第一章原子結(jié)構(gòu)和鍵合-2015

1、2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克1材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)主講：李克主講：李克 教授教授 緒論第一章第一章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合第二章 固體結(jié)構(gòu)第三章 晶體缺陷第四章 固體中原子及分子的運(yùn)動第五章 材料的形變與再結(jié)晶第六章 單組元相圖及純晶體的凝固第七章 二元相圖及其合金的凝固2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克2材料的微觀結(jié)構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu)（Microstructure of Materials） 了解物質(zhì)由原子組成，而組成材料的各元素的原子結(jié)構(gòu)和原子間的鍵合是決定材料性能的重要因素。 決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的內(nèi)在因素包括： 組成材料各元素原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)，

2、原子間相互作用和相互結(jié)合原子間相互作用和相互結(jié)合，原子或分子在空間的排列（晶體），運(yùn)動規(guī)律，以及原子集合體的形貌特征 第一章第一章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合Atomic Structure and Interatomic Bonding2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克3p物質(zhì)(Substance)是由原子（atom）組成p在材料科學(xué)中，最為關(guān)心原子的電子結(jié)構(gòu)p原子結(jié)構(gòu)直接影響原子間的結(jié)合方式;原子的電子結(jié)構(gòu)原子間鍵合本質(zhì)p原子結(jié)構(gòu)-決定材料分類：金屬、非金屬、陶瓷、高分子-決定材料性能：物理、化學(xué)、力學(xué)2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克4物質(zhì)由無數(shù)微粒（Par

3、ticles）聚集而成分子（Molecule）：單獨(dú)存在 保存物質(zhì)化學(xué)特性 dH2O=0.2nm M(H2)為2 M（protein）為百萬原子（Atom）： 化學(xué)變化中最小微粒量子力學(xué)中，原子還可以再分-聚變和裂變（聚變一般是指氘和氚聚變成氦的過程，常見裂變有鈾、钚等的裂變） E = mC22021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克5二、原子的結(jié)構(gòu)二、原子的結(jié)構(gòu)n18791879年年 J.J J.J 湯姆孫湯姆孫 發(fā)現(xiàn)電子（發(fā)現(xiàn)電子（electron),electron),揭示了原子內(nèi)部秘密揭示了原子內(nèi)部秘密n19111911年年 E.E.盧瑟福提出原子結(jié)構(gòu)有核模型盧瑟福提出原子結(jié)構(gòu)有

4、核模型n19131913年年 玻爾將玻爾將 nBohr atomic modelBohr atomic model M M. .P Pl la an nk k和和A A. .E Ei in ns st te ei in n量量子子論論原原子子結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的量量子子理理論論R Ru ut th he er rf fo or rd d 原原子子有有核核模模型型-2-2H H-1-1AlAl原子（atom)原子（atom)r = 3.7 10 nmr = 3.7 10 nmr =1.43 10 nmr =1.43 10 nm- -2 27 7- -2 27 7- -3 31 1（p pr ro ot

5、to on n）（n ne eu ut tr ro on n）質(zhì)質(zhì)子子：正正電電荷荷m m1 1. .6 67 72 26 61 10 0k kg g原原子子核核（n nu uc cl le eu us s) )：位位于于原原子子中中心心、帶帶正正電電中中子子：電電中中性性m m1 1. .6 67 74 48 81 10 0k kg g電電子子（e el le ec ct tr ro on n）：核核外外高高速速旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，帶帶負(fù)負(fù)電電，按按能能量量高高低低排排列列，如如電電子子云云（e el le ec ct tr ro on n c cl lo ou ud d） m m9 9. .1 10

6、 09 95 5 1 10 0k kg g，約約為為質(zhì)質(zhì)子子的的1 1/ /1 18 83 36 62021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克6iiinln1, spdfm i主量子數(shù) ：決定原子中電子能量和核間距離，即量子殼層，取正整數(shù)K、L、M、N、O、 P、Q electron shell軌道動量量子數(shù) ：與電子運(yùn)動的角動量有關(guān)，取值為0，1，2， ， ， shape of the electron s ubshell磁量子數(shù)：決定原子軌道或電子云在空間的伸展方向，取值為-li1),1,0,1, spatial orientation of an electron cloudsii

7、，-(ll11自旋角動量量子數(shù) ：表示電子自旋（spin moment）的方向，取值為 或-22描述原子中一個電子的空間和能量一個電子的空間和能量，可用四個量子數(shù)（quantum numbers）表示三、原子的電子結(jié)構(gòu)三、原子的電子結(jié)構(gòu)單原子體系、多原子體系；單原子體系、多原子體系；對單個原子亦即孤立原子的電子處于不同對單個原子亦即孤立原子的電子處于不同的分立能級上，可通過求解薛定諤方程，由四個量子數(shù)組來描述其運(yùn)動狀態(tài)。的分立能級上，可通過求解薛定諤方程，由四個量子數(shù)組來描述其運(yùn)動狀態(tài)。對于多原子體系，電子在整個固體當(dāng)中運(yùn)動，薛定諤方程無法求解，必須引入對于多原子體系，電子在整個固體當(dāng)中運(yùn)動，

8、薛定諤方程無法求解，必須引入能帶理論。能帶理論。詳見詳見固體能帶理論固體能帶理論2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克7n核外電子的排布遵循的三個原則2 2全充滿全充滿半充滿 半充滿 全空全空自旋方向相同自旋方向相同能量最低原理（Minimum Energy principle)電子總是占據(jù)能量能量最低原理（Minimum Energy principle)電子總是占據(jù)能量 最低的殼層最低的殼層 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s- 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s- 4d-5p-4d-5p-PauliPauli不相容原理（Pauli Exclu

9、sion principle): 不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n2nHundHund原則（Hund Rule)原則（Hund Rule)沒有狀態(tài)相同的電子沒有狀態(tài)相同的電子(4個量子個量子)保證能量最低保證能量最低 穩(wěn)定穩(wěn)定2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克8四、元素周期表（四、元素周期表（Periodic Table of Elements)n元素元素（Element）：）：具有相同核電荷的同一類原子總稱，共具有相同核電荷的同一類原子總稱，共116種，種，核電荷數(shù)是劃分元素的依據(jù)核電荷數(shù)是劃分元素的依據(jù)n同位素同位素（Isotope）：

10、）：具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的同一元素具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的同一元素的原子的原子 n元素有兩種存在狀態(tài)元素有兩種存在狀態(tài)：游離態(tài)和化合態(tài)（：游離態(tài)和化合態(tài)（Free State& Combined Form)121314121314666666C C ，C ，C，C ，C2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克97個橫行（個橫行（Horizontal rows)周期（周期（period）按原子序數(shù)（按原子序數(shù)（Atomic Number)遞增的順序從左至右排列遞增的順序從左至右排列18個縱行（個縱行（column）16族（族（Group），），7個主族、個主族、7個

11、副族、個副族、1個第個第族、族、1個零族（個零族（Inert Gases）最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的順序從最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的順序從上而下排列。上而下排列。2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克10周期規(guī)律：周期規(guī)律：原子序數(shù)核電荷數(shù)原子序數(shù)核電荷數(shù) 周期序數(shù)電子殼層數(shù)周期序數(shù)電子殼層數(shù)主族序數(shù)最外層電子數(shù)主族序數(shù)最外層電子數(shù) 零族元素最外層電子數(shù)為零族元素最外層電子數(shù)為8（氦為（氦為2） 價電子數(shù)價電子數(shù)（Valence electron） 電離核核電電荷荷 ，原原子子半半徑徑 能能 ，失失電電子子能能力力 ，得得電電子子能能力力 最最外外層層電電子子

12、數(shù)數(shù)相相同同，電電子子層層數(shù)數(shù) ，原原子子半半徑徑 電電離離能能 ，失失電電子子能能力力 ，得得電電子子能能力力 同同周周期期元元素素：左左右右，金金屬屬性性 ，非非金金屬屬性性 同同主主族族元元素素：上上下下，金金屬屬性性 ，非非金金屬屬性性 2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克112 原子間的鍵合原子間的鍵合 ( Bonding type)金金屬屬鍵鍵（M Me et ta al ll li ic c b bo on nd di in ng g）化化學(xué)學(xué)鍵鍵（C Ch he em mi ic ca al l b bo on nd di in ng g）離離子子鍵鍵（I Io o

13、n ni ic c b bo on nd di in ng g） 主主價價鍵鍵p pr ri im ma ar ry y i in nt te er ra at to om mi ic c b bo on nd ds s共共價價鍵鍵（c co ov va al le en nt t b bo on nd di in ng g）物物理理鍵鍵（p ph hy ys si ic ca al l b bo on nd di in ng g) ), , 次次價價鍵鍵( (S Se ec co on nd da ar ry y b bo on nd di in ng g) )，亦亦稱稱V Va an n

14、d de er r W Wa aa al ls s b bo on nd di in ng g氫氫鍵鍵（H Hy yd dr ro og ge en n- -b bo on nd di in n和g g) ) 介介于于化化學(xué)學(xué)鍵鍵 范范德德華華力力之之間間結(jié)合鍵：原子結(jié)合形成結(jié)合鍵：原子結(jié)合形成分子或固體分子或固體時，原子間產(chǎn)生的相互作用力，稱時，原子間產(chǎn)生的相互作用力，稱為結(jié)合力，也叫結(jié)合鍵。為結(jié)合力，也叫結(jié)合鍵。結(jié)合力從本質(zhì)上講，都起源于原子核和電子間的靜電交互作用（庫倫結(jié)合力從本質(zhì)上講，都起源于原子核和電子間的靜電交互作用（庫倫力）。力）。 分子間作用力，通過物理鍵結(jié)合未產(chǎn)生新的物質(zhì)。分

15、子間作用力，通過物理鍵結(jié)合未產(chǎn)生新的物質(zhì)。原子間作用力，通過化學(xué)鍵結(jié)合產(chǎn)生新的物質(zhì)。原子間作用力，通過化學(xué)鍵結(jié)合產(chǎn)生新的物質(zhì)。2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克12一、金屬鍵（Metallic bonding）l特點(diǎn)：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)l性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好l配位數(shù)：金屬晶體多采取配位數(shù)為12的密堆積，少數(shù)金屬為體心立方結(jié)構(gòu)，配位數(shù)為8。金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。第族堿金屬、第族堿土金屬及過渡元素晶體都是典型的金屬晶體。過渡金屬兼有金屬鍵和共價鍵，前者提供良好

16、的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，后者提供強(qiáng)度。典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價電子（典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價電子（valence electron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Free electron），），形成電子云形成電子云（electron cloud）2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克13二、離子鍵（Ionic bonding)l特點(diǎn)：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列，且無方向性（得失電子位置不確定），無飽和性l性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體，膨脹系數(shù)小l配位數(shù)：離子晶體中最大的配位數(shù)為8。氯

17、化鈉(配位數(shù)為6)，氯化銫(配位數(shù)為8)。靜靜電電鍵鍵引引力力 離離子子 實質(zhì)： 金屬原子 帶正電的正離子（Cation） 非金屬原子 帶負(fù)電的負(fù)離子（anion） e 多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物中存在離子鍵。2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克14氯化鈉氯化鈉 氯化銫氯化銫 硫化鋅硫化鋅堿金屬堿金屬- -鹵族鹵族 堿土金屬堿土金屬- -氧族氧族 A-BA-BB-B鋅族鋅族- -氧族氧族 典型離子晶體結(jié)構(gòu)典型離子晶體結(jié)構(gòu): :氯化鈉、氯化銫、硫化鋅（閃鋅礦）等氯化鈉、氯化銫、硫化鋅（閃鋅礦）等礦物、硅酸鹽、陶瓷等礦物、硅酸鹽、陶瓷等2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克1

18、5三、共價鍵（covalent bonding）鍵電對鍵鍵兩鍵間極性(Polar bonding):共用子偏于某成原子極性(Polar bonding):共用子偏于某成原子非極性（Nonpolar bonding): 位于成原子中非極性（Nonpolar bonding): 位于成原子中l(wèi)特點(diǎn)：共用電子對；配位數(shù)較?。挥蟹较蛐?、飽和性。有飽和性：一個原子只能形成一定數(shù)目的共價鍵有方向性（s電子除外）：原子只能在特定方向上形成共價鍵l物理性質(zhì)：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高（缺陷少）、質(zhì)硬脆（方向性決定）、導(dǎo)電能力差Si-C, Ni-AlSi-Si包括亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），高分子聚合物和無機(jī)非金屬

19、材料（碳化物、氧化物等）實質(zhì)：由二個或多個電負(fù)性差不大的原子間通過共用電子對而成，如氫分子、金剛石、單晶硅2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克16金剛石結(jié)構(gòu)示意圖金剛石結(jié)構(gòu)示意圖金剛石、硅金剛石、硅/鍺的單晶中都有這種正四面體成鍵方式鍺的單晶中都有這種正四面體成鍵方式2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克17 四、范德華力（Van der waals bonding) 電應(yīng)鄰電華偶極矩的感作用偶極矩的感作用近原子相互作用荷位移近原子相互作用荷位移偶極子(dipoles）范德力偶極子(dipoles）范德力l包括：靜電力、誘導(dǎo)力和色散力（概念，及與溫度、距離的關(guān)系）（概念，

20、及與溫度、距離的關(guān)系）l屬物理鍵 ，系次價鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度改變材料性質(zhì)，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等。比如肥皂泡相互吸引。高分子材料以分子間作用力-范德華力和氫鍵為主，化學(xué)鍵為輔故沒有氣態(tài)，只有液態(tài)、固態(tài)。如有機(jī)玻璃、環(huán)氧樹脂。石墨的晶體結(jié)構(gòu)石墨的晶體結(jié)構(gòu)2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克18五、氫鍵（Hydrogen bonding） 氫鍵為極性分子鍵，存在于HF、H2O、NH3等分子間，可視為特殊的可視為特殊的范德華力。范德華力。氫鍵是冰中水分子之間主要的相互作用。氫鍵是冰中水分子之間主要的相互作用。在高分子中占重要地位，有機(jī)物、生物體中，分子和高分子靠氫鍵連接。有機(jī)物、生物體中，分子和高分子靠氫鍵連接。DNA復(fù)復(fù)制和其他生命過程可視為氫鍵的鍵開與鍵合（酶的參與）。制和其他生命過程可視為氫鍵的鍵開與鍵合（酶的參與）。氫原子同時與兩個負(fù)電性較大，而原子半徑較小的原子(O、F、N等)結(jié)合，構(gòu)成氫鍵。本質(zhì)：分子間電偶極距相互作用。氫原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價鍵結(jié)合），裸露原子核將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引氫橋氫鍵具有飽和性和方向性。2021-11-12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克19各種結(jié)合鍵主要特點(diǎn)