常数，电阻率等等），光 学性质（吸收系数，折射率等等）。学性质（吸收系数，折射率等等）。 （2）

5、晶体有固定的熔点和熔解热）晶体有固定的熔点和熔解热 如课本图如课本图 7-5 中的中的 A 曲线表示晶体特性，曲线表示晶体特性，B 曲线表示非晶体的特曲线表示非晶体的特 性性 3、单单晶晶体和体和多晶多晶体体 单晶体：具有规则外形且各向异性的单个大晶体。单晶体：具有规则外形且各向异性的单个大晶体。 多晶体：由许多晶粒（即单晶微粒）构成的晶体。微晶粒之间结多晶体：由许多晶粒（即单晶微粒）构成的晶体。微晶粒之间结 晶排列方向杂乱无章。晶排列方向杂乱无章。 一般的金属材料都是多晶体，但是可以用原子沉积法和液态金属一般的金属材料都是多晶体，但是可以用原子沉积法和液态金属 急冷法获得非晶态的金属。急冷法

6、获得非晶态的金属。 晶体和非晶体：只要由同种材料制成，它在给定压强下的熔点、晶体和非晶体：只要由同种材料制成，它在给定压强下的熔点、 熔解热是确定。这是鉴别晶体、非晶体的最简单的方法。熔解热是确定。这是鉴别晶体、非晶体的最简单的方法。 二二、晶晶体的体的微观微观结构结构 1、晶晶体的体的微观微观结构结构 1912年年 德国德国 物理学家劳埃德物理学家劳埃德 (1879-1960) 用用X射线进行射线进行 研究证实晶体内部粒子呈规则排列， 并于研究证实晶体内部粒子呈规则排列， 并于 1914 年获得诺贝尔物理年获得诺贝尔物理 奖奖 用点表示粒子（分子、原子、离子或原子集团）的质心，则这些用点表示

7、粒子（分子、原子、离子或原子集团）的质心，则这些 点在空间的排列就具有周期性。表示晶体粒子质心所在位置的这点在空间的排列就具有周期性。表示晶体粒子质心所在位置的这 些点称为结点些点称为结点（阵点或格点）。结点的总体称为空间点阵（阵点或格点）。结点的总体称为空间点阵（空间（空间 格子或晶格）。格子或晶格）。 2、晶晶体的对称体的对称性性 空间点阵的平移周期性空间点阵的平移周期性：从点阵中任何一个结点出发，向任何方：从点阵中任何一个结点出发，向任何方 向延展，经过一定距离后如碰到另一结点，则经过相同距离后，向延展，经过一定距离后如碰到另一结点，则经过相同距离后， 必碰到第三个结点，如此等等。这种距

8、离称为平移周期。不同的必碰到第三个结点，如此等等。这种距离称为平移周期。不同的 方向有不同的平移周期。方向有不同的平移周期。 原胞原胞：取一结点为顶点，边长等于平移周期的平行六面体作为一：取一结点为顶点，边长等于平移周期的平行六面体作为一 个基本的几何单元，它的重复排列，可以形成整个点阵，这种几个基本的几何单元，它的重复排列，可以形成整个点阵，这种几 何单元称为原胞。何单元称为原胞。 点阵常数点阵常数：原胞各边的尺寸。原胞边长总是一个平移周期。：原胞各边的尺寸。原胞边长总是一个平移周期。 晶体的旋转对称性晶体的旋转对称性：所谓：所谓 n 次旋转对称性，是指晶体中存在旋转次旋转对称性，是指晶体中

9、存在旋转 对称轴，晶体绕此轴转动对称轴，晶体绕此轴转动 n 2 角角度度后后能与自能与自身身重合重合。 对对于于具具有有平平移周期移周期性性（或或称称平平移移对称对称性性）的）的晶晶体体说说，晶晶体中体中只只能能 具具有有 6 , 4 , 3 , 2=n 这这四四种种旋转旋转对称对称轴轴，不能，不能具具有有 5 次次（即即5=n） 及及 6 次次以以上上（即即6n）的）的旋转旋转对称对称轴轴。 具具有有12, 8 , 5=n这类这类物体的内部原子不物体的内部原子不可可能能呈呈严严格格意义意义上上的的周期周期 排列排列，只只能能呈所呈所谓谓的的准准周期排列周期排列，这类这类物体统称为物体统称为准

10、准晶晶。 最最常常见见的的点点阵阵有：体有：体心心立立方方点点阵阵、面面心心立立方方点点阵阵、 六六方方点点阵阵。 2. 晶晶体中的结体中的结合合力和结力和结合合能能 一、一、晶晶体中体中粒粒子的结子的结合合力力 结结合合力：力：晶晶体中体中粒粒子子之间之间存存在在着着相相互作互作用力。结用力。结合合力是力是决决定定晶晶体体 性性质的一质的一个个主要主要因因素素。 晶晶体体粒粒子子间间的结的结合合力力也也称为称为化化学学键键，它是，它是决决定定晶晶体体基基本性本性质的质的根根 本本原原因因。化化学学键决键决定的定的基基本本特特性性有：有：密密度度，硬度硬度，弹弹性性，热热学性学性 质，质，光光

11、学性学性质，电质，电磁性磁性质质等等。 化学键主要有：离子键、共价键、范德瓦尔斯键、金属键和氢键化学键主要有：离子键、共价键、范德瓦尔斯键、金属键和氢键 这五种类型。这五种类型。 二二、结、结合合力的力的普遍普遍特征特征 结结合合能能 上述几种健的共同特征是：结合力可以分为排斥和吸引两部分；上述几种健的共同特征是：结合力可以分为排斥和吸引两部分； 在两相邻粒子间距离在两相邻粒子间距离 r 为某值为某值 r0时，两力抵消，合力为零，粒子时，两力抵消，合力为零，粒子 处于平衡位置；粒子间距离比处于平衡位置；粒子间距离比 r0更小时，排斥力大于吸引力，表更小时，排斥力大于吸引力，表 现为互相排斥；粒

12、子间距离大于于现为互相排斥；粒子间距离大于于 r0时，吸引力大于排斥力，表时，吸引力大于排斥力，表 现为互相吸引。现为互相吸引。 三、三、晶晶体体弹弹性性的的微观微观解解释释 晶体被拉伸时，粒子间距加大，吸引力大于排斥力，出现总的晶体被拉伸时，粒子间距加大，吸引力大于排斥力，出现总的 吸引力反抗外力。去掉外力在吸引吸引力反抗外力。去掉外力在吸引 力作用下粒子回到平衡位置，力作用下粒子回到平衡位置， 晶体形变消失呈现弹性。在发生切变时，立方点阵原胞由立方体晶体形变消失呈现弹性。在发生切变时，立方点阵原胞由立方体 变成斜方体，某两粒子间距缩短而呈现斥力，另两粒子间距加大变成斜方体，某两粒子间距缩短

13、而呈现斥力，另两粒子间距加大 而呈现引力，且方向对于外力作用的平面是对称的，总的作用力而呈现引力，且方向对于外力作用的平面是对称的，总的作用力 是切向力，这就是切应力的来源。是切向力，这就是切应力的来源。 胡克定律从微观上得到说明： 不受外力时粒子之间的平均距离胡克定律从微观上得到说明： 不受外力时粒子之间的平均距离 就是就是 r0，在受到外力而发生形变时，粒子间的作用力是与粒子间，在受到外力而发生形变时，粒子间的作用力是与粒子间 距离的变化距离的变化 0 rr 成正比，这在宏观上就表现为应力与应变成正成正比，这在宏观上就表现为应力与应变成正 比。比。 第三第三节节 晶晶体中体中粒粒子的子的热

14、热运动运动 决定物质热学性质的内因是分子力和分子的热运动， 在气体的决定物质热学性质的内因是分子力和分子的热运动， 在气体的 很多问题中，分子热运动占主要地位，分子力比较次要。很多问题中，分子热运动占主要地位，分子力比较次要。 从能量的观点来看， 粒子间相互作用能比每个自由度平均热运从能量的观点来看， 粒子间相互作用能比每个自由度平均热运 动动能动动能 kT 2 1 小小得得多多。晶晶体中体中情况情况相相反反， 粒粒子子间相间相互作互作用能用能比比每每一一 自自由由度度平均平均热热运动能运动能大大得得多多。因此因此，一，一般般来说来说，晶晶体中体中粒粒子的子的热热 运动并不能破坏粒子之间的结合

15、，只是使粒子在它的平衡位置附运动并不能破坏粒子之间的结合，只是使粒子在它的平衡位置附 近做微小的振动。热运动的主要形式（近做微小的振动。热运动的主要形式（1）热振动；（）热振动；（2）热缺陷。）热缺陷。 一、一、热热振振动动 晶体中粒子在平衡位置附近的微振动常称为热振动。热膨胀，热晶体中粒子在平衡位置附近的微振动常称为热振动。热膨胀，热 传导等现象都直接决定于热振动。传导等现象都直接决定于热振动。 关于固体的热容量的杜隆珀替定律，在充分高的温度下被实验关于固体的热容量的杜隆珀替定律，在充分高的温度下被实验 所证实。所证实。 热运动时粒子间平均距离发生变化热运动时粒子间平均距离发生变化 ， 这就是热膨胀现象。 可定义， 这就是热膨胀现象。 可定义 线胀系数线胀系数tll=/ 二二、热热缺陷缺陷的产生和运动的产生和运动 扩扩散散 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。成缺陷，这种由于粒子热运动而产生的缺陷称为热缺陷。 热缺陷可分为填隙粒子和空位。热缺陷可分为填隙粒子和空位。 填隙粒子形成的机制如图填隙粒子形成的机制如图 7-23， 空位形成的机制如图， 空位形成的机制如图 7-24 所示。所示。 dSdt dz dC Ddn=