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 d20=0.2nmm(H2)为2(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. Plank和A. Einstein量子论 Rutherford原子有核模型 原子结构的量子理论 o Bohr atomic model I K壳层(n=1 原子(atom) r=3.7×102nm M壳层(n=3) rA1=1.43×10nm 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=1.6726×102kg 中子mtm):电中性m=1.6748×10kg 电子( electron):核外高速旋转,带负电,按能量高髙低排列,如电子云( electron cloud) m=9.1095×1031kg,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(uamm numbers)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、 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,…n1s,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;-(1-1)…-10.12 spatial orienta tion 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+22 ●核外电子的排布(础 ectron cl0n们gra0规律 能量最低原理( Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 ls-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p Paui不相容原理( Pauli Exclusion principle):2n2 全充满 Hund原则(Hund’Rule){半充满旋方向相同 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)
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。 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:左电他题)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 电离能失电了能机得电了能力 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 碱金属碱土金属过渡元索 H IIA 主族金属非金属稀有气体 IIIAIVAYAVIAVIIAHe aLBe BcNoENe 3 Na Mq IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB 且ses 旦Ar u Ga oRb Mo Tc Ru Rh Pd AqCdIn La Hf. Re ⅡpPt Fr Ra Ac 镧 Ce Pr Nd Pm SmEuGdTb Ho Er Im Yb A血Pa旦№ Pu AmCm眺旦臣「m‖Md№‖ 系