材料科学基础教程课件第一章原子结构与键合.ppt

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1、第一章  原子结构和结合键金（Au）的（111）面电化学沉积铜（Cu）于金（Au）的表面Scanningtunnelingmicroscope(STM)扫描隧道显微镜图片Fe原子在Cu基板上原子像CO原子在Pt基板上原子像(IBM)Xe原子在Ni基板上原子像(IBM)WhyStudyAtomicStructureandInteratomicbondings?重要原因之一：键的类型，能够用于解释材料的性质。举例：“Graphite”石墨“Diamond”金刚石通过本章学习，应该能够做到以下几点：1、两

2、种原子模型的名称，及两者的差异；2、能够描述主要的有关电子能量的量子力学原理；3、对于两个原子与离子，能够画出原子间距与吸引、排斥的能量简图，注意平衡间距和键能；4、理解重要的术语和基本概念，包括主价键（离子键、共价键、金属键）等，了解何种材料包含上述键。学习目的教学内容1.1原子结构1.1.1基本概念1.1.2原子中的电子1.1.3元素周期表1.2固态中的原子键1.2.1键合力与能量1.2.2原子结合的基本类型1.2.3范德瓦尔键1.1.1基本概念1、基本电荷(Chargemagnitude)：1.6

3、021x10-19C;2、质子、中子质量(Proton,Neutronmass)：1.67x10-27kg3、电子质量(Electronmass)：9.1091x10-31kg;4、原子数(AtomicnumberZ)=等于质子数5、原子质量(AtomicmassA)=Protonmass+Neutronmass6、同位素(Isotope)：质子数相同，但中子数不同7、原子质量单位（Atomicmassunit(amu)）：为最常见的碳同位素12C的原子质量的1/121amu/atom(ormolecu

4、le)=1g/mol1.1.2原子中的电子电子的确定：法拉第（Faraday）的电解电池实验，电子作为一个粒子的概念开始产生；1891年，斯托尼（Stoney）提出“电子”名称，表示电量单位；1897年，Thomson阴极射线管实验，测定电子质量约为氢原子质量的1/1840；1909年，密利根（Millikan）油滴实验，测定电子电荷e。量子力学中的原子模型第一个模型：玻尔原子模型（BohrAtomicmodel）原子核轨道电子重要特征：1、电子的特定轨道；2、电子能量量子化，能级；3、能级跃迁。局限性

5、：无法解释多电子系统，只适合氢原子，亦称为“玻尔氢原子模型”。第二个模型：几率波模型（Wave-mechanicalmodel）微观粒子波粒二象性：1924年，德布洛意（deBroglie）在光的波粒二象性的启示下，提出微观粒子波粒二象性的假说。几率波模型的特点：1、电子具有波动、粒子特性；2、电子不再是在特定轨道上运动，其位置描述为几率分布（Probabilitydistribution）、电子云（Electroncloud）。德布洛意关系：E–机械能；p–动量；m0–实物粒子静止质量；-波动量频率

6、；-波动量频率；h–普朗克常数，c–光速两种模型中电子分布的比较（a）玻尔模型（b）几率波模型两种模型中电子能态的比较（a）玻尔模型（b）几率波模型量子数（Quantumnumber）主量子数（principal,n）：K、L、M、N、O、···—代表主壳层，与离原子核的距离相关（2种模型通用）次量子数（subshell,l）：s、p、d、f、···—代表亚壳层，及其轨道数，与电子云形状相关磁量子数（magnetic,m）：-(l-1)、···、+(l-1)—代表每个轨道中的能级、及其数目自旋量子数（

7、spin,s）：-1/2,+1/2—代表电子自旋方向，每个能级只能有2种不同的自旋原子核外电子的排布规律—3个原则能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。从低能壳层到高能壳层（K、L、M、N、）、从低能亚层（轨道）到高能亚层次序（s、p、d、f、）填充Pauli不相容原理（exclusionprinciple）：每个电子能态最多容纳2个自旋相反的电子洪德（Hund）法则：在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同各壳层、亚壳层可容纳的电子状态数电子

8、的能级图电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况1s22s22p63s23p64s23d104p6…..从低能到高能轨道顺序，填充电子1s3s2p3p4p3d4d电子组态Eelectronconfiguration电子能态（Energystate）：每个电子的能量状态（值），用所处的亚层（轨道）表示最底能态（Groundstate）：电子填充的最低能量状态电子组态：即原子结构，核外所有电子依据3个原则，占据壳层、亚层（轨道）的方式钠（So