材料科学与工程基础__第二章课件.ppt

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1、2-1物质的组成、状态及材料结构2-2材料的原子结构2-3原子之间的相互作用和结合2-4多原子体系电子的相互作用与稳定性第二章材料结构基础2-5固体中的原子有序2-6固体中的原子无序2-7固体中的转变2-8固体物质的表面结构2.1物质的组成、状态及材料结构2.1.1物质的组成和状态物质物体（由原子和分子组成）场（引力场、电磁场等）化学元素大气层N2、O2、Ar、CO2等水圈H2O、Clˉ、Na+、Mg2+等岩石圈SiO2、Al2O3、Fe2O3等2.1.2材料结构的含义材料结构宏观组织结构显微组织结构原子或分子排列结构（晶体结构

2、）原子中的电子结构2.2材料的原子结构汤姆孙原子模型枣糕模型卢瑟福原子模型核式结构模型波尔原子模型α粒子散射实验原子光谱2.2.1量子力学的几个基本概念微观粒子的波粒两象性爱因斯坦光子理论电子海森堡测不准原理薛定谔方程波函数ψ（r,t)2.2.2原子核结构原子核——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。一个质子具有正电荷e=1.672×10-19C同位素：质子数相同，中子数不同的原子。2.2.3原子核外电子电子的分布和运动由四个量子数决定，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

3、远近和能量高低的主要参数。K、L、M、N…..次量子数（角量子数）——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ml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1(K)2(L)3(M)4(N)次量子数亚壳层状态1s2s2p3

4、s3p3d4s4p4d4f磁量子数1131351357考虑自旋量子数后的状态数目2262610261014各壳层总电子数2（=2×12）8（=2×22）18（=2×32）32（=2×42）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。（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。洪特规则：在相同能量的轨道上，电子将尽可能分布在不同轨道上，且自旋方向相同。Fe26Cu29Ag47原子中电子的稳定性价电子最外层电子电子跃

5、迁E1-E2=hv电离能（第一电离能）从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需要的能量电子亲和能原子接受一个额外的电子所释放的能量2.3原子之间相互作用和结合稳定的电子结构：“八电子层”结构（s2p6)基本结合（化学结合）：结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。派生结合（物理结合）：结合力较弱，包括范德华键和氢键。2.3.1基本结合（化学键合）离子键合当两类原子结合时，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

6、，使原子结合在一起，这就是离子键。（如NaCl）共价键合两个原子共有最外层电子的键合。既有饱和性又有方向性非极性共价键、极性共价键配位共价键（如H+与NH3结合成NH+4）金属键合各原子都贡献出其价电子而变成外层为八电子层的金属正离子，贡献出来的价电子为所有金属原子（正离子）所共有。金属键不具有方向性和饱和性。混合键合介于离子键和共价键之间的混合键。元素的电负性：原子在化合物中把电子引向自己的能力。形成共价键结合的两元素的电负性相等或接近，形成离子键结合的两元素的电负性差别较大。2.3.2派生结合（物理结合）范德华键合取向力极性

7、分子永久偶极之间的静电相互作用所产生的引力。诱导力诱导偶极与固有偶极间的作用力。色散力是电中性原子或非极性分子的瞬时偶极距相互作用的结果。具有加和性和普遍性。范德华力（分子间力）是决定物质的沸点、熔点、汽化热、熔化热、溶解度和表面张力等物理化学性质的重要因素。氢键结合氢原子只有一个电子，当氢原子与一个电负性很强的原子X结合成分子时，共用电子对靠近X而远离氢原子，分子的氢原子侧实质上是一个裸露的质子，对另一个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力，这样，氢原子便在两个电负性很强的原子之间形成一个桥梁，把两者结合起来，形成氢键。所以氢

8、键可表达为：X–H——Y氢键有饱和性和方向性2.3.3各种键性的比较化学键最强，氢键次之，范德华键最弱。在化学键中，金属键能最小，因此金属具有范性形变和能进行喷涂等性质。2.3.4原子间距和空间排列原子间斥力和引力固体原子中存在两种力：吸引力和排斥力。在某一距离