第七章固體1物質(zhì)的五種物態(tài)構(gòu)成物質(zhì)的分子的聚合狀態(tài)稱為物質(zhì)的聚集態(tài)，簡(jiǎn)稱物態(tài)。

氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)是常見的物態(tài)。液態(tài)和固態(tài)統(tǒng)稱為凝聚態(tài)。物質(zhì)處于氣態(tài)。當(dāng)分子平均動(dòng)能大于勢(shì)能時(shí)，即：當(dāng)分子平均動(dòng)能小于勢(shì)能時(shí)，即：物質(zhì)處于固態(tài)。當(dāng)兩者勢(shì)均力敵時(shí)，即：物質(zhì)處于液態(tài)。2質(zhì)子或中子的線度為10-15m數(shù)量級(jí)，其質(zhì)量為1.67×10-27kg，故其密度為1017

kg·m-3，每1cm3的體積中有1011kg，即1億噸的質(zhì)量。地球上的物質(zhì)密度大約為104kg/m3數(shù)量級(jí)。自然界中還存在另外兩種物態(tài)：等離子態(tài)與超密態(tài)。中子星密度~1017kg/m3。白矮星密度~107kg/m3。人們把它們稱為超密態(tài)物質(zhì)。也有人們把它們稱為物質(zhì)的第五態(tài)—超密態(tài)。3§7.1晶體固體材料的應(yīng)用原子能技術(shù)宇航技術(shù)無(wú)線電技術(shù)日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)固體晶體非晶體手段X射線衍射中子衍射掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡原子力顯微鏡電磁性質(zhì)的測(cè)定等新材料4(1)晶體具有規(guī)則的幾何外形晶面的交線稱為晶棱，晶棱匯集點(diǎn)稱為頂點(diǎn)。一、晶體的宏觀性質(zhì)凸多面體的面稱為晶面。NaCI晶體外形5(1)晶體具有規(guī)則的幾何外形一、晶體的宏觀性質(zhì)同一種晶體的外形有所不同，但各項(xiàng)應(yīng)晶面之間的夾角恒定不變。ab面夾角147o47’，bc面夾角120o00，ac面夾角113o08’。石英晶體外形晶面的交線稱為晶棱，晶棱匯集點(diǎn)稱為頂點(diǎn)。凸多面體的面稱為晶面。6(1)晶體具有規(guī)則的幾何外形一、晶體的宏觀性質(zhì)同一種晶體的外形有所不同，但各項(xiàng)應(yīng)晶面之間的夾角恒定不變。ab面夾角147o47’，bc面夾角120o00，ac面夾角113o08’。石英晶體外形晶面角守恒定律：晶體規(guī)則外形體現(xiàn)在屬于同一晶種的兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面間或兩晶棱間夾角均恒定不變。晶面的交線稱為晶棱，晶棱匯集點(diǎn)稱為頂點(diǎn)。凸多面體的面稱為晶面。7(2)晶體具有各向異性特征各向異性物理性質(zhì)與取向有關(guān)。如力學(xué)性質(zhì)(硬度、彈性模量)、熱學(xué)性質(zhì)(熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率)、電學(xué)性質(zhì)(介電常量、電阻率)、光學(xué)性質(zhì)(吸收系數(shù)、折射率)等。云母片上薄層石蠟觸點(diǎn)受熱熔化(3)晶體具有固定的熔點(diǎn)A線為晶體熔化曲線，B線為非晶體熔化曲線。8晶體—單晶體：水晶、巖鹽、金剛石；

—多晶體：金屬、陶瓷等。非晶體：高分子材料，橡膠，塑料，松香，石蠟等。1984年，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一類和晶體、非晶體都不相同的固體，介于晶體和非晶體之間的固體，稱為準(zhǔn)晶體。因準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)，以色列科學(xué)家丹尼爾.舍特曼獲2011年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)9二、晶體的微觀結(jié)構(gòu)1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄（Laue，1879—1960)用x射線證實(shí)晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的規(guī)則性結(jié)點(diǎn)：表示構(gòu)成晶體粒子質(zhì)心所在位置的這些點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)的總體稱為空間點(diǎn)陣。平移周期:從點(diǎn)陣中任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)出發(fā)，向任何方向延展，經(jīng)過一定距離后，如遇到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)，經(jīng)過相同距離后，必遇到第三個(gè)結(jié)點(diǎn)。這個(gè)距離稱為平移周期。10原胞：取一結(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)，其邊長(zhǎng)等于平移周期的平行六面體作為基本單元，這樣的基本單元稱為原胞。原胞各邊的尺寸稱為點(diǎn)陣常量。原胞的重復(fù)排列形成整個(gè)點(diǎn)陣。晶體除了具有平移周期性外，還具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。11晶體具有長(zhǎng)程有序性。非晶體則不具有長(zhǎng)程有序的性質(zhì)，但是在非晶體中原子排列也不是雜亂無(wú)章、完全無(wú)序的，仍然保留有原子排列的短程序。12§7.2晶體中粒子的結(jié)合力和結(jié)合能晶體中粒子之間相互作用力——結(jié)合力?；瘜W(xué)鍵：

1.離子鍵2.共價(jià)鍵3.范德瓦耳斯鍵4.金屬鍵5.氫鍵使晶體中的粒子結(jié)合在一起的力——化學(xué)鍵。

一、晶體中粒子的結(jié)合力結(jié)合力是決定晶體的性質(zhì)的一個(gè)主要因素?；瘜W(xué)鍵是決定晶體基本性質(zhì)的根本原因。131.離子鍵離子鍵——結(jié)點(diǎn)處的粒子是正負(fù)離子。它們之間的結(jié)合依靠離子間庫(kù)侖相互作用，如NaCI。特點(diǎn)：硬度較高、有透明感、呈非金屬光澤，熔點(diǎn)很高，在熔體中呈離子導(dǎo)電。由離子鍵作用而成的晶體稱為離子晶體。142.共價(jià)鍵（又稱原子鍵）由共價(jià)鍵作用而成的晶體稱為原子晶體。特點(diǎn)：共價(jià)鍵的作用很強(qiáng)，所以原子晶體強(qiáng)度大、熔點(diǎn)高、升華熱高、導(dǎo)電性低、揮發(fā)性低。共價(jià)鍵——結(jié)點(diǎn)處的粒子是原子。它們的作用力由共有電子產(chǎn)生，如金剛石。153.范德瓦耳斯鍵（分子鍵）范德瓦耳斯鍵——結(jié)點(diǎn)處的粒子是分子。依靠分子間作用力而形成晶體，如碘分子晶體。由范德瓦耳斯鍵作用而成的晶體稱為分子晶體。特點(diǎn)：硬度小、熔點(diǎn)低、容易揮發(fā)。164.金屬鍵金屬晶體可以認(rèn)為是被浸沒在共有化價(jià)電子云背景中的正離子實(shí)。

特點(diǎn)：具有高熔點(diǎn)、高硬度、良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等。金屬鍵——結(jié)點(diǎn)處的粒子是失去部分電子的正離子。它們的作用力是由電子氣與正離子的作用。由離子鍵作用而成的晶體稱為金屬晶體。氫鍵是由氫原子參與的一種特殊類型的化學(xué)鍵。5.氫鍵氫原子外層的電子與負(fù)電性原子外層電子形成共價(jià)鍵，使氫原子核裸露，與其他負(fù)電性原子結(jié)合。17對(duì)于大多數(shù)晶體，結(jié)合力不是單純的，而是綜合性的，往往是幾種鍵共同作用的結(jié)果。例如，石墨有三種鍵共同作用——共價(jià)健、金屬鍵和分子鍵。石墨晶體是鐵黑色的軟質(zhì)鱗片狀晶體。它具有層狀結(jié)構(gòu)，層中每一碳原子有三個(gè)電子以共價(jià)鍵與周圍的三個(gè)碳原子相互作用；另一個(gè)電子為層中所有碳原于共有，以金屬鍵與層中所有碳原子相互作用；層與層之間則以范德瓦耳斯鍵相互作用。結(jié)合力是決定固體性質(zhì)的重要因素。由于層與層之間結(jié)合是分子鍵，作用力弱，所以石墨很柔軟。由于每一層中共有電子結(jié)合是氫鍵，所以又具有金屬的良好導(dǎo)電性。由于每一層中的各個(gè)碳原子結(jié)合是共價(jià)鍵，所以具有較高的熔點(diǎn)。18二、結(jié)合力的普遍特征結(jié)合能不同化學(xué)鍵，粒子間相互作用不同，性質(zhì)不同，其共同特征是：結(jié)合力可以分為排斥和吸引兩部分。在一些簡(jiǎn)單的情況下，例如，在范德瓦耳斯鍵和離子鍵的情形下，整個(gè)晶體的相互作用能與氣體分子間的勢(shì)能相似，可以寫成下列形式：第一項(xiàng)為斥力相互作用能，第二項(xiàng)為引力相互作用能。r為相鄰兩粒子距離。由晶體結(jié)構(gòu)和作用力性質(zhì)決定。19結(jié)合能——將粒子拆開所需的能量相互作用勢(shì)能與力的關(guān)系稱為結(jié)合能結(jié)合能的大小體現(xiàn)晶體中粒于結(jié)合的牢固程度。例如，金剛石的結(jié)合能為晶體氬的結(jié)合能為分子晶體的結(jié)合能就是升華熱20[例題]

計(jì)算由N個(gè)一價(jià)正離子和N個(gè)一價(jià)負(fù)離子交錯(cuò)排列著的一維點(diǎn)陣的靜電相互作用能量。除了靠近兩端的少數(shù)離子外，其他離子與周圍離子相互作用的情形都相同。選擇其中任一正離子A0，考慮它與其余離子的靜電相互作用能量靜電相互作用能量為[解]21靜電相互作用能量為靜電相互作用能量為同理與所有其余離子的靜電相互作用能量為22在所以因此23由N個(gè)一價(jià)正離子和N個(gè)一價(jià)負(fù)離子交錯(cuò)排列著的一維點(diǎn)陣的靜電相互作用總能量為對(duì)二價(jià)離子晶體，相鄰離子的靜電相互作用能量為靜電相互作用總能量為24一般情況，離子晶體，吸引力勢(shì)能為分別為兩種離子所帶電荷的絕對(duì)值。斥力勢(shì)能也與離子數(shù)成正比所以，離子晶體相互作用能為25三、晶體彈性的微觀解釋根據(jù)結(jié)合力的共同特點(diǎn)，很容易說明晶體的彈性。例如立方點(diǎn)陣的情況：當(dāng)晶體沿ad方向被拉伸時(shí)，a粒子與d粒子，粒子b與粒子g之間的距離增大使吸引力大于排斥力。結(jié)果表現(xiàn)出吸引力，反抗外力的作用。外力去掉后，在引力的作用下，粒子回到自己的平衡位置，點(diǎn)陣也恢復(fù)原來的形狀。因此晶體形變消失而呈現(xiàn)彈性。26與此相反，當(dāng)晶體沿著ad方向被壓縮時(shí)，粒子間因距離減小而出現(xiàn)凈排斥力，當(dāng)外力撤除后，在斥力的作用下，粒子回到自己的平衡位置，使晶體的形變消失而呈現(xiàn)彈性。在切變的情形下，立方點(diǎn)陣中每一個(gè)原胞都由立方體變成斜方體。a與g之間的距離因縮短而呈現(xiàn)斥力，b與d之間的距離因增大而出現(xiàn)引力，在形變不大時(shí)，粒子b與粒子d之間的引力和粒子a與粒子g之間的斥力可以認(rèn)為是相等的，并由于它們的方向?qū)τ谕饬λ饔玫钠矫媸菍?duì)稱的，因而總的相互作用力是切向力，這就是切應(yīng)力的來源。27胡克定律也很容易從微觀上得到說明。不受外力時(shí)粒子之間的平均距離是。在受外力而發(fā)生形變時(shí)，形變?cè)趫D上

和兩點(diǎn)的范圍內(nèi)，粒子間的作用力是與粒力間距離的變化成正比的，這在宏觀上就表現(xiàn)為應(yīng)力與應(yīng)變成正比。28§7.3晶體中粒子熱振動(dòng)決定物質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)的內(nèi)因是分子力和分子的熱運(yùn)動(dòng)。在晶體的情形下，粒子間相互作用能比每一自由度平均熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能大得多。一般情況，晶體中粒子的熱運(yùn)動(dòng)并不能破壞粒子之間的結(jié)合，只是使粒子在它的平衡位置附近做微小的振動(dòng)。晶體體中粒子這種在平衡位置附近的振動(dòng)常稱為熱振動(dòng)。熱振動(dòng)是晶體中粒子熱運(yùn)動(dòng)的基本形式。熱膨脹、熱傳導(dǎo)等現(xiàn)象都直接取決于熱振動(dòng)。熱振動(dòng)決定了晶體的熱容。29另一種比較劇烈的熱運(yùn)動(dòng)是少數(shù)粒子脫離結(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，粒子從一個(gè)地方移到另一個(gè)地方。這種運(yùn)動(dòng)引起擴(kuò)散和離子導(dǎo)電(靠離子的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電)等現(xiàn)象。粒子之所以能從晶體中一個(gè)地方移到另一個(gè)地方，與晶體中空位和填隙粒子這兩種熱缺陷有關(guān)。30一般溫度下，大多數(shù)粒子做熱振動(dòng)，少數(shù)粒子能夠脫離結(jié)點(diǎn)形成空格點(diǎn)和填隙離子。一、熱振動(dòng)粒子離開平衡位置時(shí)受到周圍各個(gè)粒子的作用力，振動(dòng)是十分復(fù)雜的。可以將粒子的振動(dòng)分解為三個(gè)互相垂直的方向上的振動(dòng)。因而知一個(gè)粒子的振動(dòng)具有三個(gè)自由度。根據(jù)杜隆—珀蒂定律，可計(jì)算晶體的振動(dòng)能量。非金屬中的熱傳導(dǎo)，是由粒子熱振動(dòng)之間相互聯(lián)系所引起的。31熱振動(dòng)時(shí)，粒子間的平均距離發(fā)生變化，溫度越高，距離越大，宏觀上就是熱膨脹現(xiàn)象。當(dāng)溫度改變不大時(shí)，固體單位長(zhǎng)度的改變量，近似地和溫度改變量成正比，即為線脹系數(shù)。在單晶體中,由于各向異性,不同方向上的線脹系數(shù)是不同的。固體的膨脹是十分微小的．但由于使固體發(fā)生很小形變時(shí)需要很大的應(yīng)力，所以熱膨脹雖不很大卻可以引起很大的應(yīng)力。由相互作用能曲線說明熱膨脹的原因。32根據(jù)相互作用能曲線的不對(duì)稱性，可以說明晶體受熱后要膨脹的原因。由相互作用能函數(shù)還可以定量地計(jì)算出熱膨脹系數(shù)果和實(shí)驗(yàn)符合一致。在一定溫度T下，由于粒子在平衡位置附近振動(dòng)。因而具有動(dòng)能，總能量為與相互作用能之和，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中是守恒的。粒子間最接近的距離是，最遠(yuǎn)的距離是，由于距離減小所引起的斥力增長(zhǎng)比由于距離增大所引起的引力快得多，因而粒子間接近的距離比粒子間遠(yuǎn)離的距離來得小。因此平均距離增大了，隨著溫度的升高，增大，平均距離也隨之增大。曲線

表示點(diǎn)陣常量隨而變的情形。332.熱缺陷的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)熱振動(dòng)粒子獲得較大的能量，脫離周圍粒子的作用，離開平衡位置形成缺陷。這種由于晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)而形成的缺陷稱為熱缺陷。熱缺陷包括填隙原子和空位兩種。填隙粒子形成的機(jī)制：表面上的兩個(gè)粒子a、b通過填隙的方式移動(dòng)到內(nèi)部位置。34空位形成的機(jī)制：開始時(shí)，表面上有一粒子a移到表面上另一正規(guī)位置，使在表面上產(chǎn)生一個(gè)空位，因而附近粒子就可以跑到這空位上去而使空位往里移動(dòng)。數(shù)字1，2，3，4，5，表示粒子跳動(dòng)的先后次序。數(shù)字1’,2’,3’,4’5’表示另一空位形成時(shí)柱子跳動(dòng)的先后次序.35由于熱缺陷的存在，及其在晶體中能夠運(yùn)動(dòng)，可以使晶體中的粒子由一個(gè)地方移到另一個(gè)地方。固體中擴(kuò)散的機(jī)制就是如此。在有電場(chǎng)時(shí)離子晶體之所以能夠?qū)щ?，也是由于熱缺陷的存在和運(yùn)動(dòng)，使離子晶體中的離子能夠在電場(chǎng)作用下移動(dòng)的緣故。根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，在一定的溫度T下，熱缺陷的數(shù)目為n’表示空位數(shù)，N

表示點(diǎn)陣中結(jié)點(diǎn)的總數(shù)目，u’表示將粒子由結(jié)點(diǎn)移到表面所需要的能量。n’’表示填隙粒子數(shù)，u’’表示將粒子由表面移到間隙中去所需的能量。上述結(jié)果也可以這樣理解：在某一溫度下，熱缺陷數(shù)目滿足玻耳茲曼分布定律，即結(jié)點(diǎn)上的粒子能脫離原位的概率，36熱缺陷在晶體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要使空位附近的粒子跳到空位上去也需要有一定的能量，稱為空位移動(dòng)的激活能。粒子具有足夠的能量跳到鄰近空位上去的概率為。設(shè)靠近空位的粒子的振動(dòng)周期為，則