Legături interatomice

Există diferite forțe care acționează asupra seturilor de atomi sau molecule. Aceste forțe, atât atractive, cât și respingătoare, depind de distanța relativă dintre diferiți atomi. În cristale, în care electronii sunt transferați între atomi, există, desigur, forța Coulomb la distanță relativ mare, care este în general atractivă. Această forță provine din schimbul de electroni dintr-un atom în vecinul său, caz în care este o forță ionică atractivă. Atracția ionică este doar una dintre forțele posibile care acționează asupra diferiților atomi.

S-ar putea aștepta ca forța de atracție care acționează asupra atomilor să-i împingă împreună până se prăbușesc. În schimb, există, întotdeauna la mică distanță, o forță respingătoare care acționează între electronii atomilor individuali. Această forță este explicată la nivel microscopic prin principiul de excludere Pauli . Ca rezultat, există întotdeauna o distanță de echilibru la care aceste două forțe se echilibrează exact. La această distanță de echilibru, forța atractivă, indiferent dacă este Coulomb sau nu, este exact echilibrată de forța respingătoare dintre cei doi atomi. Dacă atomii se îndepărtează, atunci forța respingătoare este mai mică decât forța atractivă, care tinde să-i apropie. Dacă, pe de altă parte, se apropie de o distanță mai mică decât cea a echilibrului, forța respingătoare devine dominantă și, prin urmare, forța rezultată tinde să le îndepărteze. Deoarece forțele tind întotdeauna să provoace revenirea atomilor la poziția de echilibru, această poziție este un echilibru stabil. Deoarece echilibrul este stabil, acesta trebuie să aibă loc la un minim de energie potențială. Ne putem imagina că aceste forțe apar din energiile potențiale. Amintiți-vă că puterea este legată de potențialul asemănător ${\vec {F}}=-{\vec {\nabla }}E$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} = - {\ vec {\ nabla}} E}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} = - {\ vec {\ nabla}} E}$ sau mai simplu în cazul unidimensional, precum cel cu care avem de-a face, $F=-\partial E/\partial x\$ ${\ displaystyle F = - \ partial E / \ partial x \}$ ${\ displaystyle F = - \ partial E / \ partial x \}$ .

Forța de atracție este în exemplu forța Coulomb, în timp ce forța respingătoare este forța pe distanțe scurte care împiedică fuziunea electronilor celor doi atomi. Observați cum există un punct în care forța totală este zero; adică, pentru a se anula reciproc, forțele atractive și respingătoare trebuie să se compenseze reciproc. Această distanță corespunde distanței atomice $a_{o}\$ ${\ displaystyle a_ {o} \}$ ${\ displaystyle a_ {o} \}$ . Setul tuturor atomilor se află într-o serie de puțuri potențiale, descrise de totalitatea forțelor dintre atomii individuali. Având în vedere o mică perturbare în jurul poziției de echilibru $a_{o}\$ ${\ displaystyle a_ {o} \}$ ${\ displaystyle a_ {o} \}$ , atomii tind să revină în această poziție. Atomii pot încă vibra în jurul poziției de echilibru datorită agitației termice.

Pot fi identificați doi parametri care ne permit să identificăm unele proprietăți ale solidelor. Prima proprietate este distanța atomică de echilibru $a_{o}\$ ${\ displaystyle a_ {o} \}$ ${\ displaystyle a_ {o} \}$ , care în cazul rețelelor fără bază coincide cu distanța dintre primii vecini. Aceasta este extensia tridimensională a poziției de echilibru între doi atomi. A doua cantitate este energia de legare $E_{l}\$ ${\ displaystyle E_ {l} \}$ ${\ displaystyle E_ {l} \}$ (rețineți că este pozitiv definit). După cum sugerează și numele, energia de legare este energia necesară pentru a separa fiecare atom al rețelei și, în consecință, energia necesară pentru a distruge solidul. Energia legăturii este, desigur, o măsură a robusteții solidului și variază de-abia $0.02\ eV$ ${\ displaystyle 0.02 \ eV}$ ${\ displaystyle 0.02 \ eV}$ pentru cristale de heliu ( legătura Van der Waals ), până la mai mult de $10\ eV$ ${\ displaystyle 10 \ eV}$ ${\ displaystyle 10 \ eV}$ pentru $LiF\$ ${\ displaystyle LiF \}$ ${\ displaystyle LiF \}$ ( legătură ionică ). Energia de legare așa cum se arată este minimul energiei potențiale totale.

Diferite tipuri de lipire în solide