第五章固体的机械性质 ●固体的结合类型 ●晶体的结合能 ●晶体的缺陷 ●热缺陷的统计数目 ●点缺陷的扩散运动 ●点缺陷的漂移运动 ●晶体的弹性 ●范性形变和滑移
第五章 固体的机械性质 ⚫ 固体的结合类型 ⚫ 晶体的结合能 ⚫ 晶体的缺陷 ⚫ 热缺陷的统计数目 ⚫ 点缺陷的扩散运动 ⚫ 点缺陷的漂移运动 ⚫ 晶体的弹性 ⚫ 范性形变和滑移
固体的结合类型 原子间的相互作用叫键,这种相互作用有吸引力和 排 斥力,形成稳定晶体结构时是两者的平衡。 固体的结合主要是通过化学键。化学键有3种即离子 键、共价键和金属键。相应的晶体称离子晶体、共价晶 体、金属晶体。还有一种晶体不是化学键结合,如惰性 气体,在极低温度下变成固体,是靠范得瓦尔斯力结合 ( Van de Weatts)。除以上四种结合外,还有氢键结合, 这是比较特殊力,是一个氢原子与两个非金属原子结合 时形成,对有机物很重要,它界于共价键与范得瓦尔斯 结合之间。 实际晶体的结合情况比较复杂,有的是以上几种作一
固体的结合类型 原子间的相互作用叫键，这种相互作用有吸引力和 排 斥力，形成稳定晶体结构时是两者的平衡。 固体的结合主要是通过化学键。化学键有3种即离子 键、共价键和金属键。相应的晶体称离子晶体、共价晶 体、金属晶体。还有一种晶体不是化学键结合，如惰性 气体，在极低温度下变成固体，是靠范得瓦尔斯力结合 （Van de Weatts）。除以上四种结合外，还有氢键结合， 这是比较特殊力，是一个氢原子与两个非金属原子结合 时形成，对有机物很重要， 它界于共价键与范得瓦尔斯 结合之间。 实际晶体的结合情况比较复杂，有的是以上几种作 用的结合
固体的结合类型 、离子晶体 1、一般特点 形成晶体的原子,一种失去电子,形成正离子,另外一种得 到电子,形成负离子,正负离子之间靠库仑相互作用结 合到一起,当正负离子靠近,两离子的电子云重叠时,就会产生 斥力。周期表中|—V族(碱金属一卤族)和||—V元素主要 以这种方式结合。 2、结构特点 从力的特点可知:其近邻一定是异性离子,如Nacl,Gs0l, 因此不能出现密堆积(12个近邻),最近邻的个数为8,6。 3、物理特性 因为库仑相互作用是强相互作用,所以结合形成的晶体稳定 硬度比较大、熔点比较高、热膨胀系数小、导电性差
固体的结合类型 一、离子晶体 1、一般特点 形成晶体的原子，一种失去电子，形成正离子，另外一种得 到电子，形成负离子，正负离子之间靠库仑相互作用结 合到一起，当正负离子靠近,两离子的电子云重叠时, 就会产生 斥力。周期表中 I—VII族（碱金属—卤族）和 II—VI元素主要 以这种方式结合。 2、结构特点 从力的特点可知：其近邻一定是异性离子，如NaCl，CsCl， 因此不能出现密堆积（12个近邻），最近邻的个数为8，6。 3、物理特性 因为库仑相互作用是强相互作用，所以结合形成的晶体稳定、 硬度比较大、熔点比较高、热膨胀系数小、导电性差
固体的结合类型 二、原子晶体(共价晶体) 1、共价键 两个原子各贡献一个外层电子作为共有电子,共有电子 的自旋方向相反,这种状态形成的化学键称共价键。共价 键的计算比较复杂,但完全是量子力学概念,经典模型不能 解释同种电荷会在两原子之间,因为同种电荷相斥。 典型的是ⅣV元素C、Si、Ge、Sn以共价键结合 、饱和性和方向性 饱和性:原子同其它原子形成共价键时,形成共价键 的数目有一个最大值,取决于未配对的电子数目
固体的结合类型 二、原子晶体（共价晶体） 1、共价键 两个原子各贡献一个外层电子作为共有电子，共有电子 的自旋方向相反，这种状态形成的化学键称共价键。 共价 键的计算比较复杂，但完全是量子力学概念，经典模型不能 解释同种电荷会在两原子之间，因为同种电荷相斥。 典型的是IV元素C、Si、Ge、Sn以共价键结合。 2、饱和性和方向性 原子同其它原子形成共价键时，形成共价键 的数目有一个最大值，取决于未配对的电子数目。 饱和性：
固体的结合类型 方向性键一键之间的键角是固定的,如金刚石键 角为109.80度。电子云交叠形成共价键,电子云的分布 有一定的方向性,如。态电子云为球形,态的为哑铃 状,形成共价键一定在电子云密度大的方向上形成离子 的满壳层.电子云交叠使得有的态电子能量升高,有的 降低,自旋相反的电子交叠时能量更低。 3、共价晶体的物理特性 共价键也是结合比较强的键,形成的晶体硬度高、 不易劈裂、熔点高、导电性差,不是半导体就是绝缘体
固体的结合类型 键—键之间的键角是固定的，如金刚石键 角为109.80度。电子云交叠形成共价键，电子云的分布 有一定的方向性，如s态电子云为球形，P态的为哑铃 状，形成共价键一定在电子云密度大的方向上形成离子 的满壳层.电子云交叠使得有的态电子能量升高，有的 降低，自旋相反的电子交叠时能量更低。 ３、共价晶体的物理特性 共价键也是结合比较强的键，形成的晶体硬度高、 不易劈裂、熔点高、导电性差，不是半导体就是绝缘体。 方向性：
固体的结合类型 三、金属晶体 1、一般特点 原子外层电子部分或全部失掉,这时,晶体变为:原子 实(内层电子+原子核)+自由电子气系统 2、结构特点 总趋向于密堆积模型一立方密排(Cu,Ag,Au)和六角密 排(Mg,Zn,Cd)或体心立方(碱金属) 3、物理特性 由于存在自由电子,金属晶体导热、导电性良好;结构上 无特殊要求,因此易产生缺陷、具有范性,易于加工成丝、 带、片等形状;易于形成合金。原子之间倾向于结合形成晶体, 材料具有一定硬度
固体的结合类型 三、金属晶体 1、一般特点 原子外层电子部分或全部失掉， 这时，晶体变为: 原子 实（内层电子+原子核）+自由电子气系统。 2、结构特点 总趋向于密堆积模型—立方密排（Cu, Ag, Au）和六角密 排（Mg, Zn, Cd)或体心立方（碱金属） 3、物理特性 由于存在自由电子，金属晶体导热、导电性良好；结构上 无特殊要求，因此易产生缺陷、具有范性，易于加工成丝、 带、片等形状；易于形成合金。原子之间倾向于结合形成晶体， 材料具有一定硬度
固体的结合类型 四、分子晶体 1、范德瓦尔斯力( Van de veals) 是一种普遍存在的微弱作用力,在其它键中忽略了,在 惰性元素结合时突出出来,不是化学键,而是较弱的静电 力。典型的分子晶体有c02、S02、HCI、H2、C及惰性气体 在低温下形成的晶体。 2、结合力的来源 电偶极距之间的相互吸引。对极性分子可理解为其固 有极矩的静电相互作用。对一个极性、一个非极性分子也可 以理解即极性产生电场,非极性分子在电场中极化。若为惰 性气体原子,则只能是瞬时电偶极矩的作用.,可以理解为 对时间平均后,电偶极矩为0,但瞬时不为0,有吸引和排 斥,引力是一种能量降低的状态,总的表现为引力
固体的结合类型 四、分子晶体 1、范德瓦尔斯力（Van de Veals） 是一种普遍存在的微弱作用力，在其它键中忽略了，在 惰性元素结合时突出出来，不是化学键，而是较弱的静电 力。典型的分子晶体有CO2、SO2、HCl、H2、Cl及惰性气体 在低温下形成的晶体。 2、结合力的来源 电偶极距之间的相互吸引。 对极性分子可理解为其固 有极矩的静电相互作用。对一个极性、一个非极性分子也可 以理解即极性产生电场，非极性分子在电场中极化。若为惰 性气体原子，则只能是瞬时电偶极矩的作用.，可以理解为 对时间平均后，电偶极矩为0, 但瞬时不为0，有吸引和排 斥，引力是一种能量降低的状态，总的表现为引力
固体的结合类型 3、结合力特征 (1)是吸引力,作用距离为几个埃 (2)键没有方向性和饱和性 (3)具有立方密积结构 4、分子晶体的物性 熔点低、硬度小,这是由于范德瓦尔斯键弱的 结果。He、Ne、Ar晶体的熔点分别为:-272、-248、 189摄氏度
固体的结合类型 3、结合力特征 （1）是吸引力，作用距离为几个埃 （2）键没有方向性和饱和性 （3）具有立方密积结构 4、分子晶体的物性 熔点低、硬度小，这是由于范德瓦尔斯键弱的 结果。He、Ne、Ar晶体的熔点分别为：-272、-248、 -189摄氏度
固体的结合类型 五、氢键 氢原子中只有一个电子,且第一电离能特别大,为 13.6eV(Li5.39eV、Na5.14eV、K4.34eV),难以形成离 子键。同时,氢原子核很小,当唯一的电子与其它电负性大 的原子形成共价键后,氢核就暴露在外了,该氢核还可以通 过库仑力与另一个电负性较大的原子(F、0、N)相结合。 个氢原子可以同时与两个电负性较大的原子相结合,形成 个强的共价键和一个弱的离子键,这就是氢键;可以表示 为Ⅹ-H.Y。氢键具有饱和性,比范氏键强。 冰(H20)是一种氢键晶体,氢原子不仅与一个氧原子 形成共价键,而且,还与另一个氧原子有库仑相互作用,但 结合较弱、键较长;氧原子本身组成一个四面体。铁电材料 磷酸二氢钾(KH2P04)也具有氢键结构
固体的结合类型 五、氢键 氢原子中只有一个电子，且第一电离能特别大，为 13.6eV（Li 5.39eV、Na 5.14eV、K 4.34eV)，难以形成离 子键。同时，氢原子核很小，当唯一的电子与其它电负性大 的原子形成共价键后，氢核就暴露在外了，该氢核还可以通 过库仑力与另一个电负性较大的原子（F、O、N）相结合。 一个氢原子可以同时与两个电负性较大的原子相结合，形成 一个强的共价键和一个弱的离子键，这就是氢键；可以表示 为 X-H…Y。氢键具有饱和性，比范氏键强。 冰（H2O）是一种氢键晶体，氢原子不仅与一个氧原子 形成共价键，而且，还与另一个氧原子有库仑相互作用，但 结合较弱、键较长；氧原子本身组成一个四面体。铁电材料 磷酸二氢钾（KH2PO4）也具有氢键结构
固体的结合类型 水分子中的氢可视为粘 附于02上的裸露质子, 由于其会吸引另一个水分子 中的02,而使两个水分子中 的氧离子束缚在一起。 图5.12冰的一种晶体结构 代表氧原子,小图代表氢原子,分子连接氧一氢氧原子的长找即
固体的结合类型 水分子中的氢可视为粘 附于O 上的裸露质子， 由于其会吸引另一个水分子 中的O ，而使两个水分子中 的氧离子束缚在一起。 2- 2-