表面能

表面能指形成单位面积表面时体系内能的增量，材料表面的基本属性之一。原子或分子因相互作用而凝聚成液体或固体，键合能具有负值。表面上的原子因失去一侧近邻，和体内原子相比则能量较高，这超额的能量构成表面能Es。

表面能依赖于晶体结构和原子排列，与表面弛豫和重构、吸附层等密切相关，对晶体外形和表面形貌、吸附和表面偏析等均有重要作用。液体或非晶态固体的表面能为各向同性的，晶体的表面能因取向而异，密排晶面的表面能较低，在接近热平衡条件下容易显露。

基本介绍

定义

产生单位面积新表面所作的功

物质

物质的表面具有表面张力σ，在恒温恒压下可逆地增大表面积dA，则需功σdA，因为所需的功等于物系自由能的增加，且这一增加是由于物系的表面积增大所致，故称为表面自由能或表面能。

也可以这样理解，由于表面层原子朝向外面的键能没有得到补偿，使得表面质点比体内质点具有额外的势能，称为表面能。

内能改变

由于物体表面积改变而引起的内能改变，单位面积的表面能的数值和表面张力相同，但两者物理意义不同。

把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化学键，所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的，那么把材料分解成小块所需要的能量就小块材料表面所增加的能量相等，即表面能增加。但事实上，只有在真空中刚刚形成的表面才符合上述能量守恒。因为新形成的表面是非常不稳定的，他们通过表面原子重组和相互间的反应，或者对周围其他分子或原子的吸附，从而使表面能量降低。

例子：比如东西放时间长了会发现有灰尘附着，就是因为灰尘附着降低了物体的表面积，从而降低了物体的表面能，物质能量都有自动趋向降低，保持稳定的特点。

表面能级

能量守恒

砸碎石头，就增大了石头的表面能，但是同时你也做了功，能量守恒。

大学化学的解释是表面层分子比内部分子多出一部分能量称为表面能。

表面能级：晶体内部原有的三维周期性在表面处中断而形成的电子能级，又称表面态。

特殊的性质

由于表面层中的电子所处的表面势场与三维晶体内部不同，电子态就表现出特殊的性质。

理论上，常把传统的能带计算法（见能带理论）应用于表面薄层，以计算电子能量和波函数。描述表面电子态的波函数只存在于表面几个原子层的区域内，进一步深入内部时，波函数迅速衰减。从化学键模型看，表面能级起源于表面原子朝外方向具有不饱和的价键，称为悬挂键。

主要实验

悬挂键

这些悬挂键可提供电子或吸收电子，相当于半导体中的施主杂质和受主杂质（见半导体），从而形成与施主能级或受主能级相当的表面能级。表面能级可位于体能带的禁带区内，也可位于允许带内，后者称为共振态。

清洁表面

清洁表面的表面能级称为本征表面态。当表面 结构改变、表面吸附外来原子、或表面层存在各种缺陷时，表面能级的密度和分布均会发生明显变化。研究表面能级的起源、密度和分布，以及与表面结构的关系是表面物理学的基本内容之一。研究表面能级的主要实验手段有光电子能谱、离子中和谱等。

参考资料

表面能.中国大百科.2024-04-08