Stany skupienia materii

Transkrypt

1 Stany skupienia materii Ciała stałe - ustalony kształt i objętość - uporządkowanie dalekiego zasięgu - oddziaływania harmoniczne Ciecze -słabo ściśliwe - uporządkowanie bliskiego zasięgu -tworzą powierzchnię swobodna Gazy -cząsteczki poruszają się swobodnie - oddziaływanie jedynie w wyniku zderzeń -duża ściśliwość Płyny Siła styczna do powierzchni płynu (naprężenie ścinające) powoduje odkształcenie (płynięcie)

2 Wiązanie jonowe LiF NaCl

3 Wiązanie jonowe energia jonizacji powinowactwo elektronowe siły kulombowskie siły odpychania

4 Kryształy jonowe Sól kuchenna chlorek sodu NaCl CsCl Struktura ciasnego upakowania Kryształy jonowe są kruche pękają pod wpływem naprężeń

5 Wiązanie kowalencyjne Tworzenie się wiązania w atomie wodoru H 2

6 Hybrydyzacje W kryształach uzyskuje się obniżenie energii dla przekrywania się większej ilości orbitali - hybrydyzacje Kształty orbitali po hybrydyzacji muszą być jednakowe!

7

8 Podwójne i potrójne wiązania kowalencyjne O 2 O=O CO 2 O=C=O orbitale π Etan C 2 H 4 orbitale σ

9 Wiązanie wodorowe -Atom wodoru wiąże się z dwoma innymi atomami -Elektron z wodoru prawie całkowicie przeniesiony na silnie elektroujemny atom -Proton może przyciągnąć kolejny ujemnie naładowany atom Symetryczne: A-H-A Antysymetryczne: A-H...B

10 Wiązanie wodorowe

11 Wiązanie Van der Waalsa -Występuje zawsze -Źródło: fluktuacje ładunku w atomach, moment dipolowy atomów i cząsteczek -Wiąże atomy o zamkniętych powłokach, nasycone cząsteczki (kryształy molekularne) -Duży promień atomowy. Kształt potencjału w wiązaniu Van der Waalsa może być przybliżony potencjałem Lennarda-Jonesa

12 Wiązanie Van der Waalsa Przykład: atom helu Oscylacje ładunku

13 Wiązanie metaliczne -Funkcje falowe zewnętrznych elektronów ulegają przekrywaniu -Konsekwencją przekrywania się jest rozszczepienie poziomów i utworzenie pasma -Chmura elektronowa rozkłada się na cały kryształ poprzez przyciąganie elektronów do kolejnych jąder atomowych -Nie ma wyróżnionego kierunku wiązania (struktura krystaliczna związana z upakowaniem w przestrzeni) Morze swobodnych elektronów pomiędzy rdzeniami atomowymi o ładunku dodatnim

14 Sieci krystaliczne 14 sieci Bravais go 7 układów krystalograficznych a,b,c wektory translacji prymitywnych wzdłuż osi komórki elementarnej a,b,c stałe sieci Punkt sieci n 1 a+n 2 b+n 3 c wyznacza kierunek [n 1,n 2,n 3 ] np. [111], [1,-1,-1] < n 1,n 2,n 3 > rodzina kierunków związanych symetrią, np. w sieci regularnej <100> [100], [-100], [010], [0-10], [001], [00-1] Współrzędne punktu (atomu) w komórce elementarnej ułamki wektorów a,b,c np. środek komórki 1/2,1/2,1/2

15 Teoria pasmowa ciał stałych Model atomu Bohra Model kwantowy atomu Fala stojąca

16 Liczby kwantowe -główna liczba kwantowa (n = 1,2,3...) kwantuje energię elektronu (numer orbity) -poboczna liczba kwantowa (l = 0,1,...,n 1) oznacza wartość bezwzględną orbitalnego momentu pędu L (numer podpowłoki na której znajduje się elektron) -magnetyczna liczba kwantowa (m l = l,..., 1,0,1,...,l) opisuje rzut orbitalnego momentu pędu na wybraną oś. -spinowa liczba kwantowa S oznacza spin elektronu. Jest on stały dla danej cząstki elementarnej i w przypadku elektronu wynosi 1/2. -magnetyczna spinowa liczba kwantowa (m s = m,m = 1 / 2, 1 / 2) pokazuje, w którą stronę skierowany jest spin Obsadzanie zgodnie z minimum energii potencjalnej Zakaz Pauliego: w atomie żadne dwa elektrony nie mogą mieć tej samej czwórki liczb kwantowych: n, l, m l, m s

17 Skończona studnia potencjału U = 450 ev, L = 100 pm Fala wnika w ściany skończonej studni długość fali jest większa (a energia mniejsza)

18 Teoria pasmowa ciał stałych Poziomy elektronowe atomów w cząsteczkach ulegają rozszczepieniu. W kryształach zjawisko to prowadzi do wytworzenia się pasm.

19 Metale, izolatory, półprzewodniki

20 Energia Fermiego Energia Fermiego: prawdopodobieństwo obsadzenia stanu =1/2 Dla temperatury zera bezwględnego energia najwyższego obsadzonego stanu jeśli nie znajduje się w obszarze wzbronionym!