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第一节原子结构一、原子的电子排列——可看成是原子核及分布在核周围的电子组成。原子原子核——中子和质子组成，核的体积很小，集中了原子的绝大部分质量。——绕着原子核在一定的轨道上旋转质量虽可忽略，但电子的分部却是原子结构中最重要的问题，它不仅决定单个原子的行为，也对工程材料内部原子的结合及某些性能起着决定性作用。电子电子运动的轨道：由四个量子数决定，分别是主量子数、次量子数、磁量子数及自旋量子数。主量子数——决定电子离核远近和能量高低的主要参数

2、。次量子数——量子轨道并不一定总是球形的，次量子数反映了轨道的形状，各轨道在原子核周围的角度分布不同。它也影响轨道的能级，按s、p、d、f依次升高。磁量子数——确定了轨道的空间取向，以m表示。没有外磁场时，处于同一亚壳层而空间取向不同的电子具有相同的能量，但在外加磁场下，不同空间取向轨道的能量会略有所差别。自旋量子数——ms=+1/2，–1/2，表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。主量子数壳层序号次量子数亚壳层状态磁量子数规第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12341s2s2p3s3p3d4s4p4d4f11313513572262

3、6102610142（=2×12）8（=2×22）18（=2×32）32（=2×42）原子核外电子的分部与四个量子数有关，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。（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。二、元素周期表及性能的周期性变化原子周期律——早在1869年，俄国化学家已发现了元素性质是按原子相对质量的增加而成周期性的变化。这正是由于原子核外电子的排列是随原子序数的增加呈周期性变化。族——周期表上竖的各列。同一族元素具有相同的外壳层电子数，同一族元素具有非常相似的化学性

4、能。过渡元素——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过渡元素。总结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。第二节原子结合键键的形成——在凝聚状态下，原子间距离十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，就形成了键。键分为一次键和二次键：一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。一、一次键离子键——当两类原子结合时，金属原子的外层电子很可能转移到非金属原子外壳层上，使两者都得到稳定的电

5、子结构，从而降低体系的能量，此时金属原子和非金属原子分别形成正离子和负离子，正负离子间相互吸引，使原子结合在一起，这就是离子键。（如NaCl）图1-1NACL结合键NaClNa+Cl-NaCl、MgO等都是典型的离子键化合物通过离子键结合的材料的特点良好的绝缘体高强度高硬度高熔点脆性大离子键结合力大受到外力的作用下离子之间将失去电的平衡作用，导致键被破坏离子键中没有自由电子存在，故在常温下导电性很差共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、ⅤA族元素，离子化比较困难，在这种情况下，相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共用，利用共享电子对来达

6、到温定的电子结构。这就是共价键。图1-4金刚石的共价结合及其方向性Si原子Si的4个共价键通过共价键结合的材料的特点高强度高硬度高熔点脆性大导电性较差共价健本身很强，而且键之间有固定的方向关系，所以，当具有共价键的晶体发生弯曲时，不能像具有金属健的原子那样彼此位置跟随发生改变，而是其键必受到破坏，因此，材料硬而脆金属键——金属原子很容易失去外壳层电子而具有稳定的电子壳层，形成带正电的阳离子，由正离子和自由电子之间的相互吸引而结合起来的称金属键。由金属正离子和自由电子之间相互作用而将所有的离子结合在一起的方式金属键金属原子的特点最外层价电子少，易失去金属原子失去外

7、层电子正离子价电子围绕金属正离子运动的电子云价电子在金属中自由运动，成为与若干正离子相吸引的电子云通过金属键结合的材料的特点金属键无方向性良好的塑性良好的导电性良好的导热性维持离子在一起的电子并不固定在一定的位置上外电压的作用下，价电子发生运动自由电子的存在金属发生弯曲时，金属键方向随之变动，金属原子便改变它们彼此之间的位置关系，而不破坏键二、二次键1、范德瓦耳斯键当原子和分子相互靠近时，一个原子的偶极矩将会影响另一个原子的电子分布，电子密度在靠近第一个原子的正电荷处更高些，这样使两个原子相互静电吸引，体系就处于较低的能量状态。极化分子间的作用力正电中心负电中心

8、原子核电子云a)原子核电