Bài giảng Vật liệu điện - Chương 1: Cấu tạo vật chất

Chương I: Cấu tạo vật chất

 Cấu tạo nguyên tử

 Cấu tạo phân tử

 Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn
I. Cấu tạo nguyên tử

 Vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử
 Nguyên tử là phần cơ bản nhất của vật chất

 Mô hình nguyên tử Bohr (giải Nobel vật lý 1922 về lý thuyết 
cấu trúc nguyên tử và cơ học lượng tử) được chấp nhận rộng 
rãi: 
o Hạt nhân: chứa proton mang điện dương và neutron
không mang điện (ngoài ra còn có một số hạt khác) 
- Tồn tại lực đẩy tĩnh điện giữa các protons nhưng 
protons và neutrons được liên kết chặt với nhau nhờ “lực 
mạnh” (strong force)
 Lực mạnh chỉ có tác dụng trong khoảng 
cách rất nhỏ (≤ 10-15m)
 Khi protons và neutrons được đặt rất gần 
nhau, lực mạnh lớn hơn lực đẩy tĩnh điện giữa 
các protons ⇒ liên kết giữa protons và neutrons 
tạo thành hạt nhân
Structure of an atom
 Có kích thước và khối lượng rất nhỏ so với hạt nhân
 Mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo 
hình cầu (vỏ điện tử) có bán kính xác định
 Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng của điện tử
 Quỹ đạo gần hạt nhân nhất có mức năng lượng thấp nhất và ngược lại
o Điện tử:

 Số lượng điện tử phân bố trên các lớp vỏ điện tử (bao gồm một số phân lớp)
theo qui luật:
- số điện tử điền đầy phân lớp: 2(2l+1)
- số điện tử điền đầy lớp: 2n2
Với: n: số lượng tử chính (n = 1, 2, 3,  n)
l: số lượng tử quĩ đạo ( l = 0, 1, 2, 3, n-1)
Arrangement of 
electrons in an atom 
Lớp
Phân 
lớp

 Các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng (xa hạt nhân nhất) có mức năng lượng 
lớn nhất
⇒ đóng vai trò quan trọng nhất trong tương tác nguyên tử cũng như phản 
ứng hóa học bởi vì các điện tử này có thể tương tác với các điện tử lớp ngoài 
cùng của các nguyên tử lân cận.

 Các điện tử lớp ngoài cùng gọi là điện tử hóa trị ⇒ xác định hóa trị của 
nguyên tử

 Khi lớp vỏ ngoài cùng chứa đầy điện tử⇒ nguyên tử không nhận thêm 
điện tử ⇒ nguyên tố trơ (Ar, Ne, Kr)

 Bởi một nguyên nhân nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử ⇒
ion dương

 Nguyên tử nhận điện tử ⇒ ion âm
F1
F1
F2
v
r

 Lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân và điện tử 
Năng lượng điện tử (xét nguyên tử hydro)

 Lực ly tâm khi điện tử chuyển động xung quanh điện tử

 Điều kiện cân bằng lực (giữ điện tử chuyển động trên quỹ đạo nhất định)
229
2
2
21
/109
4
1 CNmk
r
kq
r
qkq
F
ro
pe
×==
==
εpiε
r
vmF e
2
2 =
rm
kqv
r
vm
r
kqFF
e
e
=⇒
=⇔=
2
2
2
21
me: khối lượng điện tử = 9,1x10-31 kg
qe: điện tích của điện tử = 1,6x10-19 C
Vận tốc chuyển động của điện tử càng lớn
khi bán kính của quĩ đạo c/đ càng nhỏ

 Động năng của điện tử (KE- kinetic energy) 
2
2
1
vmKE e=

 Thế năng của điện tử (PE - potential energy) 
r
kqPE e
2
−=

 Tổng năng lượng của điện tử (E)-Định lý Varian 
)(
22
1 222 J
r
qk
r
kq
vmPEKEE eee −=−=+=
VD: Năng lượng ion hóa của nguyên tử hydro là 13,6 eV, xác định bán kính của quĩ đạo
chuyển động của điện tử? 
* 1eV= 1.6x10-19 J
( )( )
( ) mJ
CCmN
E
kq
r e
10
18
2192292
10.53,0
10.18,22
10.6,1/.10.9
2
−
−
−
===
PEKE
2
1
−=
E1=hf1
E2=hf2

 Năng lượng cần thiết để tách rời điện 
tử khỏi nguyên tử 

 Năng lượng ion hóa của các lớp điện tử 
khác nhau cũng khác nhau

 Các điện tử hóa trị có mức năng lượng 
ion hóa thấp nhất

 Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ 
hơn năng lượng ion hóa ⇒ điện tử bị 
kích thích ⇒ chuyển sang mức năng 
lượng cao hơn

 Điện tử ở trạng thái kích thích có xu 
thế chuyển về mức năng lượng thấp hơn 
và giải phóng năng lượng dưới dạng bức 
xạ 
Năng lượng ion hóa
Các thuật ngữ thông dụng

 Điện tử hóa trị: các điện tử ở lớp ngoài cùng → xác định hóa trị của nguyên tử

 Năng lượng ion hóa: năng lượng cần cung cấp nhỏ nhất để tách được 1 điện tử khỏi
nguyên tử để tạo thành ion dương

 Ái lực điện tử: năng lượng phóng thích khi điện tử kết hợp với nguyên tử trung tính
để tạo thành ion âm
II. Cấu tạo phân tử

 Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông 
qua liên kết giữa các nguyên tử 

 Khi hai nguyên tử được đặt gần nhau ⇒ các 
điện tử hóa trị tương tác với nhau và với các hạt 
nhân lân cận ⇒ tạo ra liên kết giữa hai nguyên tử 
⇒ hình thành phân tử

 Năng lượng của hệ thống hai nguyên tử liên kết 
 < tổng năng lượng của hai nguyên tử riêng rẽ⇒
tạo nên phân tử bền vững
⇒ Nguyên lý cơ bản của sự tạo thành phân tử là 
sự cân bằng giữa lực hút (FA) và lực đẩy (FR) 
giữa các nguyên tử xác lập tại khoảng cách cân 
bằng ro giữa các nguyên tử
0=+= RAN FFF
1. PHÂN TỬ VÀ NGUYÊN LÝ LIÊN KẾT TỔNG QUÁT
*Lực hút (FA) và lực đẩy (FR) là kết 
quả của tương tác tĩnh điện tương 
hỗ giữa các nguyên tử
2. CÁC LOẠI LIÊN KẾT GIỮA CÁC NGUYÊN TỬ

 Liên kết đồng hóa trị (cộng hóa trị) 

 Liên kết Ion

 Liên kết kim loại

 Liên kết Van der Waal
Liên kết chủ yếu
Liên kết thứ cấp
a. Liên kết đồng hóa trị (cộng hóa trị)

 Đặc trưng: góp chung điện tử của nguyên tử trong phân tử 

 Xảy ra giữa các nguyên tử có độ âm điện gần bằng nhau 
VD: CH4 (Methane)
4 điện tử hóa trị
⇒ cần thêm 4 điện tử
1 điện tử hóa trị
⇒ cần thêm 1 điện tử
* Độ âm điện (min: 0,7; max: 4,0) 
C (2,5)
H (2,1)
Covalent bond
Một nguyên tử C liên kết 
với 4 nguyên tử H
- Một số phân tử khác được tạo nên từ liên kết đồng hóa trị 
- Đặc tính của liên kết đồng hóa trị:
+) do lực hút tĩnh điện mạnh giữa các điện tử góp chung và hạt nhân, liên 
kết đồng hóa trị bền vững nhất trong các loại liên kết → có nhiệt độ nóng 
chảy và độ cứng rất cao (ví dụ: kim cương)
+) không bị hòa tan trong các dung môi
+) liên kết có cấu trúc dị hướng và bền vững→ không có tính dẻo
+) không dẫn điện do không có điện tử tự do
b. Liên kết ion

 Xảy ra giữa ion dương và ion âm

 Đặc trưng: có sự cho và nhận điện tử 

 Giữa các nguyên tử có độ âm điện khác biệt lớn

 VD: NaCl 
0,9 3,0
Ionic bond
+
-
2
21
4 r
qqF
opiε
=
Lực coulomb
Một số phân tử khác được tạo nên từ liên kết ion
- Đặc tính của liên kết ion:
+) cứng, giòn và có nhiệt độ nóng chảy cao khi so với kim loại
+) hầu hết chất tạo thành từ liên kết ion bị hòa tan trong dung dịch có cực
(ví dụ: nước)
+) không dẫn điện do không có điện tử tự do (các ion rất khó dịch chuyển) 
tuy nhiên trở nên dẫn điện tốt khi hòa tan trong dung môi
+) độ dẫn nhiệt thấp do các ion không thể chuyển các dao động nhiệt cho
các ion lân cận
c. Liên kết kim loại

 Nguyên tử kim loại chứa một vài điện tử hóa trị

 Khi các nguyên tử kim loại đặt gần nhau, các điện tử hóa trị dễ dàng tách rời
khỏi hạt nhân riêng rẽ và trở thành điện tử tự do dùng chung giữa các ion ⇒ hình
thành đám mây điện tử giữa các ion dương

 Các ion dương kim loại được liên kết với nhau bằng lực hút tương hỗ với các
điện tử tự do → tạo nên cấu trúc lập phương diện tâm (FCC)
Metallic bond
- Đặc tính của liên kết kim loại:
+) liên kết có cấu trúc đẳng hướng → dẻo
+) độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao do chứa các điện tử tự do
Liên kết Van der Waal- Liên kết thứ cấp

 Hình thành từ sự tương tác giữa các lưỡng cực
- Lưỡng cực dao động
Moment lưỡng 
cực p=q×d
- Lưỡng cực vĩnh cữu (cố định) 
⇐ Liên kết ion

 Ví dụ 1: Đối với phân tử nước, tâm điện tử có xu hướng dịch chuyển về phía
xa nguyên tử Hydro ⇒ hình thành lưỡng cực cố định ⇒ xuất hiện lực liên kết
thứ cấp giữa các phân tử nước

 Ví dụ 2: Đối với
polymer:
- Tâm điện tử dịch
chuyển về phía nguyên tử
chlorine 
- Tâm điện tích dương
tập trung về phía nguyên
tử hydrogen
- Xuất hiện lực liên kết
thứ cấp giữa H và Cl của
các chuỗi lân cận
III. Lý thuyết vùng năng lượng

 Ứng dụng: Giải thích, phân loại vật liệu điện thành vật liệu dẫn điện, bán
dẫn và cách điện (điện môi)

 Các điện tử của một nguyên tử được phân bố vào các lớp vỏ điện tử có mức
năng lượng khác nhau

 Một số mức năng lượng được các điện tử lấp đầy

 Các mức năng lượng còn lại chỉ xuất hiện điện tử khi nguyên tử nhận năng
lượng từ bên ngoài (trạng thái kích thích)

 Khi các nguyên tử nằm sát nhau sẽ tạo thành một dãy năng lượng gần như
liên tục ⇒ vùng các mức năng lượng
VD: Vùng năng lượng của kim loại Natri

 Nguyên tử riêng rẽ ⇒ tồn tại các mức năng lượng riêng biệt (gián đoạn)

 Nhiều nguyên tử nằm sát nhau ⇒ tồn tại vùng các mức năng lượng 
gần như liên tục
Lấp đầy 
điện tử
Lấp đầy 
½ vùng 
năng 
lượng
Vùng 
dẫn
Vùng 
hóa trị
Vùng hóa trị và vùng dẫn chồng lấn lên nhau ⇒ tồn tại 
điện tử tự do ở vùng dẫn ⇒ Natri dẫn điện tốt
Mật độ nguyên tử: 1023 cm-1
Vùng 
đầy
VD: kim cương (cấu tạo từ cacbon)
Nguyên tử cacbon riêng rẽ, điện tử phân bố vào các ô 
lượng tử theo qui luật Hund
Do mức năng lượng của phân lớp 2s xấp xĩ 2p nên
thực tế có 4 điện tử lớp ngoài cùng tham gia vào liên
kết giữa các nguyên tử thay vì chỉ có 2 điện tử ở phân
lớp 2p ⇒ lúc này phân bố của các điện tử vào ô lượng
tử như sau
2s
2p
Liên kết với 4 nguyên 
tử C lân cận

 Khi các nguyên tửC liên kết với nhau tạo nên vùng dẫn và vùng hóa
trịtách biệt nhau bằng vùng cấm có năng lượng lớn Eg (∼ một vài eV)

 Không tồn tại
điện tử trong vùng 
dẫn 
 Độ dẫn
điện kém ⇒chất cách 
điện
kT ∼ 0,025 eV
Sơ đồ tổng hợp
Năng lượng vùng cấm của một số chất (25oC)
Tác động của nhiệt độ

 0oK: chất cách điện và chất bán dẫn không dẫn điện

 Tăng nhiệt độ lên 298oK: chất cách điện vẫn không dẫn điện,
chất bán dẫn trở nên dẫn điện do tác động của năng lượng nhiệt
một vài điện tử sẽ chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn
* Nếu điện trường ngoài đủ lớn, chất cách điện và chất bán dẫn trở nên dẫn điện 
thậm chí ở 0K
E = k
B
T
Phân loại vật liệu
Phân loại vật liệu theo điện trở suất
Phân loại vật liệu theo độ từ tính
Thông số Nghịch từ Thuận từ Dẫn từ
Độ từ thẩm µ ≈1 >> 1
Cường độ từ 
trường ngoài
Không phụ 
thuộc
Không phụ 
thuộc
Phụ thuộc
Ví dụ • Khí hiếm
• Đa số hợp chất 
hữu cơ
• Các kim loại: 
đồng, kẽm, bạc, 
vàng
• Oxy
• Muối coban và 
niken
• kim loại kiềm, 
nhôm, bạch 
kim
• Sắt
• Niken
• Coban
• Hợp kim của 
ba chất trên
•Ferrite
Được chia thành 03 loại như sau:
Types of magnetic 
materials
Câu hỏi thảo luận
1. Ý tưởng về thiết kế loại vật liệu điện mới
2. Phương pháp tăng động lực học tập học phần “Vật liệu
điện”? (Thảo luận nhóm)
Liên kết giữa các nguyên tử
1. Liên kết giữa các nguyên tử
- Liên kết cộng hóa trị: dùng chung điện tử
- Liên kết ion: cho nhận điện tử
- Liên kết kim loại: đám mây điện tử tự do được
tạo nên từ các điện tử ngoài cùng tách khỏi
liên kết với hạt nhân