材料科学与工程基础fundamental课件

1、材料科学与工程基础fundamentalFundamentals of Material Science and Engineering材料科学与工程基础材料科学与工程基础材料科学与工程基础fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding1. Atomic Structure and Interatomic Bonding2.1 Introduction: Atomic structure2.2 Fundamental Concepts2.3 Electrons in Atoms2.4 The Periodic Tabel

2、2.5 Bonding Forces and Energies2.6 Primary Interatomic Bonds2.7 Secondary Bonding or Van Der Waals Bonding2.8 Molecules材料科学与工程基础fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding2.3 Electrons in Atoms原子核：原子核：atomic nucleus中子：中子：neutron电子：电子：electron 核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，电子

3、云电子云质子：质子：proton一、一、 原子的组成原子的组成材料科学与工程基础fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding 量子力学的研究发现，电子的旋转轨道不是任意的，它量子力学的研究发现，电子的旋转轨道不是任意的，它的确切的途径也是测不准的。的确切的途径也是测不准的。p 薛定谔方程薛定谔方程(Schrodinger Equation)(Schrodinger Equation)： 方程中引入了方程中引入了波函数波函数(wave function)(wave function)的概念，以取代的概念，以取代经典物理中

4、圆形的固定轨道，解得的波函数（习惯上又称经典物理中圆形的固定轨道，解得的波函数（习惯上又称原子轨道原子轨道Atomic orbitAtomic orbit）描述了）描述了电子在核外空间各处位置电子在核外空间各处位置出现的几率，相当于给出了电子运动的出现的几率，相当于给出了电子运动的“轨道轨道”。这一轨。这一轨道是由四个量子数所确定。道是由四个量子数所确定。材料科学与工程基础fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bondingp 主量子数主量子数(Main quantum number)(Main quantum number)

5、 主量子数主量子数n n决定原子轨道的能量，它的取值为决定原子轨道的能量，它的取值为1 1、2 2、33。n n越大，电子离原子核的距离越远，电子的能量越越大，电子离原子核的距离越远，电子的能量越高高。在一个原子中，常称在一个原子中，常称 n n 相同的电子为一个电子层。相同的电子为一个电子层。当当 n n1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7 时，分别称为第一、二、时，分别称为第一、二、三、四、五、六、七电子层，相应地用符号三、四、五、六、七电子层，相应地用符号 K K、L L、M M、N N、O O、P P、Q Q 表示。表示。 二、四个量子数二、四个量子数材料科学与工程基

6、础fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bondingp 角量子数角量子数 (azimuthal quantum number)(azimuthal quantum number) 角量子数角量子数 l 决定原子轨道的形状决定原子轨道的形状，它的取值为，它的取值为 0 0、1 1、2 2 n n1 1。在多电子原子中，。在多电子原子中，当当n n相同而相同而l不同时不同时, ,电子的能量还有差电子的能量还有差别别，故将一个电子层分为几个亚层（，故将一个电子层分为几个亚层（Subshell)Subshell)。当。当l l0 0

7、、1 1、2 2、3 3 时，称为时，称为 s s、p p、d d、f f亚层。亚层。 n n1 1 时，时，l 0 0，K K 层只有层只有 s s 亚层；亚层； n n2 2 时，时，l 0 0、1 1，L L 层有层有 s s、p p 亚层；亚层； n n3 3 时，时，l 0 0、1 1、2 2，M M 层有层有 s s、p p、d d 亚层亚层; ; 。材料科学与工程基础fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bondingp 磁量子数（磁量子数（Magnetic quantum number)Magnetic qua

8、ntum number) l l 0 0 时，时，m m只能取只能取 0 0，s s 亚层只有亚层只有 1 1 个轨道；个轨道； l l 1 1 时，时，m m可取可取 1 1、0 0、1 1，p p 亚层有亚层有3 3个轨道。个轨道。 磁量子数磁量子数m m 决定原子轨道在空间的取向决定原子轨道在空间的取向。它的取值为。它的取值为0, 0, 1, 1, 2, 2, l 因此因此有有 2 2l + 1 + 1 种取向种取向。 同理，同理，d d 亚层有亚层有 5 5 个轨道，个轨道，f f 亚层有亚层有7 7个轨道。个轨道。n n 和和l l 相同，但相同，但m m不同的各原子轨道的能量相不同

9、的各原子轨道的能量相 同，称为简并轨道同，称为简并轨道或等价轨道。或等价轨道。材料科学与工程基础fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bondingp 自旋量子数自旋量子数 ( Spin quantum number) 自旋量子数自旋量子数ms描述电子的自旋方向描述电子的自旋方向，它的取值为，它的取值为 +1/2 和和 -1/2，常用箭号，常用箭号 和和 表示电子的两种自旋方向。表示电子的两种自旋方向。 ms不能从求解不能从求解薛定谔方程得到，它是后来实验和理论进一步研究中引入的。薛定谔方程得到，它是后来实验和理论进一步研究中

10、引入的。 综上所述，综上所述，n、 l 、m 三个量子数可以确定一个原子轨道，三个量子数可以确定一个原子轨道，而而 n、 l、m 、 ms 四个量子数可以确定电子的运动状态。四个量子数可以确定电子的运动状态。 材料科学与工程基础fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding n电子层l电子亚层m轨道数 1K 0 1s 0 12 L 0 1 2s 2p 0 1,0,+1 1 33M 0 1 2 3s 3p 3d 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 1 3 54N 0 1 2 3 4s 4p 4d 4f 0 -1

11、,0,+1 -2,-1,0,+1,+2-3,-2,-1,0,+1,+2,+3 1 3 5 7材料科学与工程基础fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding三、原子的核外电子排布三、原子的核外电子排布（一）（一）泡利不相容原理泡利不相容原理( Pauli exclusive principle)( Pauli exclusive principle)：在一个原子中，不可能存在四个量子数完全相同的两个在一个原子中，不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。由泡利不相容原理，可知一个原子轨道最多只能电子。由泡利不相容原理，可知

12、一个原子轨道最多只能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋必须相反。容纳两个电子，而且这两个电子的自旋必须相反。原子的核外电子排布遵守原子的核外电子排布遵守: : 泡利不相容原理、能量最低原理泡利不相容原理、能量最低原理材料科学与工程基础fundamental（二）（二）能量最低原理能量最低原理( Minimal energy principle )( Minimal energy principle )：在：在不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是尽可能排不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是尽可能排布在能量最低的轨道上，当能量最低的轨道排满后，电子布在能量最低的轨道上，当能量最低的轨道

13、排满后，电子才依次排布在能量较高的轨道上。才依次排布在能量较高的轨道上。 依据上述原理，电子从低的能量水平至高的能量水依据上述原理，电子从低的能量水平至高的能量水平，依次排列在不同的量子状态下。决定电子能量水平平，依次排列在不同的量子状态下。决定电子能量水平的主要因素是主量子数和次量子数、各个主壳层及亚壳的主要因素是主量子数和次量子数、各个主壳层及亚壳层的能量水平在图层的能量水平在图1-11-1中示意画出中示意画出Chapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding材料科学与工程基础fundamental图图1-1Chapter 2Atomic S

14、tructure and Interatomic Bonding材料科学与工程基础fundamental 由图可见，电子能量随主量子数由图可见，电子能量随主量子数M M的增加而升高，同一壳的增加而升高，同一壳层内各亚壳层的能量是按层内各亚壳层的能量是按S S、P P、d d、f f 次序依次升高的。次序依次升高的。 值得注意的是相邻壳层的能量范围有值得注意的是相邻壳层的能量范围有重叠现象重叠现象，例如：，例如：4s的能量水平反而低于的能量水平反而低于3d；5S的能量也低于的能量也低于4d、4 f 这这样，样，电子填充时，有可能出现内层尚未填满前就先进入电子填充时，有可能出现内层尚未填满前就先进入外壳层的情况外壳层的情况。Chapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding材料科学与工程基础fundamental例题例题 ：试根据电子从低能到高能，依次排列在不同量子：试根据电子从低能到高能，依次排列在不同量子态的原理，写出原子序数为态的原理，写出原子序数为11的钠的钠(Na)原子以及原子序原子以及原子序数为数为20的钙的钙(La)原子中的电子排列方式。原子中的电子排列方式。