《晶体结构》PPT课件.ppt
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1、第三章第三章晶晶 体体 结结 构构主要内容主要内容2.晶胞重难点重难点教学方法教学方法晶胞的概念;原子坐标以及体心平移、面心平移、底心平移;晶体结构模型;3-1 晶晶 体体1、晶体的宏观特征晶体的宏观特征远古时期,人类从宝石开始认识晶体。红宝石、蓝宝石、祖母绿等晶体以其晶莹剔透的外观,棱角分明的形状和艳丽的色彩,震憾人们的感官。名贵的宝石镶嵌在帝王的王冠上,成为权力与财富的象征,而现代人类合成出来晶体,如超导晶体YBaCuO、光学晶体BaB2O4、LiNbO3、磁学晶体NdFeB等高科技产品,则推动着人类的现代化进程。晶体具有以下性质1)均匀性2)各向异性3)各种晶体生长中会自发形成确定的多面
2、体外形4)晶体有确定的熔点而非晶态没有5)晶体具有对称性2、晶体的微观特征晶体的微观特征宏观晶体的规则外形正是晶体的平移对称性微观特征的表象。晶体内部原子、分子结构的基本单元,在三维空间作周期性重复排列,我们可用一种数学抽象点阵来研究它。若晶体内部结构的基本单元可抽象为一个或几个点,则整个晶体可用一个三维点阵来表示。点阵是一组无限的点,点阵中每个点都具有完全相同的周围环境。在平移的对称操作下,(连结点阵中任意两点的矢量,按此矢量平移),所有点都能复原,满足以上条件的一组点称为点阵。平移平移点阵:点阵:平移是晶体结构中最基本的对称操作,可用T来表示 Tmnpmanbpc m,n,p为任意整数即一
3、个平移矢量Tmnp作用在晶体三维点阵上,使点阵点在a方向平移m单位,b方向平移n单位,c方向平移p单位后,点阵结构仍能复原。我们研究的晶体含有各种原子、分子,它们按某种规律排列成基本结构单元,我们可按结构基元抽象为点阵点。3-2晶胞晶体中最有代表性的重复单位。晶胞有二个要素:一是晶胞的大小、型式,另一是晶胞的内容。晶胞的大小、型式由a、b、c三个晶轴及它们间的夹角所确定。晶胞的内容由组成晶胞的原子或分子及它们在晶胞中的位置所决定。图7-7为CsCl的晶体结构。Cl与Cs的1:1存在。1.晶胞基本特征晶胞基本特征若若若若C C C CS S S S+ClClClCl取一点阵点,我取一点阵点,我取
4、一点阵点,我取一点阵点,我们可将点阵点取们可将点阵点取们可将点阵点取们可将点阵点取ClClClCl的位的位的位的位置。根据置。根据置。根据置。根据ClClClCl的排列,我的排列,我的排列,我的排列,我们可取出一个们可取出一个们可取出一个们可取出一个a=b=ca=b=ca=b=ca=b=c,=90909090的立方晶胞,的立方晶胞,的立方晶胞,的立方晶胞,其中其中其中其中8 8 8 8个个个个ClClClCl原子位于晶胞顶原子位于晶胞顶原子位于晶胞顶原子位于晶胞顶点,但每个顶点实际为点,但每个顶点实际为点,但每个顶点实际为点,但每个顶点实际为8 8 8 8个个个个晶胞共有,所以晶胞中含晶胞共有
5、,所以晶胞中含晶胞共有,所以晶胞中含晶胞共有,所以晶胞中含81/8=181/8=181/8=181/8=1个个个个ClClClCl原子。原子。原子。原子。CsCsCsCs原原原原子位于晶胞中心。晶胞中子位于晶胞中心。晶胞中子位于晶胞中心。晶胞中子位于晶胞中心。晶胞中只有只有只有只有1 1 1 1个点阵点。故为素晶个点阵点。故为素晶个点阵点。故为素晶个点阵点。故为素晶胞。图为胞。图为胞。图为胞。图为8 8 8 8个个个个CsClCsClCsClCsCl晶胞。右晶胞。右晶胞。右晶胞。右上角为一个单胞。上角为一个单胞。上角为一个单胞。上角为一个单胞。上图上图是金刚石的晶胞。是金刚石的晶胞。金刚石也是
6、一个金刚石也是一个a=b=ca=b=c,=9090的立方晶胞,的立方晶胞,晶胞除了顶点晶胞除了顶点81/8=181/8=1个个C C原子外,每个面心位置各原子外,每个面心位置各有有1 1个个C C原子,由于面心位原子,由于面心位置置C C原子为原子为2 2个晶胞共有。个晶胞共有。故故61/2=361/2=3个个C C原子,除此原子,除此晶胞内部还有晶胞内部还有4 4个个C C原子,原子,所以金刚石晶胞共有所以金刚石晶胞共有1 13 34 48 8个个C C原子。原子。对于对于晶胞的棱心位置的原子,晶胞的棱心位置的原子,则为则为4 4个晶胞共有,计数为个晶胞共有,计数为1/41/4个。个。2.布
7、拉维系布拉维系-七大晶七大晶系系边长:a=b=c夹角:=900实例:Cu,NaCl立方边长:a=bc夹角:=900实例:Sn,SnCl2四方正交边长:abc夹角:=900实例:I2HgCl2边长:abc夹角:=900900实例:S,KClO3单斜边长:abc夹角:900实例:CuSO4.5H2O三斜边长:a=bc夹角:=900=1200实例:Mg,AgI六方4.素晶胞与复晶胞素晶胞与复晶胞素晶胞是晶体微观空间中的最小基本单元。复晶胞是素晶胞的多倍体。即体心晶胞、面心晶胞、底心晶胞。3.晶胞原子的坐标与计数晶胞原子的坐标与计数三方:Rhombohedral边长:a=b=c夹角:=900实例:Bi
8、,Al2O3根据晶体是否有“心”,七大晶系又分为14种晶格P:不带心R:斜方,I:体心H:六方C:底心F:面心5 14 种种布布拉拉维维点点阵阵型型式式3-3 点阵点阵晶系(选学)晶系(选学)金属键的形象说法:“失去电子的金属离子浸在自由电子的海洋中”.金属离子通过吸引自由电子联系在一起,形成金属晶体.这就是金属键.1.金属键金属键 金属晶体金属晶体金属键无方向性,饱和性。金属键的强弱和自由电子的多少有关,也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关,很复杂.金属键的强弱可以用金属原子化热等来衡量.金属原子化热是指1mol金属变成气态原子所需要的热量.金属原子化热数值小时,其熔点低,质地软;反之
9、,则熔点高,硬度大.金属可以吸收波长范围极广的光,并重新反射出,故金属晶体不透明,且有金属光泽.在外电压的作用下,自由电子可以定向移动,故有导电性.受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞,传递能量.故金属是热的良导体。金属受外力发生变形时,金属键不被破坏,故金属有很好的延展性.与离子晶体的情况相反1 1)自由电子模型)自由电子模型简单金属的自由电子模型是个很简单的模型,价电子完全公有,构成金属中导电的自由电子,原子实与价电子间的相互作用完全忽略,自由电子之间也是毫无相互作用的理想气体。为了保持金属电中性,可设想原子实带正电分布于整个体积中,和自由电子的负电荷正好中和。2 2)能带理论
10、)能带理论过渡金属电子结构特点:过渡金属电子结构特点:(a a)与)与(n+1)s(n+1)s 电子相比,电子相比,nd nd 电子轨道分布范围较小,节点电子轨道分布范围较小,节点数目少,随径向距离衰减快,使数目少,随径向距离衰减快,使d d电子径向分布极大值出现电子径向分布极大值出现在吸引势很强的区域,因而在吸引势很强的区域,因而d d电子是相对稳定的。电子是相对稳定的。(b b)在原子核附近,)在原子核附近,d d电子分布函数作抛物线式增长,对核电子分布函数作抛物线式增长,对核电荷屏蔽不足,导致周期数增长时,电荷屏蔽不足,导致周期数增长时,spsp电子数保持恒定,电子数保持恒定,d d壳层
11、电子逐步填充。壳层电子逐步填充。(c c)同一周期,从)同一周期,从Ti Ti 到到NiNi,核与电子作用愈来愈强,使,核与电子作用愈来愈强,使d d层层愈加稳定,原子半径也愈小。愈加稳定,原子半径也愈小。(d d)随周期数增长,例如)随周期数增长,例如 径向节面增加,径向节面增加,d d电子径向分布增电子径向分布增大,愈来愈不稳定。大,愈来愈不稳定。理论要点理论要点(a)电子是离域的所有电子属于金属晶体,或说为整个金属大分子所共有,不再属于哪个原子.我们称电子是离域的.(b)组成金属能带理论内容理论内容 金属晶体中的电子处在带正电的原子实组成的周期性势场中运动,它将整块金属当作一个巨大的超分
12、子体系,晶体中N个原子的每一种能量相等的原子轨道,通过线性组合,得到N个分子轨道。它是扩展到整块金属的离域轨道.分子轨道各能级间隔极小,形成一个能带。每个能带在固定的能量范围,内层原子轨道形成的能带较窄,外层原子轨道形成的能带较宽,各个能带按能级高低排列起来,成为能带结构,图是导体与绝缘体的能带示意图。Na原子的电子组态为1S22S22P63S1,1S,2S,2P电子正好填满,形成满带,3s轨道形成的能带只填一半,形成导带。Mg原子的3s 轨道虽已填满,但它与3p轨道的能带重叠。从3s3p 总体来看,也是导带。能带的范围是允许电子存在的区域,而能带间的间隔,是电子不能存在的区域,叫禁带。金属在
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