八、 晶体中粒子的相互作用(§9-8)

    1. 晶体的结合

    (1)  晶体中粒子之间的相互作用,就是结合力,或称化学键。当原子结合成晶体时,原子的外层电子云要重新分布,电子云的不同分布方式,将产生不同类型的化学键,而不同类型的化学键又导致不同类型的晶体。

    这里需要强调的是电子云的概念。关于电子沿着一定的轨道围绕原子核旋转的模型应该改变了。实际上,原子核周围的电子真可以说是如云似雾,故称电子云。这些“云雾”在原子核周围的分布形状,以及空间任何一点上“云雾”的浓度,都由电子的波函数来确定,而电子的波函数可以从求解薛定谔方程得到,关于这方面内容,大家将在第十五章讨论。而在这里,只要求读者转变电子作为一个一个的粒子沿轨道围绕原子核旋转的认识,建立电子云的概念。

    既然原子核周围的电子如云似雾,就不能以1个、2个或3个等来量度。这样一来,过去所说的某原子是1价、2价或3价等的概念,在这里自然就变得不确切了。所以不得不采取一种折衷的办法,即在整数后面加上小数来表示某原子的价数,如+1.23价、-2.35价等。

    (2)  大家在教材中讨论了晶体的不同类型的结合方式,以及相应的晶体,它们是离子键结合、共价键结合、分子键结合、金属键结合和氢键结合。

    a)  离子键:电负性小的元素,容易失去电子,电负性大的元素,吸引电子的能力强。当这两种元素的原子相结合时,失去电子的成为正离子,获得电子的成为负离子,正、负离子依靠静电力结合在一起,就形成了离子晶体。

9-1

    b)  共价键:注意共价键的饱和性和方向性。根据电子云的分布情况,共价键包括不同的种类,同一种元素按不同的共价键类型结合成的不同晶体,称为同素异形体。例如,金刚石和石墨就是碳元素常见的的两种同素异形体。20世纪80年代,人们又发现了碳的另一种同素异形体,称为富勒烯,或足球烯。一个富勒烯分子包含了60个碳原子,常写为C60C60的结构很象一个足球,有60个顶点(60个碳原子占据)32个面组成的多面体,32个面中有12个五边形和20个六边形,如图9-1所示。

9-2

    c)  分子键,也称范德瓦耳斯键,包括三种情况:第一种情况是极性分子之间的偶极静电力,如图9-2(a)所示;第二种情况是当极性分子与无极分子靠近时,可促使后者的正、负电荷分开,从而产生诱导偶极性,这样就与极性分子之间产生一种所谓诱导力,如图9-2(b)所示;第三种情况是由于量子涨落效应使无极分子产生瞬时偶极性,瞬时偶极性又在邻近的分子中产生诱导偶极性,这样,瞬时偶极性与诱导偶极性之间就产生一种所谓色散力,如图9-2(c)所示。偶极静电力、诱导力和色散力都属于范德瓦耳斯力,其中色散力是范德瓦耳斯力的主要成分。

    d)  金属键:“公有化”的外层电子,可以在整个晶体中自由运动,从而把原子实维系在一起,就形成有序的金属晶体。

    e)  氢键与范德瓦耳斯键相比无本质上的差异,但氢键有一定的饱和性和方向性,两者的强度同数量级。

    2. 结合力的共同特征

    两个原子之间的相互作用力和相互作用势能与它们的间距的关系,对于任何类型的晶体在性质上都是相同的。这就是晶体结合力的共同特征。具体地说,组成晶体的粒子之间的相互作用的共同特征可归结为以下两点:

    (1)  从本质上说,粒子之间的作用力可以分为两类,即引力和斥力。引力来自异性电荷之间的库仑引力。斥力的来源有两个方面,一个方面是同性电荷之间的库仑斥力,另一个方面是量子效应,即泡利不相容原理引起的排斥作用。关于泡利不相容原理将在§17-4先容。

    (2)  从规律上说,两个粒子之间的相互作用势能和作用力与粒子间距的关系分别遵从下面的经验公式:

                        

                     ,

并可以用教材中的图9-24表示。      

       
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