第一章-原子的结构与键合.ppt

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1、材料科学基础第一章原子结构与键合烟台大学孙学勤本章主要内容要求基本概念和术语原子间的结合键对材料性能的影响用结合键的特征解释材料的性能。如用金属键的特征解释金属材料的性能：1.正的电阻温度系数；2.良好的延展性；3.良好的导电、导热性；4.具有金属光泽等。材料是国民经济的基础。实践和研究表明：决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。为此我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。第一章原子结构与键合第一节原子结构一

2、切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒。原子是化学变化中的最小微粒。原子结构直接影响原子间的结合方式。比利时原子球1.1.1物质的组成原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成。原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大。1.1.2原子的结构电子在原子核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云，后来就用电子云来代替轨道表示单个电子出现的概率。电子具有波粒二象性，既然具有波动性，电子运动就没

3、有固定的状态，就不可能位于某确定半径的平面轨道上，而是有可能出现在位于核外空间的任何地方，只是在不同位置出现的概率不同（就像射箭）。1.1.3原子的电子结构1.量子力学中反映微观粒子运动的基本方程称为薛定谔方程，它的解称为波函数，电子的状态和出现在某处的概率我们可以用波函数来描述，既原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定。(quantumnumber)主量子数n（电子层）决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。只限于正整数1，2，3，4，…，量子壳层可用一个大写英文字母表示，依次命名为K，L，M，N等。钠原子结构中K、L和M量子壳层的电子分布

4、情况n越大，代表能量越高、离核约远。1.1.3原子的结构轨道角动量量子数（电子亚层）li：给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关。电子亚层取值为0，1，2，···，n-1。例如n=2，就有两个轨道角动量量子数l=0，l=1，即L壳层中，根据电子能量差别，还包含有两个电子亚层。为了方便常用小写的英文字母来标注：li：01234能级：spdfg在同一量子壳层里，L取值越大，表明轨道能量越高。即亚层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的。而且不同电子亚层的电子云形状不同，如s层的电子云是以原子核为中心的球状，p亚层的电子云是纺锤形。1.1.3

5、原子的结构磁量子数（轨道数）mi：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。mi=2li+1磁量子数决定了电子云的空间取向。自旋角动量子数（自旋方向）si：反映电子不同的自旋方向。规定取值+1/2和-1/2，为顺时针和逆时针两种自旋方向，通常用“↑”和“↓”表示。1.1.3原子的结构2、核外电子排布遵循的规律1.1.3原子的结构在多电子的原子中核外电子的排布规律遵循以下原则：（1）泡利不相容原理：一个原子轨道最多只能容纳二个电子，且这二个电子自旋方向必须相反，这就是泡利不相容原理。其实质就是一个原子中不可能有两个电子具有完全相同的运动状态，也就是不可能有两个电子具有完全相同

6、的四个量子数。对于一个原子轨道来说，n、l和m都是相同的，因此这个轨道中的各个电子其ms必须不相同，所以这一轨道中最多只能容纳自旋方向相反的两个电子。因此，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。一山不容二虎除非一公一母1.1.3原子的结构（2）能量最低原理：自然界有一条普遍的规律：体系能量越低的状态相对越稳定。这一规律也适用于原子结构。电子总是占据能量最低的壳层，电子先排满能量最低的，再进入能量较高的壳层，而在同一电子亚层中，电子则依次按s、p、d、f、g的顺序排列。当然，前提是不违背泡利不相容原则。1.1.3原子的结构（2）能量最低原理：在氢原子中，原子轨道的能级只与

7、主量子数n有关，n越大的轨道能级越高，n相同的轨道能级相同。所以各轨道的能级顺序应为：1s＜2s＝2p＜3s＝3p＝3d＜4s。但在多电子原子中，各轨道的能级不仅与主量子数有关，还与角量子数l有关。其原因是由于存在着电子间的相互作用。鲍林(L．Pauling)根据光谱实验结果，总结出了多电子原子的原子轨道近似能级图，如下图所示。6s5s4s3s2s1s6p5p4p3p2p5d4d3d4fPONMLK1s2p2s3p3s4p3d4s5p4d5s6p5d4f6s1.1.3原子的结构1.当主量子数n相同时，轨道能量随着角