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 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 原子的电子结构一原子间键合本质 决定材料分类：金属陶瓷 高分子 材料性能：物化力学 ※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 d2o=0.2nmM(H)为2 M(protein)为百万 原子(Atom): 化学变化中最小微粒
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 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
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 M,Planki和A.Einstein量子论 原子结构的量子理论 Rutherford原子有核模型 Bohr atomic model K壳层(n=1) L光层(n=2) 原子(atom) 2个中子 rg=3.7×102nm M壳层(n=3) ra1=1.43×10'nm 图1.1钠（原子序数为11）原子结构中 K,L和M量子壳层的电子分布状况 原子核(nucleus)):位于原子中心、带正电 质子(proton):正电荷m=1.6726X107kg 中子(neutron):电中性n=1.6748X102kg 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=9.1095×10kg,约为质子的1/1836
l 1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 l 1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型 l 1913年 N.Bohr将 l 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1/1836
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数(juantum numb83)表示 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1：与电子运动的角动量有关，取值为0,1,2，n-1,S,p,d,f shape of the electron s ubshell 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，-（①1），-1,0,1,1 spatial orientation of an electron cloud 自旋角动量量子数s:表示电子自旋(spin moment) 的方向，取值为十 核外电子的排布(electron configuration]规律 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 全充满 Hund原则(Hund'Rule) 半充满 自旋方向相同 全空
l 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 s ubshell 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 orienta tion of an electron cloud s ， i i -(l l 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 l 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 (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 C2 C C4 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。 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) 同周期元素：左 核电荷原子半径 电离能，失电子能力，得电子能分 →右，金属性↓，非金属性 同主族元素：上 最外层电子数相同，电子层数，原子半径 电离能失电子能，得电子能力 →下，金属性↑，非金属性↓
l 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 l 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 l l 元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form) l 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 l 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 6 6 6 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 IA 诚金属 碱土金属 过渡元素 0 1 H IIA 主族金属 非金属 稀有气体 IIIA IYA YIA YIIA He 2 L山 Be B Ne 3 Na Mg IIIB IYB YB YIB YIIB YIIIB IB IIB Al Ar 4 K Ca Sc Ti Cr Mn Fe Co Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Zr Nb Mo Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te e 6 Cs Ba La H Ta Re 05 Ir Pt Au Hg Pb i Po At Rn 7 世 Ra Ac Rf Db Bh Hs Mt Uun Uuu Uub 系 La Ce Pr Nd Pm 5m Eu Gd Tb Dy Ho Er Im Yb Lu 系 Ac h Pa Np Pu Am Cm Bk ES Fm Md No Lr