材料科学与工程导论课件
凝聚态原子间作用力和结合能
不同类型的固体有不同的结合键,但它们在定 性上具有共同的规律。
当原子间距很大时,原子间的作用 力很小;当原子离开得更远时(无限 距离),相互作用力趋近于零,位能 也是如此。 当原子间距离较小时,存在着很 大的吸引力,势必把原子拉在一起, 原子更接近吸引力和排斥力相平衡时 ,换言之,力的和。
第二节 原子间的作用力与结合能
原子的聚集态
凝聚态
定义:一般条件下,元素难以原子态存在,基本上以分子 或液态及固态存在,液态和固态就称为凝聚态。
结合键
定义:凝聚态之所以成为物质常见的存在状态,说明原子 间存在着把他们束缚在一起的相互作用力,或成为它们之 间存在结合键。
根据结合键的不同状态,可以把凝聚态分为五大 类:液态,液晶,橡胶态,玻璃态和晶态。
液态:体积模量很大,但切变模量却为零,这是由于内部结合键已经 熔化。原子处于无序运动中,故只能承受压力,经不起剪切力的作用。
液晶:结合键基本熔化,它的切变模量和弹性模量基本都为零。
晶态和玻璃态:结合键处于固化状态,体积模量和弹性模量很大。
橡胶态:虽然是固态,体积模量很大,但弹性模量却很小,这是由于 材料内大量二次键已经熔化所致。
EB=EN-EO
式中,Eo为晶体的总能量,EN为组成该晶体的N个原子在自由状态时的总能量。
一些晶体的结合能可粗略的表示为:
E(r)=-A/r^m+B/r^n
式中,A、B、m、n为常数。右边第一项为吸引能,第二项 为排斥能。不同类型的材料,有不同的m和n,这说明不同 晶体的结合性质(结合键)在定性上具有共同的性质,而 在定量上却是不同的。
与原子之间的键合有关的能量,强烈地取决于原子间距离。由 于功或能等于力与距离的乘积,故相邻原子间相互作用势能可 用数学表示为:
VN=∫FAdr+∫FRdr=VA+VR
其中FA、FR为吸引力和排斥力, VN、VA、VR分别为总作用势能、吸引能和排斥 能。
对于多原子间的相互作用来说,要复杂得多。其结合能的大小 以及势能曲线的形状是随材料的类型而变化的,这二者取决于 原子间结合的性质。多数固体材料都是晶体。晶体的结合能可 定义为