材料科学基础 第一单元

材料科学基础第1章原子结构与键合1.1原子结构1.2原子间的键合本章主要内容要求基本概念和术语;原子间的结合键对材料性能的影响;用结合键的特征解释材料的性能。如用金属键的特征解释金属材料的性能：1.良好的延展性；2.良好的导电、导热性；1.1.1

物质的组成一切物质均是由无数微粒按一定方式聚集而成的，这些微粒可能是分子、原子或离子。

分子是能单独存在、并保持物质化学特性的一种微粒。分子又是由一些更小的微粒——原子所组成。原子是化学变化中的最小微粒；原子并不是物质的最小微粒。1.1原子结构

原子结构的特点：1）

原子体积很小，直径约为10-10m2）原子核直径更小，约为10-15m3）原子质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大。1.1.2原子的结构原子核(nucleus):位于原子中心、带正电电子(electron)：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，电子云(electroncloud)＝9.11×10-31kg，约为质子的1/1836质子(proton)：正电荷m＝1.6726×10-27kg中子(neutron)：电中性m＝1.6748×10-27kg1.1.3原子的电子结构

电子云(electionatmosphere)———电子在原子核外作高速旋转运动，就好像带负电的云雾笼罩在原子核周围，形象地称它为电子云；电子具有波粒二象性；电子运动没有固定的轨道。描述原子中一个电子的空间位置和能量，可用四个量子数表示:主量子数、轨道角动量量子数、磁量子数、自旋角动量量子数1)主量子数

主量子数n决定原子中电子能量与核平均距离，表示电子所处的量子壳层。n越大，电子离原子核的距离越远，电子的能量越高。

n只能取1、2、3等正整数，分别称为第一、二、三、‥电子壳层，相应地用大写英文字母K、L、M、‥表示。在一个原子中，n相同的电子处于同一个电子壳层。钠原子结构中K、L、M量子壳层的电子分布状况2）轨道角动量量子数

角量子数l

给出电子在同一量子壳层内所处的能级，决定原子轨道的形状。取值为

0、1、2….n－1。在多电子原子中，当

n

相同而

l

不同时，电子的能量还有差别，又常将一个电子壳层分为几个亚层。

n＝1时，l

＝0，K层只有

s亚层；

n＝2时，l

＝0、1，L层有

s、p亚层；

n＝3时，l

＝0、1、2，M层有

s、p、d亚层;

n＝4时，l

＝0、1、2、3，N层有

s、p、d、f亚层。

在多电子原子中，

l也决定着原子轨道的能量。当n相同时，随l的增大，原子轨道的能量按照s，p，d，f，g次序升高。不同电子亚层的电子云形状不同。3）磁量子数磁量子数m

给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。决定原子轨道在空间的取向，它的取值为0,±1,±2,‥

，±l

，因此有

2l+1种取向。

l

＝0时，m只能取

0，s亚层只有

1个轨道；

l

＝1时，m可取－1、0、＋1，p亚层有3个轨道；同理，d亚层有

5个轨道，f亚层有7个轨道。4）自旋量子数自旋量子数Si描述电子的自旋方向，它的取值为

+1/2和

-1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，用“↑”和“↓”表示。综上所述，n、l

、m三个量子数可以确定一个电子轨道，而

n、l、m、Si

四个量子数可以确定电子的运动状态。

电子壳层、电子亚壳层、原子轨道与量子数之间的关系n电子层l电子亚层m轨道数1K01s012L012s2p01,0,+1133M0123s3p3d0-1,0,+1-2,-1,0,+1,+21354N01234s4p4d4f0-1,0,+12,-1,0,+1,+2-3,-2,-1,0,+1,+2,+31357核外电子的排布规律

能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低，占据能量最低的壳层，即

1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-泡利不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，n壳层最多只能容纳2n2个电子。洪德定则：在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。↑↓↑↓1s2s2p↑↑C↑↓↑↓↑↑↑N↑↓↑↓↑↓↑↑O1s22s22p21s22s22p31s22s22p4核外电子的排布举例：按规则排布：1s22s22p63s23p6

3d8

实际排布：1s22s22p63s23p6

3d64s2注：对于序数较大的原子，d和f能级开始被填充，相邻壳层的能级存在重叠现象，因此，其电子排布偏离上述规则，呈现鲍林能级图分布。例如26Fe原子的电子结构：元素（具有相同核电荷数的同一类原子总称，共116种，核电荷数是划分元素的依据同位素：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7个横行(7个周期）按原子序数递增的顺序从左至右排列18个纵行16族，7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族；每个族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。1.1.4元素周期表原子序数＝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）价电子数两个或多个原子形成分子或固体时，它们依靠什么样的结合力聚集在一起，这就是原子间的键合问题。1.2原子间的键合

结合键(bindingbond)分为两大类：化学键（主价键、一次键）：金属键、离子键、共价键，键力由弱到强。

物理键（次价键、二次键）：范德华力、氢键。1.2.1金属键金属离子沉浸在自由电子的海洋中典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云。金属中自由电子与金属正离子之间构成的键合称为金属键。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（面心，体心，密排六方）金属的性质：良好导电、导热性能，延展性好

1.2.2离子