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物質的聚集狀態及晶體結構基礎 版權信息
- ISBN：9787030678249
- 條形碼：9787030678249 ; 978-7-03-067824-9
- 裝幀：一般純質紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
物質的聚集狀態及晶體結構基礎 內容簡介
本書是“無機化學探究式教學叢書”的分冊。全書共3章，包括物質的聚集狀態、物質的常三態和晶體的微觀結構。編寫時力圖體現內容和形式的創新，緊跟學科發展前沿。作為基礎無機化學教學的輔助用書，本書的宗旨是以促進學生科學素養的發展為出發點，突出創新思維和科學研究方法，以教師好使用、學生好自學為努力方向，以提高教學質量、促進人才培養為目標。 本書可供高等學校化學及相關專業師生、中學化學教師以及從事化學相關研究的科研人員和技術人員參考使用。
物質的聚集狀態及晶體結構基礎 目錄
目錄
序
叢書出版說明
前言
第1章 物質的聚集狀態 3
1.1 物質聚集狀態的多樣性 3
1.1.1 一種新的熱力學穩定冰相ⅩⅤ的發現 3
1.1.2 擠壓孤對電子：黑磷烯中的α-P17到α-P7壓力誘導相變 5
1.1.3 魔角石墨烯超晶格中的非常規超導電性 6
1.2 物態與溫度的關系 7
1.2.1 超導態 7
歷史事件回顧 1 高溫超導研究 9
1.2.2 超流態 14
1.2.3 等離子體 16
1.2.4 物質第五態——玻色-愛因斯坦凝聚態 18
1.3 物態與壓力的關系 22
1.3.1 恒星演化與黑洞 22
1.3.2 高壓下的物相轉變 31
1.3.3 冰在負壓下的壓力-溫度相圖 38
參考文獻 44
第2章 物質的常三態 50
2.1 氣體 50
2.1.1 理想氣體狀態方程 50
歷史事件回顧 2 阿伏伽德羅定律的發展 53
2.1.2 實際氣體狀態方程 70
2.1.3 分壓定律和分體積定律 72
2.1.4 氣體擴散定律 75
2.1.5 氣體分子運動論 76
2.1.6 氣體的液化 81
歷史事件回顧 3 **個精測水三相點的物理化學家——黃子卿 83
2.2 液體 90
2.2.1 液體狀態 90
2.2.2 溶液濃度的表示方法 96
2.2.3 溶液的依數性 98
2.3 固體 106
2.3.1 晶體 107
2.3.2 非晶體 111
研究無機化學的物理方法介紹 X射線結構分析 112
參考文獻 119
第3章 晶體的微觀結構 125
3.1 完美晶體的微觀結構特征 125
3.1.1 幾個基本概念 125
3.1.2 晶系和空間點陣排列形式 133
3.1.3 晶面 135
3.2 晶體的基本性質 139
3.2.1 原子晶體 140
3.2.2 分子晶體 141
3.2.3 離子晶體 142
3.2.4 金屬晶體 152
3.3 晶體缺陷簡介 159
3.3.1 概念 159
3.3.2 缺陷產生的原因 159
3.3.3 缺陷的類型 162
3.4 準晶體簡介 164
3.4.1 概念 164
3.4.2 準晶體的發現 165
3.4.3 準晶體的分類 166
3.4.4 準晶體的制備 167
3.4.5 準晶體的應用 168
3.4.6 準晶體發現和研究的意義 168
參考文獻 169
練習題 173
**類：學生自測練習題 173
第二類：課后習題 176
第三類：英文選做題 177
參考答案 179
學生自測練習題答案 179
課后習題答案 182
英文選做題答案 186
序
叢書出版說明
前言
第1章 物質的聚集狀態 3
1.1 物質聚集狀態的多樣性 3
1.1.1 一種新的熱力學穩定冰相ⅩⅤ的發現 3
1.1.2 擠壓孤對電子：黑磷烯中的α-P17到α-P7壓力誘導相變 5
1.1.3 魔角石墨烯超晶格中的非常規超導電性 6
1.2 物態與溫度的關系 7
1.2.1 超導態 7
歷史事件回顧 1 高溫超導研究 9
1.2.2 超流態 14
1.2.3 等離子體 16
1.2.4 物質第五態——玻色-愛因斯坦凝聚態 18
1.3 物態與壓力的關系 22
1.3.1 恒星演化與黑洞 22
1.3.2 高壓下的物相轉變 31
1.3.3 冰在負壓下的壓力-溫度相圖 38
參考文獻 44
第2章 物質的常三態 50
2.1 氣體 50
2.1.1 理想氣體狀態方程 50
歷史事件回顧 2 阿伏伽德羅定律的發展 53
2.1.2 實際氣體狀態方程 70
2.1.3 分壓定律和分體積定律 72
2.1.4 氣體擴散定律 75
2.1.5 氣體分子運動論 76
2.1.6 氣體的液化 81
歷史事件回顧 3 **個精測水三相點的物理化學家——黃子卿 83
2.2 液體 90
2.2.1 液體狀態 90
2.2.2 溶液濃度的表示方法 96
2.2.3 溶液的依數性 98
2.3 固體 106
2.3.1 晶體 107
2.3.2 非晶體 111
研究無機化學的物理方法介紹 X射線結構分析 112
參考文獻 119
第3章 晶體的微觀結構 125
3.1 完美晶體的微觀結構特征 125
3.1.1 幾個基本概念 125
3.1.2 晶系和空間點陣排列形式 133
3.1.3 晶面 135
3.2 晶體的基本性質 139
3.2.1 原子晶體 140
3.2.2 分子晶體 141
3.2.3 離子晶體 142
3.2.4 金屬晶體 152
3.3 晶體缺陷簡介 159
3.3.1 概念 159
3.3.2 缺陷產生的原因 159
3.3.3 缺陷的類型 162
3.4 準晶體簡介 164
3.4.1 概念 164
3.4.2 準晶體的發現 165
3.4.3 準晶體的分類 166
3.4.4 準晶體的制備 167
3.4.5 準晶體的應用 168
3.4.6 準晶體發現和研究的意義 168
參考文獻 169
練習題 173
**類：學生自測練習題 173
第二類：課后習題 176
第三類：英文選做題 177
參考答案 179
學生自測練習題答案 179
課后習題答案 182
英文選做題答案 186
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物質的聚集狀態及晶體結構基礎 節選
第1章 物質的聚集狀態 1.1 物質聚集狀態的多樣性 物質的凝聚態是指由大量粒子組成并且粒子間有很強的相互作用的系統[1]。自然界中存在各種各樣的凝聚態物質。固態和液態是*常見的凝聚態，低溫下的玻色-愛因斯坦凝聚態，磁介質中的鐵磁態、反鐵磁態等，也都是凝聚態(圖1-1)。 圖1-1 外場作用力下產生新物態 可以說，物質狀態就是指一種物質所出現的不同物相。在早期，物質狀態是以它的體積性質來分辨的。在這里用相的轉變來表達物質狀態的改變。 相的轉變是物質在結構上的轉變并出現一些獨特性質的現象。根據這個定義，每一種相都可以從其他的相中通過相的轉變分離出來，如水有數種固體相冰，冰的相圖見圖1-2。由相轉變引申出來的超導電性狀態，以及液晶狀態和鐵磁性狀態，也都是用相的轉變所劃分出來的擁有不一樣性質的物態。 1.1.1 一種新的熱力學穩定冰相ⅩⅤ的發現 由于水分子之間存在強度和位置可以靈活變動的氫鍵，因此水(冰)呈現出極其豐富和復雜的相圖[2]。這些冰相中的氧原子位置是固定的，而氫原子有些是有序的，有些是無序的。在不同的溫度和壓力條件下，水分子之間會呈現出不同的氫鍵網絡結構，但是每個水分子周圍均有通過氫鍵連接的4個水分子，遵循“冰規則”[3]。目前，已經在實驗室中合成了至少18種冰晶體，分別是冰-Ⅰh、冰-Ⅰc、冰-Ⅱ、冰-Ⅲ～冰-ⅩⅦ(圖1-2)。地球上所有由水汽結晶形成的雪花和冰均以六角冰晶體形式存在。中子散射實驗表明，六角冰中的氫原子是無序的，且可以以水分子中的氧原子為中心移動。相比于其他冰相，六角冰具有反常特性，即熱導率隨著壓力的增加而減小[4]。理論計算表明外加電場可以驅動水偶極子的變化，導致“冰-Ⅰ—液態水—冰-Ⅱ”(有序—無序—有序)的相變過程[5]，揭示了水偶極子取向對水分子間相互作用強度的影響。也就是當水結冰時，冰中無序的氫相結晶顯示出氫鍵連接的水分子的取向是紊亂的[6-7]。在等壓冷卻后，這些相預計會轉變為氫有序相，其中水分子采用能量*有利的取向[8-9]。2009年，薩爾茨曼(C. G. Salzmann)等[10]展示了在低溫、0.8～1.5 GPa的壓力范圍內緩慢冷卻鹽酸摻雜的冰相，名為冰-ⅩⅤ。冰-ⅩⅤ的晶體結構通過中子衍射實驗測定和計算機預測[11-12]。*后，對冰的穩定性進行了熱力學分析并依此修訂了水和冰的相圖(圖1-3)。 圖1-2 冰的相圖 圖1-3 修正后冰的相圖 1.1.2 擠壓孤對電子：黑磷烯中的?-P17到?-P7壓力誘導相變 二維晶體是由單原子層堆疊而成的晶體，是研究者尋找新材料的一個重要方向，如石墨烯、二維過渡金屬硫化物，因其優異的物理和化學性質受到人們的廣泛關注[13-18]，并在光電、催化、化學和生物傳感、自旋電子學、鋰離子電池、超級電容器、太陽能電池中有重要的應用。理論上單層磷烯有α-P17、α-P7、β-P、γ-P、δ-P、ε-P、?-P、?-P、ζ-P共九種形態，具有九種物相[19]。磷烯α-P17是被發現的**種磷烯，也就是人們常說的黑磷烯，目前已經被大量合成和研究[20-21]。2010年克拉克(S. M. Clark)等[22]觀察到當壓力增大至約5 GPa時，α-黑磷開始由半導體的正交結構向半金屬的六方結構轉變。2012年博爾費爾(S. E. Boulfelfel)等[23]進行了α-P17到α-P7的壓力誘導相變研究。他們認為：磷烯α-P17的三個鍵和一個孤對電子在極端壓力和溫度條件下，很有可能發生奇異的晶體結構變化和特性變化：擠壓孤對電子。這個觀點已經通過晶體的優先取向結構轉化實驗得到了驗證，相轉換(>12 GPa)通過相鄰層反平行位移與剪切變形耦合進行，單斜角β從90°減小到了86.62°(圖1-4)。 圖1-4 磷烯結構及相轉變的分子軌道相關圖 1.1.3 魔角石墨烯超晶格中的非常規超導電性 2018年12月26日，Nature發布了2018年度十大影響人物，位居榜*的是一位來自中國的22歲學生——曹原(美國麻省理工學院博士生)。曹原及其團隊發現[24-25]，將兩層石墨烯疊加在一起，當扭轉角接近魔角(1.1°)、溫度達到1.7 K時，它們會表現出非常規超導電性(圖1-5)，其屬性與銅氧化物(其結構往往難以調整)的高溫超導性類似。如果這種零電阻的“石墨烯開關”被改造成晶體管用于計算機CPU，則CPU中的幾十億個晶體管就不會再發熱或發熱極少了，而晶體管的數目可以由幾十億擴展到幾十兆億。不僅計算機不再需要風扇，而且CPU的計算速度和性能將得到指數級突破。制約CPU發展的摩爾定律可能再次被打破。 2020年5月6日，曹原及其團隊再次在Nature上發表兩篇論文[26-27]，石墨烯超導又有新突破。在**篇論文中，曹原等致力于通過對扭轉角的控制，將魔角特性推廣到其他二維研究體系，以調諧和控制電子-電子相互作用的強度，實現相似的物理行為。研究結果為探索多平帶雙扭超晶格中扭轉角和電場控制的相關物質相提供了理論依據。在另一篇論文中，曹原等致力于研究扭轉角的分布信息。他們以六方氮化硼(h-BN)封裝的魔角扭曲雙層石墨烯(MATBG)為研究對象，通過使用納米級針尖掃描超導量子干涉裝置(SQUID-on-tip)獲得處于量子霍爾態的朗道能級的斷層圖像，并繪制了局部魔角變化圖。這項研究為相關物理現象的實現和應用提供了指導。曹原的貢獻在于發現了使石墨烯實現超導的方法，具體而言，就是發現了當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度時，就會產生以零電阻傳輸電子的神奇超導效應。
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