Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 2 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 2 Các dạng liên kết trong chất rắn, gồm các nội dung chính sau cấu tạo nguyên tử; liên kết trong chất rắn; thuyết liên kết hóa trị VB, quỹ đạo phân tử mo lý thuyết vùng năng lượng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 2 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà CHƯƠNG 2CÁC DẠNG LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1 VIẾT TẮT• NT: nguyên tử • HCHH: hợp chất hóa• PT: phân tử học• HN: hạt nhân • KL: kim loại• VC: Vật chất • LK: liên kết• LT: lượng tử • AO: orbital nguyên tử• CHLT: cơ học lượng tử • e: electron• NL: năng lượng • TTĐT: Trạng thái điện tử• NTHH: nguyên tố hóa • ĐT: Điện từ học • T: Nhiệt độ PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2 MỞ ĐẦU NT là những phần tử cơ bản cấu tạo nên vật chất NT liên kết tạo nên phân tử; các PT liên kết tạo khối vật chất lớn hơn Bản chất liên kết: được giải thích như lực hút giữa các hạt tích điện Quan điểm CHLT: khi HN các NT tham gia liên kết sẽ sắp xếp lại mật độ e lớp ngoài cùng (e hóa trị) Độ bền liên kết: năng lượng phá hủy nó PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 3 1. CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 1.1. CẤU TẠO NT THEO MÔ HÌNH BOHR NT gồm HN hình cầu và các e bao quanh Điện tích dương của hạt nhân Z bằng số lượng các e bao quanh: NT trung hòa điện Các e quay quanh HN theo quỹ đạo tròn có bán kính rn: rn= n2.0,53.10-8m (n: số tự nhiên) Mỗi quỹ đạo ứng với một giá trị n với một mức NL En xác định, n: số lượng tử chính (số LT quỹ đạo) PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4 1.1. CẤU TẠO NT THEO MÔ HÌNH BOHR Mỗi e có mức NL En phụ thuộc vào Z và n; n càng lớn mức năng lượng càng cao Khi hấp thụ NL, e sẽ chuyển lên mức NL cao hơn (trạng thái bị kích thích), tồn tại ở trạng thái này 10-7 – 10-9 s, sau đó về trạng thái ban đầu, giải phóng NL bằng NL hấp thụ: ∆E= h= E2 – E1 E1: mức năng lượng ban đầu của e E2: mức năng lượng của quỹ đạo cuối của e PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 5PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 61.2. NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH HEISENBERG Theo CHLT, e (cả những hạt cơ bản khác cấu tạo nên NT) thể hiện cả tính chất hạt và tính chất sóng ĐT, không thể xác định đồng thời chính xác cả tọa độ và vận tốc mà chỉ có thể xác định xác xuất tìm hạt trong không gian Sóng ĐT lan truyền với vận tốc c, bước sóng  (tần số ): c= . NL sóng: E= h, NL hạt: E= mc  = h/mc h: Hằng số Planck PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 71.2. NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH HEISENBERGNguyên lý bất định Heisenberg: ∆x.∆vx ≥ h/m ∆x: độ bất định vị trí e theo tọa độ x ∆vx: độ bất định vân tốc theo phương x m: khối lượng hạt PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8 1.3. PHƯƠNG TRÌNH SCHRÖDINGERMô tả trạng thái e chuyển động trong NT:c2/cx2+c2/cy2+c2/cz2+82m/h2(E-V)= 0 E: năng lượng toàn phần e V: thế năng, phụ thuộc tọa độ x, y, zHàm sóng (hàm trạng thái) (x, y, z) mô tả tr.thái chuyển động e, là hàm đơn trị, hữu hạn, liên tục PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 9 1.4. NGHIỆM CỦA PT SCHRÖDINGERGiải PT Schrödinger là xác định hàm sóng (x, y, z) và giá trị NL E tương ứngLời giải PT sóng Schrödinger trong hệ tọa độ cầu cho thấy trạng thái chuyển động của e trong NT hydro phụ thuộc các số lượng tử:• n: số lượng tử chính• l: số lượng tử quỹ đạo• ml: số lượng tử từ• s (ms): số lượng tử spin PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 10 1.4.1. Số lượng tử chínhCòn được gọi là số lượng tử quỹ đạo n (n= 1, 2, 3 …)n xác định mức năng lượng nguyên tử Enn= 1 ứng với mức NL nhỏ nhất (mức bền nhất)Các mức En được ký hiệu: K (n= 1), L (n= 2), M (n= 3), N (n= 4), O (n= 5)… PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 11 1.4.2. Số lượng tử quỹ đạo l Còn được gọi là số LT phụ hay số LT phương vị Liên quan tới hình dạng mây e. Ứng với mỗi giá trị n, có một bộ số l nhận giá trị từ 0 đến n-1 Khi n≥ 2 (NT nhiều e) sẽ có sự phân lớp e, mỗi phân lớp ứng với một giá trị của l Thí dụ:• n= 1: l= 0 (không có phân lớp)• n= 2: l= 0 và l= 1 (2 phân lớp)• n= 3; l= 0, l= 1, l= 2 (3 phân lớp) PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 12 1.4.2. Số lượng tử quỹ đạo lNhững lớp có cùng trị số l: có quỹ đạo và NL tương tự nhau. Lớp thứ n có n phân lớp với quy ước tên mỗi phân lớp là s, p, d, f, gĐể phân biệt NL cùng mức nhưng khác lớp: ghi cùng tên số LT chính 1s, 2s, 2p, 3s …Số LT l xác định giá trị momen động lượng quỹ đạo M của e PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 13 1.4.3. Số lượng tử từ ml Momen động lượng M là một vectơ, cho phép xác định hướng đám mây e (dọc trục/xiên góc so với trục tọa độ), có trị số được tính theo giá trị l Mỗi giá trị l có (2l+1) kiểu định hướng khác nhau của mây e, còn chiều phụ thuộc số LT từ cụ thể ml có thể có các giá trị số: 0, ±1, ±2 … :• l= ...