单元一物质与能量之基本观念.DOC

單元二 基本理論、物質結構與材料 (本資料摘錄自新文京開發出版股份有限公司出版之『奈米科技導論-基本原理與及應用-第二)蔡信行、孫光中編著』) 2-1 量子數 2-2 軌域形狀 2-3 電子組態 2-4 化學鍵與分子 2-5 固體 2-6 固相中的不規則性 2-7 金屬 2-8 半導體 2-9 液晶 2-10 單位晶格 2-11 牛頓運動定律 2-12 萬有引力定律 2-13 有關電的定律 2-14 法拉第電解定律 2-15 布拉格定律 2-16 都卜勒定律 2-17 材料之基本概念 2-1 量子數 1.主量子數(principal number)(n)： (1)其值為大於或等於1的正整數 n＝1, 2, 3, 4, … (2)其物理意義為「可以決定能階之高低」， n愈大，則En（n 值的能階）愈高。 (3)殼層(shell)的律定 n=1 層稱為 K 層，n=2層稱為L層， n=3 層稱為 M 層，n=4 層稱為N層， 如此類推。 2.角動量子數(angular momentum number)(?) (1)其值為大於或等於0的正整數 ?＝0, 1, 2, 3, … 當?＝0時，電子所處的軌域名稱叫「S軌域」，當?＝1時，稱為「P軌域」，當 ? 等於某值時，即已確定軌域的種類。 如表2-1。 (2)其物理意義為「可以決定軌域之種類」。 (3)對多電子系統能階的影響對像氫原子一般的單電子系統，其能階僅受主量子數(n)的影響；但多電子系統能階，則間受n及?的影響。 ( (n＋?)愈大，En愈高。 (若(n＋?)一樣時，n愈大，En愈高。 3.磁量子數(magnetic number)（m或m?) (1)其值為m = 0, ±1, ±2, ±3, … (2)其物理意義為「可以決定軌域在空間之方向」或「可以決定軌域的數目」 (3)簡併能階層(degenerate level)的定義簡併能階數(degeneracy)定義為(2?＋1)。也就是對每一個特定?，就有(2?＋1)個m。如?＝1時，則m＝(1，0，＋1三個方向的值，意味著P軌域在空間中有三個方向。 4.自旋量子數(spin number)（S或mS） (1)其值為 ±1/2。 當s＝+1/2時，表示電子自旋方向為順時針， 當s＝(1/2時，電子自旋方向為反時針。 (2)其物理意義為「可以決定電子自旋之方向高低」。 (3)吉曼(Zeeman)效應 有了這些量子數，可以用其組合(n, ?, m, s)來描述電子， (1) s＝+1/2，(2) n ?，(3) m＝(?~ +? 隨著主量子數(n)的增加，ns軌域之大小也愈增大，根據計算結果為： 軌域的能量大小依序為： 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d (。 2-2 軌域形狀 1.S軌域 圖2-1 s軌域 2.p軌域 圖2-2　三個不同方向的P 軌域 3.d 軌域 圖2-3　五個不同方向的d 軌 2-3 電子組態 1.單電子系統與多電子系統 2.電子組態 電子在主層和副層的分佈情形稱為電子組態(electron configuration)，通常以下面符號表示，如：3d 5---3為主量子數，d為副層（d軌域），5為副層中的電子數，電子在原子軌域之分佈，按下列規則依序填入： (1)奧佛包程序(Aufbau process)：電子須由低能階填向高能階。 (2)鮑立不相容原理(Pauli exclusion principle)：每個軌域最多只能填入兩個電子，且其自旋方向必須相反。 (3)漢斯規則(Hunds rule)：填電子時，必須盡量傾向「半滿」(half-filled)或「全滿」(full-filled)狀態。 鋁有13個電子，其電子組態為：1s22s22p63s23p1 即可寫為：[Ne]3s23p1其價電子組態為：3s23p1，而價電子數為 2＋1＝3。 圖2-4　多電子系統能階高低之比較 圖2-5　部分原子之電子組態 圖2-5　部分原子之電子組態 1.分子形狀 由分子內原子間的距離（即鍵距）{一般鍵距為1－3埃(?)}與化學鍵間的夾角(即鍵角)可以表示分子的大小和形狀。例如雙原子分子(如HCl, I2)的形狀是直線的，三原子分子H2O為角形(圖1-11)，CO2 (鍵角為180()為直線。 2.化學鍵 化學鍵可以分成三大類： (1)離子鍵：由於兩原子間電子