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)
Wiązanie jonowe LiF NaCl
Wiązanie jonowe energia jonizacji powinowactwo elektronowe siły kulombowskie siły odpychania
Kryształy jonowe Sól kuchenna chlorek sodu NaCl CsCl Struktura ciasnego upakowania Kryształy jonowe są kruche pękają pod wpływem naprężeń
Wiązanie kowalencyjne Tworzenie się wiązania w atomie wodoru H 2
Hybrydyzacje W kryształach uzyskuje się obniżenie energii dla przekrywania się większej ilości orbitali - hybrydyzacje Kształty orbitali po hybrydyzacji muszą być jednakowe!
Podwójne i potrójne wiązania kowalencyjne O 2 O=O CO 2 O=C=O orbitale π Etan C 2 H 4 orbitale σ
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
Wiązanie wodorowe
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
Wiązanie Van der Waalsa Przykład: atom helu Oscylacje ładunku
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
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
Teoria pasmowa ciał stałych Model atomu Bohra Model kwantowy atomu Fala stojąca
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
Skończona studnia potencjału U = 450 ev, L = 100 pm Fala wnika w ściany skończonej studni długość fali jest większa (a energia mniejsza)
Teoria pasmowa ciał stałych Poziomy elektronowe atomów w cząsteczkach ulegają rozszczepieniu. W kryształach zjawisko to prowadzi do wytworzenia się pasm.
Metale, izolatory, półprzewodniki
Energia Fermiego Energia Fermiego: prawdopodobieństwo obsadzenia stanu =1/2 Dla temperatury zera bezwględnego energia najwyższego obsadzonego stanu jeśli nie znajduje się w obszarze wzbronionym!