《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件讲稿）第一章 原子结构和键合 Atomic Structure and Interatomic Bonding

材料的微观结构（MicrostructureofMaterials决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列，运动规律，以及原子集合体的形貌特征第一章原子结构和键合AtomicStructureandInteratomicBonding物质（Substance）是由原子（atom）组成在材料科学中，最为关心原子的电子结构原子的电子结构一原子间键合本质高分子决定材料分类：金属陶瓷力学材料性能：物化(AtomicStructure※1原子结构一、物质的组成（Substance Construction）物质由无数微粒（Particles）聚集而成保存物质化学特性分子（Molecule）：单独存在dH20=0. 2nmM(H)为2为百万M(protein）原子（Atom）化学变化中最小微粒

第一章原子结构和键合 Atomic Structure and Interatomic Bonding 物质(Substance)是由原子（atom）组成 在材料科学中，最为关心原子的电子结构 原子的电子结构—原子间键合本质 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 材料性能：物 化 力学 材料的微观结构（Microstructure of Materials） 决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构， 原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列，运动规 律，以及原子集合体的形貌特征 ※1原子结构（Atomic Structure ） 一、物质的组成（Substance Construction） 物质由无数微粒（Particles）聚集而成 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O =0.2nm M(H2 )为2 M（protein）为百万 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒

尺寸大小的示意图AmillionnanometersBillionsofThepinhead sizedpatchnanometersof thisthumb(circled inAtwometertall maleThousandsofnanometersistwobillionblack)isamillionBiologicalcells,likethesenanometerstall.nanometersacross.redbloodcells,havediame-Nanometerters in therangeof thou-Ten shoulder-to-shoul-sands ofnanometers.derhydrogenatomsLess thana nanometer(blueballs)span1Individual atoms areupnanometer.DNAmole-toafewangstroms,orculesareabout 2.5uptoafewtenths ofananometerswide.nanometer,in diameter

尺寸大小的示意图

结构、工程材料科学固体物理核物理10-1610-1210010410-810-4cm尺寸范围

尺寸范围 10-16 10-12 10-8 10-4 100 104 cm 固体物理 材料科学 结构、工程 核物理

二、原子的结构1879年J.JThomson发现电子（electron），揭示了原子内部秘密1911年E.Rutherford提出原子结构有核模型1913年N.Bohr将M.Plank和A.Einstein量子论原子结构的量子理论原子有核模型RutherfordBohr atomic model(n=1无层L光层（#=2）原子（atom）11个货12个中子Org=3.7×10nmM亮层（n=3）rAi=1.43×10-nm图1.1钠（原子序数为11)原子结构中K,L和M量壳层的电子分布状况质子（proton）：正电荷m=1.6726×10-27kg原子核（nucleus）：位于原子中心、带正电中子（neutron）：电中性m=1.6748×10-27kg电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（electroncloud）m=9.1095×10-31kg，约为质子的1/1836

二、原子的结构 ⚫ 1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 ⚫ 1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型 ⚫ 1913年 N.Bohr将 ⚫ Bohr atomic model       M.Plank和A.Einstein量子论 原子结构的量子理论 Rutherford 原子有核模型   -2 H -1 Al 原子（atom) r = 3.7 10 nm r = 1.43 10 nm              -27 -27 -31 （proton） （neutron） 质子 ：正电荷m＝1.6726×10 kg 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电 中子 ：电中性m＝1.6748×10 kg 电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（electron cloud） m＝9.1095 10 kg，约为质子的1/183 6

描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数(quantumnumbers）表示主量子数n：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Qelectron shell轨道动量量子数l：与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2，...n-1，s，p，d，fshape of the electron subshell磁量子数m．决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-1，-（1-1).·....-1.0,1spatial orientationof anelectroncloud自旋角动量量子数s：表示电子自旋（spinmoment）的方向，取值为+或-22核外电子的排布（electronconfiguration)规律能量最低原理（MinimumEnergyprinciple）电子总是占据能量最低的壳层1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-Pauli不相容原理（PauliExclusionprinciple)：2n?全充满Hund原则（HundRule）自旋方向相同半充满全空

⚫ 核外电子的排布（electron configuration)规律 i i i n l n 1, s p d f m  − i 主量子数 ：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q electron shell 轨道动量量子数 ：与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2， ， ， ， shape of the electron subshell 磁量子数 ：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-l i 1), 1,0,1, spatial orientation of an electron cloud s         −  −       ，-(l l i i 1 1 自旋角动量量子数 ：表示电子自旋（spin moment）的方向，取值为＋ 或- 2 2 ⚫ 描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示                2 全充满 半充满 全空 自旋方向相同 能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s - 2s - 2p - 3s - 3p - 4s - 3d - 4p - 5s - 4d - 5p - Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n Hund原则（Hund' Rule)

三、元素周期表neriodictableoftheElements元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是划分元素的依据同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子C14C12C13C6，96元素有两种存在状态：游离态和化合态（FreeState&CombinedForm）7个横行（Horizontalrows）周期（period）按原子序数（AtomicNumber）递增的顺序从左至右排列18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个V族、1个零族（InertGases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列原子序数一核电荷数周期序数一电子壳层数主族序数一最外层电子数零族元素最外层电子数为8（氨为2）价电子数（Valenceelectron）核电荷，原子半径：左同周期元素：→右，金属性，非金属性↑电离能，失电子能力，得电子能力最外层电子数相同，电子层数，原子半径同主族元素：上>下，金属性1，非金属性电离能，失电子能力，得电子能力

三、元素周期表（periodic Table of the Elements) ⚫ 元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是 划分元素的依据 ⚫ 同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 ⚫ ⚫ 元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form) ⚫ 7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原子序数（Atomic Number)递增 的顺序从左至右排列 ⚫ 18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族 （Inert Gases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。 12 13 14 666 C ，C ，C 原子序数＝核电荷数 周期序数＝电子壳层数 主族序数＝最外 层 电 子 数 零族元素最外层电子数为8（氦为2） 价电子数（Valence electron） ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ 电离 核电荷↑，原子半径↓ 能↑，失电子能力↓，得电子能力↑ 最外层电子数相同，电子层数↑，原子半径↑ 电离能↓，失电子能力↑，得电子能力↓ 同周期元素：左 右，金属性↓，非金属性↑ 同主族元素：上 下，金属性↑，非金属性↓

元素周期表过渡元素碱金属碱土金属IA稀有气体主族金属非金属HIIAIVAYAIIIAVIAVIIAeLiBe0NeVBVIBVIIIBIBIIBAlNaMqIIIBIVBVIIB5ArYNiKScTiCrMnFeGaCuZnCaCoGeBrASseKPdRbZrNbMoRuRhSbSrTCAqCdSnInXETe业PtHFReOsIrTIPbBiBaLaTaAuHgPoAtRnCSRfDbSqBhUubFrRaACHSMtUunJuu铜系一NdGdTbYbPrEuDYErCePmSmHoImLaLU铜系CFUBkMdThPaNpPUESFmNoACAmCmLr

※2原子间的键合【Bondingtypewithotheratom】金属键（Metallicbonding）化学键离子键（Ionicbonding）主价键primaryinteratomicbonds（Chemicalbonding)3共价键（covalentbonding）物理键（physicalbonding），次价键（Secondarybonding），亦称Vander Waals bonding氢键（Hydrogen-bonding）介于化学键和范德华力之间金属键（Metallicbonding）！极易典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valenceelectron）挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Freeelectron），形成电子云（electroncloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好

⚫ ※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom)      金属键（Metallic bonding） 化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding） 主价键primary interatomic bonds 共价键（covalent bonding） 物理键（physical bonding),次价键(Secondary bonding)，亦称Van der Waals bonding 氢键（Hydrogen - bondin           g) 介于化学键 范德华力之间 和 ⚫ 一、金属键（Metallic bonding） 典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云 （electron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键 ⚫ 特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构 ⚫ 性质：良好导电、导热性能，延展性好

(lonicbonding)离子键多数盐类、碱类和金属氧化物实质：金属原子带正电的正离子(Cation)静电引力高离子键非金属原子带负电的负离子(anion)特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体三、共价键（covalentbonding）亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成极性键(Polarbonding）：共用电子对偏于某成键原子非极性键（Nonpolarbonding）：位于两成键原子中间配位数较小，方向性（s电子除外）特点：饱和性性质：熔点高、质硬脆、导电能力差

⚫ 二、离子键（Ionic bonding) 多数盐类、碱类和金属氧化物 ⚫ 特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列， 无方向性，无饱和性 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体    静电 键 引力 离子 ⚫ 三、共价键（covalent bonding） ⚫ 亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料 ⚫ 实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成    键 电 对 键 键 两 键 间 极性 (Polar bonding):共用 子 偏于某成 原子 非极性 （Nonpolar bonding): 位于 成 原子中 ⚫ 特点：饱和性 配位数较小 ，方向性（s电子除外） ⚫ 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差 实质： 金属原子 带正电的正离子（Cation） 非金属原子 带负电的负离子（anion） e

四、范德华力（Vanderwaalsbonding)近邻原子相互作用一→电荷位移→原子或分子偶极偶极子（dipoles）电偶极矩的感应作用→范德华力图1.7极性分子间的范德华力示意图包括：静电力（electrostatic）、i诱导力（induction）和色散力(dispersive force)属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质五、氢键（Hydrogenbonding极性分子键存在于HF、H,O、NH3中，在高分子中占重要地位，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引一氢桥H介于化学键与物理键之间，具有饱和性氢键图1.8HF氢键示意图

⚫ 四、范德华力（Van der waals bonding) ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ 电 应 邻 电 偶极矩的感 作用 华 近 原子相互作用→ 荷位移→ 偶极子(dipoles） 范德 力 ⚫ 包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力 (dispersive force) ⚫ 属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 ⚫ 五、氢键（Hydrogen bonding） 极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位， 氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性