材料科学基础__西安交大1原子与结构键合教案分析解读.ppt

第一章 材料结构的基本知识 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 核外电子的排布（electron configuration)规律 三、元素周期表 ※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom) 大多数氧化物及硅酸盐晶体中的化学键主要包含离子键和共价键。为了判断晶体的化学键中离子键所占的比例，可以借助于元素的电负性这一参数来实现。 一般情况下，当同种元素结合成晶体时，因其电负性相同，故形成非极性共价键；当两种不同元素结合成晶体时，随两元素电负性差值增大，键的极性逐渐增强。因此， 可以查表，也可以用下面的经验公式计算由A、B两元素组成的晶体的化学键中离子键的百分数： 离子键%=1－exp[-1/4*（xA－xB）2] 式中xA、xB分别为A、B元素的电负性值。 例题：计算MgO和GaAs晶体中离子键成分的多少 解答：查元素电负性数据得XMg=1.31，XO=3.44， XGa=1.81，XAs=2.18， 则MgO离子键%= 1－exp[-1/4×（3.44－1.31）2]=0.68 GaAs离子键%=1－exp[-1/4 × （2.18－1.81）2]=0.04 由此可见，MgO晶体的化学键以离子键为主，而GaAs则是典型的共价键晶体。 三、 结合力的一般性质 两个质点间的相互作用力或相互作用势能与质点间距离的关系在定性上是相同的。晶体中质点的相互作用分为吸引作用和排斥作用两大类。吸引作用在远距离是主要的，而排斥作用在近距离是主要的。在某一适当距离时，两者作用相抵消，晶体处于稳定状态。 原子间的相互作用（a）相互作用势能和原子间距的关系（b）相互作用力和原子间距之间的关系 四、 离子晶体晶格能 在离子晶体中，正负离子通过静电作用力而结合形成离子键，离子键的强度可用晶体的晶格能来衡量。 离子晶体晶格能EL定义为：1摩尔离子晶体中的正负离子，由相互远离的气态结合成离子晶体时所释放出的能量。 离子晶体晶格能的计算： a)计算一对正负离子的势能 u1=u吸引+u排斥 u吸引=- e2Z1Z2/4πε0r u排斥= B/rn  通过对结合能的研究，可以计算出晶格常数，体积弹性模量等，而这些量可以通过实验测量。因此将理论的计算结果与实验作比较，就可以验证理论的正确性。另外，也可以通过热力学参量来计算结合能或晶格能。通过离子晶体的晶格能，可以粗略地判断晶体的熔点和硬度的高低，硬度、熔点随晶格能的增大而升高。 ※3.原子排列方式 一、原子的排列方式 （1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。 （2）非晶体：――――――――――不规则排列。长程无序，各向同性。 ※4 晶体材料的组织 所谓材料的组织就是指各种晶粒的结合特征，即各种各晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布等特征。 晶体的组织比原子结合键及原子排列方式更易随成分及加工工艺而变化，是一个影响材料性能的极为敏感而重要的结构因素。 二、单相组织 三、多相组织 库仑引力能 泡利排斥能 相互作用力： f（r）=－du（r）/dr 总的作用力与原子间距离的关系？ 斥力 引力 r=ro，引力和斥力抵消，f（r）=0， 如何确定原子间的平衡距离ro？ r=rm，有效引力最大 如何确定最大有效引力？ 离子晶体中，正负离子的电子层与惰性元素的电子层结构相同，所以正负离子可以看成是电场为球形对称的点电荷，这样从静电吸引理论可得出晶格能的理论计算公式。 b)计算1mol的一般二元型（AX） 离子晶体 总势能 u=N0u1A AX晶格能=其中：A称为马德隆常数（Madlung constant），是一个仅与晶体结构有关的常数 ，n称为玻恩指数（Born index），其值大小与离子的电子层结构有关 ，B是比例常数 从液态转变为晶体和非 晶体时，两者表现的行为 不同。 晶体：有确定的熔点， 体积突变。 非晶体：无确定的熔点； 无体积突变； 是液态的简单冷却过程。 二、原子排列的研究方法 材料