材料科学基础 原子结构 教师课件.ppt

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1、问题材料科学的四要素是什么？四要素之间的存在什么样的关系？1同样是由碳元素组成的，为什么金刚石是硬度最高的物质，而石墨却很软？为什么原子能结合成固体？材料中存在哪几种键合方式？决定键合方式的主要因素有哪些？材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？思考2第1章原子结构与键合AtomicStructureandInteratomicBonding3主要内容1原子结构2元素周期表3原子间的键合4材料的结构层次结构层次应用举例原子结构金刚石-切削工具刃~10-10m(1Å)原子排列:长程有序点火器10-10~10-9m(

2、1~10Å)原子排列:短程有序非晶硅-光通讯技术10-10~10-9m(1~10Å)5材料的结构层次(续)结构层次应用举例纳米结构纳米粒子10-9~10-7m(1~100nm)微观结构金属和合金的强度>10-8~10-6m(10~1000nm)宏观结构汽车的防锈漆>10-6m(1000nm)61原子结构（AtomicStructure）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)

3、为2M（protein）为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒71897年，汤姆逊发现电子,提出“葡萄干布丁”模型1910年，卢瑟福散射试验，提出“行星系统”模型1913年，玻尔模型1.1物质结构理论发展简介81913年，玻尔在普朗克量子论、爱因斯坦光子说和卢瑟福的原子模型的基础上提出了原子结构理论的三点假设：电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量子化条件的轨道上运动，在这些轨道中电子的角动量等于h/2π的整数倍。电子处在上述轨道时，原子既不吸收能量，也不辐射能量。原子中有很多这种稳定的状态（简称

4、定态），其中能量最低的定态称为基态，能量较高的定态称为激发态。当电子由一种定态跃迁至另一种定态时，就要吸收或放出能量，其值恰好等于两种定态的能量差，它与光的频率关系为9玻尔原子理论的成功之处提出了量子的概念成功地解释了氢原子光谱的实验结果用于计算氢原子的电离能玻尔原子理论的局限性无法解释氢原子光谱的精细结构不能解释多电子原、分子或固体的光谱不能解释电子衍射现象10薛定谔方程----微粒的波动方程波函数：描述核外电子运动状态的数学函数式。1926年，薛定谔(Schrodinger)微观粒子的波动方程：Ψ：波函数x,

5、y,z：空间坐标E：体系的总能量V：势能11波函数和原子轨道波函数Ψ是描述核外电子运动状态的数学函数式。波函数通常也叫原子轨道。原子在不同条件（n，l，m）下的波函数叫做不同的原子轨道，通常用s，p，d，f等符号依次表示l＝0，1，2，3的轨道波函数Ψ描述了核外电子可能出现的一个空间区域（原子轨道），不是经典力学中描述的某种确定的几何轨迹。Ψ没有明确的物理意义，但

6、

7、2表示空间某处单位体积内电子出现的几率（几率密度）。12对于定态的原子来说，电子也不是位于确定半径的平面轨道上，而是有可能位于核外空间的任何地方，

8、只是在不同的位置出现电子的几率不同。这样，经典的轨道概念就必须摒弃。人们往往用连续分布的“电子云”代替轨道来表示单个电子出现在各处的几率。电子云密度最大的地方就是电子出现几率最大的地方。13ììïïíïïîïíïïïî-27-27-31质子：正电荷m＝1.6726×10kg原子核（nucleus)中子：电中性m＝1.6748×10kg电子（electron）：带负电，按能量高低排列m＝9.109510kg，约为质子的1/1836e=1.6022×10-19CNA=6.023×1023atom/molM：原子量14

9、例1Fe-Pt纳米粒子是一种新的磁记录材料，其记录密度可达Tb/平方英寸，比现有的磁记录材料高10～100倍。如果纳米颗粒的直径为3nm，计算每个纳米粒子中的铁原子的数量。已知：ρFe=7.8g/cm3MFe=56g/mol解：假设纳米粒子是球状的，则其半径为1.5纳米V=(4/3)π(1.5×10-7cm)3=1.4137×10-20cm3m=7.8g/cm3×1.4137×10-20cm3=1.102×10-19g151.2核外电子运动状态1.四个量子数及其表征的意义主量子数n－表征原子轨道离核的远近，即核外

10、电子的层数16角量子数li－又称副量子数。它决定原子轨道或电子云的形状，并在多电子原子中和n一起决定电子的能量。li0123光谱学符号spdf17磁量子数m－表征原子轨道在外磁场方向上分量的大小，即原子轨道在空间的不同取向每一个亚层中，m有几个取值，其亚层就有几个不同伸展方向的同类原子轨道磁量子数与电子能量无关，同一亚层的原子轨道，能量是相等的，叫等价轨道(或简并轨道），