第一章 原子结构和键合 2014

材料科学基础主讲：李克教授绪论

第一章原子结构与键合

第二章固体结构

第三章晶体缺陷

第四章固体中原子及分子的运动

第五章材料的形变与再结晶

第六章单组元相图及纯晶体的凝固

第七章二元相图及其合金的凝固2023/2/11《材料科学基础》CAI课件-李克材料的微观结构（MicrostructureofMaterials）了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。

决定材料性质最为本质的内在因素包括：组成材料各元素原子结构，原子间相互作用和相互结合，原子或分子在空间的排列（晶体），运动规律，以及原子集合体的形貌特征第一章原子结构与键合

AtomicStructureandInteratomicBonding1、原子结构2、原子间的键合2023/2/12《材料科学基础》CAI课件-李克物质(Substance)是由原子（atom）组成在材料科学中，最为关心原子的电子结构原子结构直接影响原子间的结合方式;原子的电子结构—原子间键合本质原子结构--决定材料分类：金属、非金属、陶瓷、高分子--决定材料性能：物理、化学、力学※1原子结构

（AtomicStructure）2023/2/13《材料科学基础》CAI课件-李克一、物质的组成（SubstanceConstruction）物质由无数微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：单独存在保存物质化学特性

dH2O=0.2nmM(H2)为2M（protein）为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒量子力学中，原子还可以再分-聚变和裂变（聚变一般是指氘和氚聚变成氦的过程，常见裂变有铀、钚等的裂变）E=mC22023/2/14《材料科学基础》CAI课件-李克二、原子的结构1879年J.J汤姆孙发现电子（electron),揭示了原子内部秘密1911年E.卢瑟福提出原子结构有核模型1913年玻尔将Bohratomicmodel

2023/2/15《材料科学基础》CAI课件-李克描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantumnumbers）表示三、原子的电子结构单原子体系、多原子体系；详见“固体能带理论”2023/2/16《材料科学基础》CAI课件-李克核外电子的排布遵循的三个原则没有状态相同的电子(4个量子)保证能量最低—稳定2023/2/17《材料科学基础》CAI课件-李克四、元素周期表（PeriodicTableofElements)元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是划分元素的依据同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子

元素有两种存在状态：游离态和化合态（FreeState&CombinedForm)2023/2/18《材料科学基础》CAI课件-李克7个横行（Horizontalrows)周期（period）按原子序数（AtomicNumber)递增的顺序从左至右排列18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个第Ⅷ族、1个零族（InertGases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。2023/2/19《材料科学基础》CAI课件-李克周期规律：原子序数＝核电荷数周期序数＝电子壳层数主族序数＝最外层电子数零族元素最外层电子数为8（氦为2）价电子数（Valenceelectron）2023/2/110《材料科学基础》CAI课件-李克※2原子间的键合

(

Bondingtypewithotheratom)结合键：原子结合形成分子或固体时，原子间产生的相互作用力，称为结合力，也叫结合键。结合力从本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用（库伦力）。

2023/2/111《材料科学基础》CAI课件-李克一、金属键（Metallicbonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valenceelectron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Freeelectron），形成电子云（electroncloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好配位数：金属晶体多采取配位数为12的密堆积，少数金属为体心立方结构，配位数为8。第Ⅰ族碱金属、第Ⅱ族碱土金属及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。过渡金属兼有金属键和共价键，前者提供良好的导电性和导热性，后者提供强度。2023/2/112《材料科学基础》CAI课件-李克二、离子键（Ionicbonding)特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性（得失电子位置不确定），无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体，膨胀系数小配位数：离子晶体中最大的配位数为8。氯化钠(配位数为6)，氯化铯(配位数为8)。实质：金属原子带正电的正离子（Cation）

非金属原子带负电的负离子（anion）e多数盐类、碱类和金属氧化物2023/2/113《材料科学基础》CAI课件-李克氯化钠氯化铯硫化锌碱金属-卤族碱土金属-氧族ⅠA-ⅦBⅡA-ⅥBⅡB-ⅥB锌族-氧族典型离子晶体结构:氯化钠、氯化铯、硫化锌（闪锌矿）等矿物、硅酸盐、陶瓷等2023/2/114《材料科学基础》CAI课件-李克三、共价键（covalentbonding）特点：共用电子对；配位数较小；有方向性、饱和性。有饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键有方向性（s电子除外）：原子只能在特定方向上形成共价键物理性质：结构稳定、熔点高（缺陷少）、质硬脆（方向性决定）、导电能力差Si-C,Ni-AlSi-Si包括亚金属（C、Si、Sn、Ge），高分子聚合物和无机非金属材料（碳化物、氧化物等）实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成，如氢分子、金刚石、单晶硅2023/2/115《材料科学基础》CAI课件-李克金刚石结构示意图金刚石、硅/锗的单晶中都有这种正四面体成键方式2023/2/116《材料科学基础》CAI课件-李克四、范德华力（Vander

waalsbonding)包括：静电力、诱导力和色散力（概念，及与温度、距离的关系）属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质，如熔点、沸点、溶解度等。比如肥皂泡相互吸引。。。。高分子材料以范德华力为主，化学键为辅—故没有气态，只有液态、固态。如有机玻璃、环氧树脂。2023/2/117《材料科学基础》CAI课件-李克五、氢键（Hydrogenbonding）

氢键为极性分子键，存在于HF、H2O、NH3等分子间，可视为特殊的范德华力。氢键是冰中水分子之间主要的相互作用。在高分子中占重要地位，有机物、生物体中，分子和高分子靠氢键连接。DNA复制和其他生命过程可视为氢键的键开与键合（酶的参与）。氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小的原子(O、F、N等)结合，构成氢键。本质：分子间电偶极距相互作用。氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥氢键具有饱和性和方向性。2023/2/118《材料科学基础》CAI课件-李克19

各种结合键主要特点的比较类

型

作用力来源

键强

形成晶体的特点

离子键

原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力

最强

无方向性和饱和性、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电

共价键

相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力

强

有方向性和饱和性、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电

、绝缘

金属键

自由电子气与正离子实之间的库仑引力

较强

无方向性和饱和性、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性

分子键

原子间瞬时电偶极矩的感应作用

最弱

无方向性和饱和性、结构密堆氢键

氢原子核与极性分子间的库仑引力

弱

有方向性和饱和性

2023/2/119《材料科学基础》CAI课件-李克1.

原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？2.

在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？3.

铬的原子序数为24，它共有四种同位素：4.31%的Cr原子含有26个中子，83.76%含有28个中子，9.55%含有29个中子，且2.38%含有30个中子。试求铬