热学第七章

目录§1.晶体§2.晶体中粒子的结合力和结合能§3.晶体中粒子的热运动物质的基本形态气态固态液态晶体、液晶、玻璃态、超流体、超导体等固体物理学（SolidStatePhysics）凝聚态物理学（CondensedMatterPhysics）§1.晶体（1）晶体：水晶、金属、钻石、冰等固体非晶体:玻璃、橡胶、塑料、沥青等一、晶体的宏观特性石英NaCl云母钻石§1.晶体（2）晶面、晶棱、晶角晶面角守恒定律晶体的基本特性：1.各向异性：解理面、石蜡熔化实验2.熔点：多晶体：金属§1.晶体（3）二、晶体的微观结构§1.晶体（4）晶格整体平移一定距离后与自身重合，此距离称为晶格的平移周期，在不同方向上有不同的平移周期。最小的几何单位称为原胞，原胞各边的尺寸称为点阵常数。具有平移对称性的晶格，只能有2、3，4、6重旋转对称性3重旋转对称性§1.晶体（5）准晶：不具有严格平移对称性，从而可具有5、8、12重旋转对称性的物质。常见的周期点阵：体心立方点阵、面心立方点阵、六方点阵晶体的表面：表面的存在破坏了晶体严格的平移对称性。纳米材料：L≈10-9m810201010/101/11aLNNNlbs§2.晶体中粒子的结合力和结合能（1）试问1：原子为什么会聚在一起形成凝聚体？试问2：同样的原子聚在一起为什么会形成物理化学性质截然不同的物质？如碳原子的各种同素异形体。黑色、导电，耐高温透明、绝缘，可燃§2.晶体中粒子的结合力和结合能（2）一、晶体中粒子的结合力离子键共价键化学键：范德瓦耳斯键氢键金属键§2.晶体中粒子的结合力和结合能（3）1.离子键：库伦吸引力离子晶体通常由金属和非金属原子以离子键结合。其构成离子可以在溶剂中以游离的形式存在。Cl-Na+§2.晶体中粒子的结合力和结合能（4）2.共价键：共用电子对由共价键的作用组成的晶体称为原子晶体原子晶体的特点为：硬度大、熔点高、导电性差等§2.晶体中粒子的结合力和结合能（5）3.范德瓦耳斯键：分子间的微弱吸引力由范德瓦耳斯键的作用所组成的晶体称为分子晶体分子晶体的特点是：硬度小、熔点低、易挥发范德瓦耳斯（1837~1923）+-+-+-+-低静电势能高静电势能瞬时偶极矩§2.晶体中粒子的结合力和结合能（6）4.金属键：共用游离电子各种金属原子以金属键的作用结合成金属金属键没有方向性金属具有很好的延展性游离电子良好的导电性和导热性§2.晶体中粒子的结合力和结合能（7）5.氢键：氢原子参与的特殊化学键以氢键形式结合的晶体有：冰、氟化氢晶体等氢键的产生是由于氢原子外层只有一个电子，当它与其他原子形成共价键后，氢原子核几乎完全暴露出来，形成较强的电极性。对于具体的物质，其原子结合形式不一定是单纯的，可以是几种化学键同时起作用。§2.晶体中粒子的结合力和结合能（8）二、结合力的普遍特性结合能五种化学键的共同特征：结合力可以分为排斥和吸引两部分。在范德瓦尔斯键和离子键情形下，整个晶体的势能可以表示为：思考，要形成稳定的结构，m和n哪个更大？对应的相互作用力为：思考，相互作用力为零的地方，势能有什么特点？nnmmprArAE11nnmmprnArmAdrdEF§2.晶体中粒子的结合力和结合能（9）例：计算由N对一价正负离子交错排列的一维点阵的静电相互作用能量。最近邻的静电势能：第n相邻间的静电势能：总势能：re0214nrenn024)1(reNNNnn02142ln2...)514131211(22221r01234§2.晶体中粒子的结合力和结合能（10）马德隆常数：一般情况下，离子晶体的静电势能，可以写成：其中称为马德隆常数，它的值取决于晶格结构。总势能可以写成：reeNEp0214''reeraNEmmp0214§2.晶体中粒子的结合力和结合能（11）三、晶体弹性的微观解释压缩情形:弯曲情形:剪切情形:胡克定律的微观理解FrF=-a(r-r0)r0§3.晶体中粒子的热运动（1）决定物质热学性质的内因是分子力和分子的热运动。对于气体，热运动的能量占主要地位；对于晶体分子间的势能占主要地位。晶体中粒子的热运动并不能破坏粒子之间的结合，只是使粒子在平衡位置附近做微小的振动，即热振动。另一种比较剧烈的热运动是少数粒子脱离结点的运动，从而使粒子由一个地方移到另一个地方。§3.晶体中粒子的热运动（2）一、热振动振动幅度～0.1晶格常数振动自由度：3N-6～3N每个自由度的平均能量：kT（动能+势能）摩尔热容：Cm=3R(杜隆-珀蒂定律)受热膨胀与格点原子作用力曲线的关系§3.晶体中粒子的热运动（3）二、热缺陷的产生和运动扩散晶体中粒子的热运动能量和气体中一样，也有一定的统计分布，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热缺陷可分为填充粒子和空位两种。填充粒子型空位型kTuNen§3.晶体中粒子的热运动（4）例：假设把一个钠原子从钠晶体的内部移到边界上，所需要的能量为1eV，计算1000K下空位数目占粒子总数的百分比。近邻空位的粒子跳到空位上去所需的平均时间：粒子跳到空位上的概率：粒子每秒振动的次数：512202319101038.110001038.1106.11eeNnJJkTJeVukTu/1kTuekTukTuee11'