固体材料的结构基础知识

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1、第一章固体材料的结构基础知识问题的提出与思考：材料是用来制造器件的物质。与物质有关的学科物理、化学、量子力学……物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定的方式聚集而成的集合体）1第一章固体材料的结构基础知识第一节原子结构及键合1.1原子结构原子是由原子核（带正电的质子和呈电中性的中子组成）和核外电子（带负电荷）构成。特点：体积很小，但是质量大部分都集中在原子核内，原子核的密度很大。核外电子的质量虽然可以忽略，但是它们的分布却是原子结构中的最重要的问题，它不仅决定了单个原子的行为，也对材料内部原子的结合及其材料的一些性能起着重要的作用。21．1．1原

2、子的电子排列电子在核外的运动是测不准的，但是电子的旋转轨迹也不是任意的。电子在核外的运动变化规律（薛定谔方程）：四个量子数：（1）n（主量子数）：确定电子距离内核远近和能量高低的主要参数，电子的能量随n的增大而增高。（2）L（次量子数）：反映轨道的形状，由s、p、d、f四个量子数表示各轨道在原子核周围的角度分布不同，次量子数也影响轨道的能级。（3）m（磁量子数）：确定轨道的空间取向。（4）ms（自旋量子数）：表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。345原子核外电子的分布除了与这四个量子数有关外，还服从以下两项基本原理：泡利不相容原理：一个原

3、子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子；最低能量原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态；洪德定则：在未填满的壳层中，电子的自旋值应该尽量地大。61．1．2元素周期表及其性能的周期变化7几个概念：（1）原子的电离能指气态原子在最低能态失去电子时所需要的能量。元素的电离能越小，则越容易失去电子而成为正离子。（2）电子的亲和能指气态原子获得一个电子时所放出的能量。元素的电子亲和能越大，则越容易获得电子形成负离子。（3）原子的电负性原子在形成价键时吸引电子的能力，用以比较各种原子形成负离子或正离子的倾向。两元素的电负性差越大，所形

4、成的键的极性就越强。81．2键合固体材料中的原子（此处“原子”这一名词仅仅是为了标志一种简单结构的质点，是离子、原子或分子可以不必追究，下同）之间存在着一定的结合力，物质依据这种结合力将各种原子连接起来，使材料保持着一定的几何形状或物性，原子间的结合力也称为结合键，材料的许多性能在很大程度上都与结合键的大小或类型有关。根据结合键的强弱常分成一次键和二次键两大类。一次键：依靠电子的转移或共享来实现的一种结合力，结合力较强，包括离子键、共价键和金属键；二次键：借助原子或分子间的偶极吸引力而形成，结合力较弱，包括范德华键和氢键。91．2．1键合的类型(1)

5、离子键10离子健合的意义及其特点：（1）通常实现离子键合的一方为金属元素，而另一方为非金属元素，它们分别位于周期表的水平两则；（2）由于金属元素放弃了它们的价电子给非金属元素，使得两者的原子都变得稳定，形成惰性气体元素的电子构型，并分别成为正离子和负离子。这种形式的结合使得系统的能量处于最低位置，形成最稳定的结合状态，它们之间的键合也较牢固；（3）离子键合不具有方向性，其健力的大小在环绕离子的所有方向上相等，就是说，一个离子可以吸引几个电荷相反的离子，形成所谓的大分子结构，当大分子结构足够大时，就形成了离子晶体的固体材料；（4）离子键合的材料具有较高

6、的对称性、结构稳定、熔点较高、硬度大、膨胀系数较小而脆性较大。（5）离子晶体材料中没有自由电子，所以，通常是电或热的不良导体是绝缘体，但是，在高温下可以是借助离子本身在晶体中的运动而导电。11（2）共价健12共价健的意义及其特点：（1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共价键；（2）饱和性。根据量子力学理论，已成对的电子不能再与其它原子中的电子结合成对，即共价结合的原子所能形成键的数目有一最大值，当原子的价电子数为N时，应建立（8－N）个共用电子对才达到共价结合。（3）方向性。共价键是借共享的电子结合而成的，相邻两原子的外层未满壳层电子

7、云重叠越多，所形成的共价键就越稳定，因此，电子云是按其最大密度的方向重叠的，各个共价键之间有确定的相对取向，带有明显的方向性。（4）在外力的作用下，原子发生相对位移时，键将被破坏，故共价键的材料通常都不具有塑性，是较为典型的脆性材料；为使电子运动产生电流，必须破坏共价键，需要高温、高压，因此共价键材料又都具有良好的绝缘性能。但是共价键的结合能变化范围较大，共价键的结合能可以很强，如金刚石非常坚硬、熔点非常高；共价键的结合能也可以很弱，如铋270℃左右即可熔化。13（3）金属键14金属键的意义及其特点：（1）由金属正离子和自由电子之间相互作用而形成的结

8、合称为金属键（2）金属键中的电子处于共用化状态，将原子维持在一起的电子并不固定在一定的位置上，所以，没有饱和