1第一章 原子结构和键合(2h)

材料的微观结构( 材料的微观结构(Microstructure of Materials) )决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构， 决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构， 原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列， 原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列，运动规 律，以及原子集合体的形貌特征

第一章原子结构和键合Atomic Structure and Interatomic Bonding 物质(Substance)是由原子(atom)组成 是由原子( 物质 是由原子 ) 在材料科学中， 在材料科学中，最为关心原子的电子结构 原子的电子结构—原子间键合本质 原子的电子结构 原子间键合本质 决定材料分类： 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 材料性能： 材料性能：物 化 力学

※1原子结构 (Atomic Structure )一、物质的组成(Substance Construction) 物质的组成( ) 物质由无数微粒( 物质由无数微粒(Particles)聚集而成 ) 分子( 分子(Molecule):单独存在 保存物质化学特性 ) dH2O=0.2nm M(H2)为2 M(protein)为百万 为 ( ) 原子( 原子(Atom): 化学变化中最小微粒 )

二、原子的结构1879年 J.J Thomson 发现电子(electron),揭示了原子内部秘密 年 发现电子( 揭示了原子内部秘密 1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型 年 提出原子结构有核模型 1913年 N.Bohr将 年 将 M.Plank和 Einstein量子论 M.Plank和A.Einstein量子论 Bohr atomic model Rutherford 原子有核模型

原子结构的量子理论

原子(atom) 原子(atom) rH = 3.7 × 10 -2 nm rAl = 1.43 × 10 -1 nm

质子(proton):正电荷m=1.6726×10-27 kg proton) 正电荷m 6726× 原子核(nucleus) 位于原子中心、 原子核(nucleus):位于原子中心、带正电 neutron) 电中性m 6748× -27 中子(neutron):电中性m=1.6748×10 kg 电子(electron):核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云(electron cloud) ):核外高速旋转 电子(electron):核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云(electron cloud) kg,约为质子的1 1836 m= m=9.1095×10-31 kg,约为质子的1/1836

描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数( 描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数(quantum numbers) numbers)表示 主量子数 n i:决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q electron shell 轨道动量量子数 l :与电子运动的角动量有关，取值为0,1,2, n 1, s, p , d , f i shape of the electron subshell 磁量子数 m :决定原子轨道或电子云在空间的伸展方

向，取值为-l ,-(l 1), 1, 0,1, l i i i i spatial orientation of an electron cloud 自旋角动量量子数 s i:表示电子自旋(spin moment)的方向，取值为+ 1 或- 1 2 2

核外电子的排布(electron configuration)规律能量最低原理( principle)电子总是占据能量最低的壳层 能量最低原理(Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s - 2s - 2p - 3s - 3p - 4s - 3d - 4p - 5s - 4d - 5p Pauli不相容原理(Pauli Exclusion principle): 2n 2 不相容原理( principle): Pauli不相容原理 全充满 Hund原则(Hund' Rule) 半充满 原则( Hund原则 Hund' Rule) 自旋方向相同 全空

三、元素周期表(periodic Table of the Elements) 元素周期表(

元素(Element):具有相同核电荷的同一类原子总称， 116种 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 ):具有相同核电荷的同一类原子总称 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 6 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 C12,C13,C14 6 6 元素有两种存在状态：游离态和化合态( 元素有两种存在状态：游离态和化合态(Free State& Combined Form) rows)周期 period)按原子序数( 周期( Number)递增的顺序 7个横行(Horizontal rows)周期(period)按原子序数(Atomic Number)递增的顺序 个横行( 从左至右排列 18个纵行 column)16族 Group), 个主族、 个副族、 个纵行( ),7 个零族( 18个纵行(column)16族(Group),7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族(Inert Gases)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。 Gases)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。

原子序数= 周期序数= 原子序数=核电荷数 周期序数=电子壳层数 主族序数= 零族元素最外层电子数为8 氦为2 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( electron) 价电子数(Valence electron)核电荷 ，原子半径 ↑ ↓ 同周期元素： 右， → 同周期元素：左 右，金属性 ，非金属性 ↓ ↑ 电离能 ，失电子能力 ，得电子能力 ↑ ↓ ↑ 最外层电子数相同，电子层数 ，原子半径 最外层电子数相同， ↑ ↑ 同主族元素： →下， 同主族元素：上 下，金属性 ，非金属性 ↑ ↓ 电离能 ，失电子能力 ，得电子能力 ↓ ↑ ↓

※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom) ※2原子间的键合 金属键( bonding) 金属键(Metallic bonding)

化学键( bonding) 离子键( bonding) 价键primary 化学键(Chemical bonding) 离子键(Ionic bonding) 主价键primary interatomic bonds 共价键(covalent bonding) bonding) 共价键( 物理键( bonding) 次价键( bonding) 亦称Van ing), 物理键(physical bonding),次价键(Secondary bonding),亦称Van der Waals bonding 氢键(Hydrogen - bonding) 介于化学键和范德华力之间 氢键(

bonding) 一、金属键(Metallic bonding) 金属键(典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子( electron) 典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子(valence electron)极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子( electron), ),形成电子云 挣脱原子核之束缚而成为自由电子(Free electron),形成电子云 cloud) (electron cloud)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， 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， 性质：良好导电、导热性能，延展性好

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