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1、材料物理（材料科學基礎）,物理科學與技術學院 李強2007.1st Term,Xinjiang University,2024/3/20,材料結構的層次,原子結構,晶體結構,顯微結構,宏觀結構,,原子結構及其鍵合是各種固體理論的基本出發(fā)點；原子結構中最關心的電子結構。,Xinjiang University,2024/3/20,第一章 原子的結構和鍵合,原子的結構原子的鍵合（原子核與核外電子的靜電庫侖相互作用）,Xinjian

2、g University,2024/3/20,§1-1 原子的結構,原子的結構,原子核在原子中只占了很小的體積，但集中了絕大部分的質量。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結構,電子軌道的經典模型(Bohr模型)和量子模型,Bohr Model,Quantum ModelProbability wave,Xinjiang University,2024/3/20,§

3、;1-1 原子的結構,原子量以C12質量的1/12為單位表示，即一個質子(中子)相當于單位1。另外，lmol質子(中子)的質量巧合為1 g。,問題：為什么元素的原子量都不是整數(shù)？,元素的原子量 = 該元素所有同位素對其豐率的加權平均。,例: Cr的原子序數(shù)為24, 有4種同位素(豐率見下),計算Cr的原子量。⑴ P(Cr50)＝4.31%； ⑵ P(Cr)＝83.76%；⑶ P(Cr53)＝9.55%；⑷ P(Cr54)＝2.38

4、%。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結構（原子的電子結構）,原子的電子軌道原子中一個電子的軌道(狀態(tài))由四個量子數(shù)確定。主量子數(shù)n：n = 1，2，3，…… K, L, M，……決定了軌道與原子核的平均距離以及電子的能量。軌道角動量量子數(shù)l：l = 0，1，2，3，……，n-1 s, p, d, f，……反

5、映了電子軌道的形狀。軌道磁量子數(shù)m：m = 0，±1， ±2，……，±l軌道角動量在外磁場方向的投影值。自旋磁量子數(shù)ms：ms = ±1/2電子自旋角動量在外磁場方向的投影值。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結構（原子的電子結構）,核外電子的排布規(guī)律能量最低原理： ⑴ 電子的能量主要取決于n，此外也與l有關 (屏蔽效應)。

6、 ⑵ 屏蔽效應(形狀越發(fā)散的軌道受到的屏蔽越多，使軌道能量升高)導致能級交錯現(xiàn)象。 ⑶ 對于小原子序數(shù)的原子有下面的經驗公式：for atom: E = n + 0.7 l；for ion: E = n + 0.7 l泡利Pauli不相容原理：洪德Hund法則： ⑴ 全充滿，半充滿或全空的軌道較穩(wěn)定。 ⑵ 自旋趨于平行排列。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結

7、構（原子的電子結構）,核外電子的排布規(guī)律,討論：請寫出下列元素的電子排布式。C(6) V(23)Cr(24)W(74),,1s22s22p21s22s22p63s23p63d34s21s22s22p63s23p63d44s21s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p65d56s1,→ 1s22s22p63s23p63d54s1,→ 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s

8、25p65d46s2,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結構（元素周期表）,元素周期表Periodic Table,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結構（元素周期表）,元素周期表的周期和族最大的主量子數(shù)n → 元素所在的周期最外層的電子數(shù) → 元素所在的族主族：最外層電子來自同一個殼層副族：最外層電子來自不同的殼層,討

9、論① ：第n殼層能容納的電子數(shù)（軌道數(shù)）Nn。n殼層中： l = 0, 1, 2, …, n-1 共n個每個l 中m可?。?, ±1, ±2, …,±l 共2l+1個∴n=1, 2, 3, 4, … Nn=2, 8, 18, 32, …,,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結構（元素周期表）,,討論②：各周期中元素的數(shù)目。

10、I：1s1 ~ 1s2共2個II：2s1 ~ 2s22p6共8個III：3s1 ~ 3s23p6 （能級交錯E3d > E4s） 共8個VI：∵ E4d > E5s， 4s1 ~ 4s24p6, 8個主族元素，另外, 3d殼層有10個過渡族元素， ∴共18個 …,Info：關于過渡族元素，鑭系元素和錒系元素。凡最外層電子填充在d軌道→過渡族元素；凡最外層電子

11、填充在4f軌道→鑭系元素；凡最外層電子填充在5f軌道→錒系元素。,,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結構（元素周期表）,元素周期表中的周期性規(guī)律,電負性electronegativity: 反映了原子吸引電子的能力。 EN＝ 0.18( IE + EA),電離能: 對同一周期的元素，最外層電子排布為半充滿，全充滿，以及ns2np6時較穩(wěn)定。,Xinjiang Univers

12、ity,2024/3/20,§1-1 原子的結構,元素的電負性,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合,共同的特點：鍵合后各原子的外層電子結構要構成穩(wěn)定結構，如1s2, ns2np6, (n-1)d10ns2np6, …,,結合鍵,化學鍵,物理鍵,,金屬鍵,離子鍵,共價鍵,,范德瓦爾斯鍵,氫鍵,,極性共價鍵,非極性共價鍵,Xinjiang University,20

13、24/3/20,§1-2 原子間的鍵合（化學鍵）,金屬鍵,特點 ：金屬鍵既無方向性，也無飽和性。這導致金屬傾向于密堆積排列，fcc, hcp, bcc；良好的導電性，導熱性，好的延展性。,金屬原子的最外層電子數(shù)少，極易擺脫原子核的束縛成為自由電子。自由電子可在整個金屬中自由運動，被共有化。金屬中自由電子與金屬正離子之間構成鍵合稱為金屬鍵。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子

14、間的鍵合（化學鍵）,離子鍵,特點 ：以離子而不是以原子為結合單元，要求正負離子相間排列；無方向性和飽和性，這導致離子晶體一般具有較高的配位數(shù)；結合牢固，熔點和硬度較高，良好的電絕緣體。,大多數(shù)的鹽類、堿類以及金屬氧化物通過離子鍵結合。通過電子轉移，形成各自穩(wěn)定結構的帶電的正負離子，通過庫侖相互作用結合在一起。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（化學鍵）,共價鍵,亞金屬（C

15、，Si，Sn，Ge）、聚合物，無機非金屬材料。由兩個或多個電負性相差不大的原子間通過共用電子對而形成的化學鍵。,特點 ：有方向性：除s軌道，其它軌道都有一定的方向性，鍵的方向沿著電子云重疊最大的方向；有飽和性：導致配位數(shù)較少；結構穩(wěn)定，熔點高，硬，脆，導電性差。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（化學鍵）,共價鍵,Si晶體,sp軌道雜化,Xinjiang Univers

16、ity,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（化學鍵）,共價鍵,SiO2晶體,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（物理鍵）,范德瓦爾斯鍵,特點 ：與R-6成正比；鍵能比化學鍵小1～2個數(shù)量級；無方向性和飽和性，趨向密堆積排列。,是惰性氣體以及許多有機分子晶體的主要的吸引相互作用。電中性的原子（分子），由于相互作用而瞬時產生電荷的不均勻分布，形成電偶極矩。在

17、電偶極矩的作用下，將電中性的原子（分子）結合在一起。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（物理鍵）,氫鍵,特點 ：形成氫鍵的條件: (1) 分子中必須有氫；(2) 另一個元素必須是顯著的非金屬元素。鍵能大小介于化學鍵和范德瓦爾斯鍵之間。,當氫原子核外電子被其它原子所共有，使氫端成為裸露的帶正電的原子核。它與鄰近分子的負端相互吸引，從而形成氫鍵。,問題：盡管HF的相對分子質量比

18、較低，但HF的沸點(19.4℃)遠大于HCl(－85℃)。請解釋原因。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（總結）,原子間結合鍵總結：,鍵能的大小反映了材料的熔點。,方向性與材料的延展性有關。,導電性與原子的最外層電子有關。,飽和性決定了晶體結構中原子的配位數(shù)及致密度。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（總結）,電子云的

19、交疊：,,,,,,,范德瓦爾斯鍵,離子鍵,,,金屬鍵,,,,共價鍵,,價電子軌道交疊形成能帶。,形成分子軌道軌道雜化。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（總結）,實際材料中單一結合鍵的情況并不多。,價鍵四面體,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（總結）,實際材料中單一結合鍵的情況并不多。范德瓦爾斯鍵會存在于所有的晶體中