材料科学基础 第２版 教学课件 作者 石德珂 西安交通大学 主编 1 第一章 材料结构的基本知识.ppt

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1、第一章　材料结构的基本知识第一节　原子结构第二节　原子结合键第三节　原子排列方式第四节　晶体材料的组织第五节　材料的稳态结构与亚稳态结构不同的材料具有不同的性能，同一材料经不同加工工艺后也会有不同的性能。这些都与材料中原子的排列方式，即其内部结构密切相关。因此，研究固态结构，即原子排列和分布规律，深入理解结构的形成以及结构与成分、加工工艺之间关系，是了解掌握材料性能的基础，只有这样，才能从内部找到改善和发展新材料的途径。第一节原子结构一、基本概念原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。原子核内的中子呈电中性，质子带有正电荷。一个质子的正电荷量正好与一个电

2、子的负电荷量相等，等于－e（e=1.6022×10-19C）。通过静电吸引，带负电荷的电子被牢牢地束缚在原子核周围。因为在中性原子中，电子与质子的数目相等，所以，原子作为一个整体，呈电中性。原子的体积很小，原子直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子的质量大致为1.67×10-24g，而电子的质量约为9.11×10-28g，仅为质子的1/1836。二、原子中的电子原子可以看成由原子核及分布在核周围的电子所组成。原子核内有中子和质子，核的体积很小，却集中了原子的绝大部分质量。电子绕着原

3、子核在一定的轨道上旋转，它们质量虽可忽略，但电子的分布却是原子结构中最重要的问题，它不仅决定了单个原子的行为，也对工程材料内部原子的结合以及材料的某些性能起着决定性的作用，本节介绍的原子结构主要就是指电子的排列方式。量子力学的研究发现，电子的旋转轨道不是任意的，它的确切的途径也是测不准的。薛定谔方程成功地解决了电子在核外运动状态的变化规律，方程中引入了波函数的概念，以取代经典物理中圆形的固定轨道，解得的波函数(习惯上又称原子轨道)描述了电子在核外空间各处位置出现的几率，相当于给出了电子运动的“轨道”。这一轨道是由四个量子数所确定，它们分别为主量子数、次量子数、磁量子数以

4、及自旋量子数。四个量子数中最重要的是主量子数n(＝1、2、3、4...)，它是确定电子离核远近和能级高低的主要参数。在紧邻原子核的第一壳层上，电子的主量子数n＝1，而n＝2、3、4分别代表电子处于第二、三、四壳层。随n的增加，电子的能量依次增加。在同一壳层上的电子，又可依据次量子数l分成若干个能量水平不同的亚壳层。主量子数壳层序号磁量子数亚壳层状态磁量子数规定的状态数目考虑自旋量子数后的状态数目各壳层总电子数11s122(-2×12)22s2p13268（-2×22）33s3p3d135261018（-2×32）44s4p4d4f135726101432（-2×42）表

5、1-1各电子壳层及亚壳目的电子状态(2)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。依据上述原理，电子从低的能量水平至高的能量水平，依次排列在不同的量子状态下。决定电子能量水平的主要因素是主量子数和次量子数，各个主壳层及亚壳层的能量水平在图1-1中示意画出。由图可见，电子能量随主量子数n的增加而升高，同一壳层内各亚壳层的能量是按s、p、d、f次序依次升高的。值得注意的是相邻壳层的能量范围有重叠现象。原子核外电子的分布与四个量子数有关，且服从下述两个基本原理：(1)泡利不相容原理：一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。图1-1电子能

6、量水平随主量子数和次量子数的变化情况三、元素周期表早在1869年，俄国化学家门捷列夫已发现了元素性质是按原子相对质量的增加而单周期性的变化，这一重要规律称为原子周期律。周期表从根本上揭示了自然界物质的内在联系，反映了物质世界的统一性和规律性。表中水平行排称为周期，共七个周期。周期表上竖的各列称为族，同一族元素具有相同的外壳层电子数，周期表两侧的各族IA、ⅡA、ⅢA…ⅦA分别对应于外壳层价电子数为1、2、3…7的情况，所以同一族元素具有非常相似的化学性能。周期表中部的ⅢB-ⅧB对应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这些内壳层未填满的元素称为过渡元素，由于外壳层电子状态没有改变

7、，都只有1-2个价电子，这些元素都有典型的金属性。图1-2元素周期表把所有元素按相对原子质量及电子分布方式排列成的表称元素周期表(图1-2)各个元素所表现的行为或性质一定会呈现同样的周期性变化，因为原子结构从根本上决定了原子间的结合键，从而影响元素的性质。表1-2给出了电负性数据的周期变化，电负性是用来衡量原子吸引电子能力的参数。电负性越强，吸引电子能力越强，数值越大。在同一周期内，自左至右电负性逐渐增大，在同一族内自上至下电负性数据逐渐减小。这一规律将有助于理解材料的原子结合及晶体结构类型的变化。表1-2元素的电负性（鲍林）H2.10L