Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Физика arrow Физика конденсированного состояния

Глава 1 Структура твердых тел. Элементы кристаллографии

1.1. Силы Ван-дер-Ваальса, их классификация

Силы Ван-дер-Ваальса характеризуют взаимодействие на расстояниях ~10 4 м между центрами электронейтральных атомов и молекул. Силы Ван-дер-Ваальса носят дальнодействующий характер и определяют межатомное или межмолекулярное взаимодействие, даже если эти микрообъекты находятся в разных агрегатных состояниях. Квантовая теория ван-дер-ваальсовых сил подробно изложена в работах [1,2], а ее практическое использование для анализа результатов эксперимента, в частности, выращивания в парогазовых средах кристаллов 81 и Се (автоэпитаксия) описано в работах [3,4]. Силы Ван-дер-Ваальса включают в себя дисперсионное, ориентационное и индукционное взаимодействия между атомами и молекулами. Рассмотрим каждое из них в отдельности.

Дисперсионное взаимодействие обусловлено силами, возникающими при дипольном взаимодействии соседних атомов, и характерно для неполярных молекул. Силы связи между атомами, появляющиеся вследствие согласованного движения электронов в соседних атомах, называются дисперсионными силами. Под влиянием воздействия электрического диполя одного атома другой атом поляризуется и в нем возникает дипольный момент, способствующий дисперсионному взаимодействию (рис. 1.1).

Потенциальная энергия дисперсионного взаимодействия двух соседних атомов равна

где а — поляризуемость атомов, /— энергия возбуждения атомов, г — расстояние между взаимодействующими атомами.

Самосогласованное движение электронов в двух соседних атомах с образованием наведенных электрических диполей, параллельных друг другу

Рис. 1.1. Самосогласованное движение электронов в двух соседних атомах с образованием наведенных электрических диполей, параллельных друг другу

Ориентационное взаимодействие характерно для полярных молекул, обладающих постоянными дипольными моментами М, между которыми возникает электростатическое взаимодействие. Это взаимодействие стремится расположить диполи в определенном порядке (рис. 1.2), который нарушается тепловым движением. В области низких температур ориентация является полной, а энергия взаимодействия двух молекул определяется как

где во — электрическая постоянная.

Схема расположения диполей соседних полярных молекул при их ориентационном взаимодействии

Рис. 1.2. Схема расположения диполей соседних полярных молекул при их ориентационном взаимодействии

Для высоких температур потенциальная энергия ориентационного взаимодействия двух полярных молекул равна

где кв — постоянная Больцмана, Т— абсолютная температура.

Как видно из формул (1.2) и (1.30), при изменении термодинамического режима (температуры среды) ориентационное взаимодействие двух молекул резко меняется в зависимости от расстояния г между ними.

Индукционное взаимодействие возникает у полярных молекул, обладающих высокой поляризуемостью а, когда может появиться дополнительно наведенный (индуцированный) электрический диполь под действием поля постоянных диполей соседних молекул — рис. 1.3. На этом рисунке пунктиром показаны индуцированные диполи. При этом энергия взаимного притяжения между жестким (постоянным) электрическим диполем одной молекулы и наведенным, индуцированным, диполем соседней молекулы не зависит от температуры и определяется соотношением [6]

Рис. 1.3. Схема взаимного расположения жесткого и наведенного электрических диполей в двух соседних высоконоляризованных молекулах при их индукционном взаимодействии

В общем случае при сближении молекул могут возникать все три вида связей, и полная энергия взаимодействия, вызванного силами Ван-дер-Ваальса, равна сумме ив =1УД + б/ор ?то1. Процентные соотношения для различных веществ между этими тремя видами взаимодействий представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Процентное соотношение между дисперсионным [/„ ориентационным 11 ор и индукционным ?/1п(| взаимодействиями для различных веществ

Вещество

^ор

н2о

19

77

4

ЫН,

50

45

5

НС1

81

15

4

Таблица 1.2

Энергия связи и для молекулярных кристаллов, образованных силами Ван-дер-Ваальса, кДж/моль

Вещество

и

Ne

1,9

Аг

8,4

N,

6,8

о2

8,2

СО

8,4

сн4

10,8

Из этой таблицы видно, что индукционное взаимодействие в процентном отношении для всех представленных веществ мало. У полярных молекул Н20, NH3 энергия ван-дер-ваальсовых связей состоит в основном из ориентационного взаимодействия, а у молекул НС1 определяется их дисперсионными связями. В табл. 1.2 приведены значения энергии связи в расчете на 1 моль для некоторых молекулярных кристаллов, образованных силами Ван-дер-Ва- альса [6]. Оказывается, что энергии связей атомов или молекул в кристаллическом состоянии, обусловленные ван-дер-ваальсовыми силами, невелики по сравнению с энергиями связей атомов, обусловленных иными взаимодействиями.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы