Краткие сведения из теории твердого тела Строение вещества

Теоретическая основа учения о строении вещества – квантовая механика.

Основные положения:

• Все вещества состоят из атомов

• Состав атома: основные частицы – нейтрон, протон, электрон

• Атом электрически нейтрален

• Атом или группа атомов при утрате или приеме одного или нескольких электронов образует ион, обладающий зарядом.

Теория строения атома (Н. Бор 1913г). Для водорода подтверждена экспериментально.

3 постулата:

1. Между ядром и электронами силы Кулона и центробежные силы, обусловленные движением электрона.

Динамическое равновесие:

(1)

= 9.108*10^-31 кг – масса

e = -1.602*10^-19 Кл – заряд

– диэлектрическая постоянная = 8,85*10^-12 Ф/м

2. Интеграл момента количества движения за период его обращения относительно обобщенных координат q кратен постоянной Планка:

; n=1,2,… (2)

Постоянная Планка h=6,624*10^-34 Дж*с

3. При переходе из одного устойчивого состояния в другое происходит испускание или поглощение кванта энергии.

Частота монохроматического излучения при этом: hf = E_n-E_m (3)

Из II постулата ,

откуда (4) , где

Если из (1) выразить и подставить в (4), то получим радиус орбиты электрона

(5)

или 0,529А⁰ для n=1

Энергия электрона представляет собой разность кинетической энергии электрона и потенциальной энергии взаимодействия электрона с ядром

E_k= ; где r из (5) преобр. 2 часть выражения (6)

(кинетическая) (потенциальная)

тогда:

при n=1 => Е₁=-13,6 эВ;

n=2 => E₂=-3,4 эВ

………

n= => =0

Из уравнения движения электрона следует, что – кинетическая энергия равна потенциальной.

Для атома водорода (6)

Из (5) и (6) видно, что дискретный ряд энергий и жестко с ним связанный ряд уровней (радиусов орбит), на котором могут располагаться (т.е. ряд разрешенных радиусов). Или, иначе, разрешенными уровнями являются только те, на длине которых (2 ) укладывается целое число длин волн Де Бройля:

;

Орбита и энергетическое состояние электрона, находящегося на орбите характеризуется 4 числами:^*7

• n – главное квантовое число

• e – азимутальное (орбитальное) квантовое число

• m – магнитное квантовое число

• s – спиновое квантовое число

Если атом возбужден, то переходит на другую разрешенные орбиту.

Виды химических связей.

Атомы в твердых телах удерживаются силами химических связей. При объединении атомов в молекулы происходит перестройка электронных оболочек взаимодействующих атомов. Энергия всей системы (молекула, кристалл) стремится к минимуму. Тип химической связи определяет св-ва вещества. В образовании хим. связей участвуют валентные электроны с внешних энергетических уровней.

Бывают нейтральные молекулы, (+) или (-) заряженные ионы, нестабильные обладающие валентностью радикалы. Если атом отдал e, то => отрицательных зарядов убавилось и получается (+) ион, если принял, то => (-) ион. Отдельно существующие атомы нестабильны. Они объединяются в молекулы, при этом образуются различные виды связей.

1. Металлическая связь характерна для всех металлов.

В металле связь возникает не между соседними атомами, а является свойством всего кристалла. Валентные электроны принадлежат не одному–двум атомам, а всему кристаллу в целом. Каждый атом вкладывает свой электрон в общий запас электронов, и положительные атомные ионы как бы плавают в океане отрицательных электронов. Однако металлы – это еще кристаллические тела, потому что полная энергия принимает наименьшее значение, когда ионы образуют упорядоченную систему.

Т.О. основа металлической связи - взаимодействие проводимости и ионной оболочки. Электроны внешней оболочки (электроны проводимости), свободно перемещаясь, образуют электронное облако. Притяжение между положительным остовом и отрицательным электронным облаком обусловливает целостность вещества. Обладают высокой электропроводимостью. Хорошая теплопроводность, ковкость.

Энергия связи Fe 395 кДж/моль, Na – 110 кДж/моль

2. Ковалентная связь.

Объединение атомов происходит за счет , которые становятся общими (например у бинарных п/п).

Другие примеры: молекулы алмаза (энергия связи алмаза 770,0 кДж/моль), кремния, Ge. Во внешней оболочке 8 – по 4 от одного из элементов (атомов). Высокая механическая твердость, при низкой t⁰ – д/э.

Если центры отрицательного заряда и положительного заряда совпадают, то молекула неполярная (H₂). Если не совпадают и находятся на некотором расстоянии, то такие молекулы называются полярными или диполями (дипольными).

3. Донорно-акцепторная (ионная) связь.

Один атом (донор) отдает другому (акцептору), после чего образуют химическое соединение (взаимодействие двух противоположно заряженных ионов)

. Например: AlS, GaCr и др. элементы III и V групп таблицы Менделеева.

4. Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса)

Этот вид межмолекулярной связи существует у ряда веществ между молекулами, каждая из которых с ковалентным характером внутримолекулярных связей, за счет существования электростатических сил взаимодействия между поляризованными молекулами (диполями) – сил Ван-дер-Ваальса.

I молекула

II молекула

Связь очень слабая. Энергия связи (Ar-аргон)-7,5кДж/моль.

Примеры: сахар, парафин, твердый аргон.

Для материалов с этим видом связи характерны: низкие t⁰ плавления (парафин) и кипения, легкая сжимаемость. Связь типична для газов, поляризованных молекул.

Зонная теория

Электрические свойства веществ хорошо объясняются с помощью зонной теории. Зонная теория применима к веществам с ковалентной и металлической связями.

Электроны в атоме расположены на строго определенных энергетических уровнях, что соответствует линейчатому энергетическому спектру.

отдельный атом Е=0 сжатое вещество

При уменьшении межатомных расстояний, например при конденсации газа и затем переходе в твердое состояние, атомы взаимодействуют между собой и энергетические уровни расщепляются и смещаются, образуя уже различные энергетические зоны.

С изменением межатомных расстояний распределение искажается. Чем меньше расстояние, тем больше ширина зоны 1.

Чем меньше расстояние, тем ширина 1 зоны больше

1 и 3 зоны – разрешенные. При 0⁰ К – 3 зона энергетически заполнена.

1 зона – свободная или зона проводимости. Её ширина в большей степени определяется r, т.к. расположены на внешних орбитах и соседние атомы воздействуют на них с наибольшей силой.

Для самых низких зон 3, т.е. для наиболее глубинных электронных оболочек влияния почти нет.

Ширина запрещенной зоны 2 меняется с изменением t⁰ из-за:

А) изменение амплитуды теплового колебания атомов решетки

Б) из-за изменения межатомных расстояний

Если внешней энергии достаточно для преодоления запрещенной зоны - , вышедшие в зону проводимости участвуют в создании электрического тока. Энергию может дать тепло, свет, излучение, механическое воздействие, электрическое и магнитное поля.