ПРОГРАММА УЧЕБНОГО КУРСА
«Физика и химия конденсированного состояния»
Для специальности 0708 «Физико-химические методы исследования материалов и процессов»

Цель курса

Выработать понимание взаимосвязи между природой межатомных связей в кристаллических телах и их физико-химическими свойствами.

Практические умения и навыки.

Выполнять расчеты энергии кристаллических ионных решеток (ПЗ-2,3, ДЗ-1). Проводить расчеты и оценки энергий кристаллических решеток с Ван-дер-ваальсовыми и металлическими связями [ПЗ-6]. Выработать навыки работы с таблицами ионных радиусов и электроотрицательностей атомов /ДЗ-1/; выработать понимание причин, обуславливающих основные свойства кристаллических тел с ковалентными и смешанными ионно-ковалентными связями /ПЗ-4,5/. Прогнозировать свойства металлических кристаллов на основе теории свободных электронов /ПЗ-6,7,8; ДЗ-2/

Распределение часов

Виды занятий Всего 8 семестр (экзамен)
Самостоятельная работа 69 69
В аудитории 51 51
Лекции 34 34
Практические занятия 17 17
ИТОГО 120 120

Содержание лекционного курса. Семестр 8

Тема 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства кристаллов /1,2,3/. /34 часа/.
1.1-1.2. Общая характеристика типов межатомных связей и соответствующая им классификация твердых тел. Потенциал ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность /Малликен, Полинг/.
1.3-1.4. Флуктуационно-дипольное (дисперсное) взаимодействие частиц. Теория Лондона. Энергия кристаллической решетки с дисперсными силами связи. Потенциал «6-12».
1.5-1.6. Ионная связь. Энергия ионной кристаллической решетки ( приближения Борна-Ланде и Борна-Майера).
1.7. Взаимосвязь между энергией отталкивания ионов при перекрывании электронных оболочек и сжимаемостью ионного кристалла.
1.8-1.9. Модель несжимаемых шаров и ионные радиусы. Физические предпосылки создания таблиц ионных радиусов (Гольдшмит, Полинг). Методика вычисления радиусов двухвалентных ионов по рентгеновским данным ( на примере Se , Ca , O ).
1.10-1.11. Модель несжимаемых шаров и прогнозирование относительной устойчивости ионных кристаллических решеток типа CsCl, NaCl, ZnS.
Зависимость энергии ионной решетки от отношения радиусов аниона и катиона .
1.12. Гидриды. Анионная и протонная теория металлических гидридов. Модель решеточного газа.
1.13-1.14. Ковалентная связь. Описание связи в молекуле водорода с помощью ме6тода «валентных связей». Антисимметричность двухэлектронной координатно-спиновой волновой функции.
1.15. Направленность ковалентной связи. Кратные связи. Донорно-акцепторная связь. Способность связеобразования L.
1.16-1.17.Гибридизация sp, sp ,sp . Вычисление гибридных орбиталей. Кристаллические структуры с ковалентными связями.
1.18. структуры со смешанными ковалентно-дисперсными связями (графит, теллур).
1.19-1.20. Смешанные ионно-ковалентные связи. Процент ионности связи. Кристаллические структуры со смешанными ионно-ковалентными связями.
1.21. Водородная связь. Кристаллические структуры с водородными связями.
1.22. Основные признаки металлического состояния. Теория Друде.
1.23-1.24. Квантово-механическое описание газа свободных электронов. Циклические граничные условия Борна-Кармана. Волновой вектор. Уравнение бегущей волны. Пространство волновых чисел. Плотность различимых квантовых состояний.
1.25-1.26. распределение  Ферми-Дирака и его зависимость от температуры. Энергия Ферми при 0К.
1.27-1.28. Зависимость энергии Ферми и энергии электронного газа от температуры. Теплоемкость электронного газа.
1.29-1.30. Металлическая связь. Энергия металлической решетки в приближении свободных электронов (модель Фрелиха). Поправка на обменную энергию.
1.31-1.32. Экранирование избыточного заряда электронным газом. Приближение Томаса-Ферми.
1.33-1.34. Методы оценок теплоты растворения атомов водорода (Фридель) и протона (Мотт) в простых металлах.

Перечень тем практических занятий [4,5]. /17 часов/.

  1. Вычисление энергии связи по термохимическим данным. Применение электроотрицательностей элементов для вычисления энергии связи.
  2. Расчеты энергии ионной кристаллической решетки с учетом температурных поправок. Примеры вычислений постоянной Маделунга. Расчеты с помощью цикла Борна-Габера и формулы Капустинского.
  3. Расчеты энергии решетки металлического гидрида.
  4. Направленность ковалентной связи. Кратные связи. Донорно-акцепторная связь (рассмотрение примеров0.
  5. Гибридизация. Вычисление sp – гибридных орбиталей и способности связеобразования L.
  6. Свойства газа свободных электронов: теплоемкость, сжимаемость, давление, электропроводность.
  7. 8. Оценки теплот растворения протона (метод Томаса-Ферми) и атома водорода (метод Фриделя) в простых металлах.

Перечень тем домашних заданий.

  1. Расчет энергии кристаллической ионной решетки бинарного соединения и сложных оксидных соединений по ионным радиусам (формула Капустинского).
  2. Свойства свободного электронного газа. Оценки теплоты растворения водорода в простых металлах и влияние легирования на эту величину.

Контрольные  мероприятия

Семестр 8
  • ДЗ №1 – 4 -6 недели.
  • ДЗ №2 – 14-17 недели.

Литература

  1. Фистуль В.И. Физика и химия твердого тела. Т.1,-М.: Металлургия, 1995.
  2. Блейкмор Л. Физика твердого состояния, -М.: Мир,1971.
  3. Хенней Н. Химия твердого состояния, -М,: Мир, 1971.
  4. Задачи по физике твердого тела (под редакцией Гольдсмида), -М,: Наука,1976.
  5. Иродов И.Е. Сборник задач по атомной и ядерной физике, -М,: Атомиздат, 1971.
Автор:
Профессор Андреев Л.А.