1原子与结构键合教案.ppt

第一章 材料结构的基本知识 不同的材料具有不同的性能，同一材料经不同加工工艺后也 会有不同的性能，这些都归结于内部的结构不同。 结构的含义很丰富，大致可以分为四个层次：原子结构、 原子结合键、材料中原子的排列以及晶体材料的显微组织，这 四个层次的结构从不同方面影响着材料的性能。 ※1原子结构 （Atomic Structure ） 一、物质的组成（Substance Construction） 物质由一种或多种元素的原子结合而成。 分子（Molecule）：单独存在，保存物质化学特性。 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 原 子 原子核 电子 中子 质子 电子的分布不仅决定了单个原子的 行为，也对材料内部原子的结合以 及材料的某些性质起着决定性作用。 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 决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数，有时亦用K、L、M、N、 O、 P、Q l=0、1 、2 、3,习惯上以s,p,d,f 表示，与电子运动的角动量有关， 反应轨道的形状，又称角量子数或轨道动量量子数。 各壳层上亚层的数目随主量子数不同而异。 决定电子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为m=0，±1， ±2， ±3.s,p,d,f各轨道依次有1，3，5，7种空间取向。 表示电子自旋（spin moment）的方向，取值分别为+1/2和 -1/2，表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。 主量子数n 次量子数l 磁量子数m 自旋量子数ms 表1 各电子壳层及亚壳层的电子状态 主量子数 壳层序号 次量子数 亚壳层状态 磁量子数规定的状态数目 考虑自旋量子数后的状态数目 各壳层 总电子数目 1 1s 1 2 2=(2×12) 2 2s 2p 1 3 2 6 8=(2×22 ) 3 3s 3p 3d 1 3 5 2 6 10 18=(2×32 ) 4 4s 4p 4d 4f 1 3 5 7 2 6 10 14 32= （2×42 ) 核外电子的排布（electron configuration)规律 能量最低原理 泡利不相容原理 洪特规则 电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。 一般来说，离核较近的电子具有较低的能量，随着电子层数的增加，电子的能量越来越大；同一层中，各亚层的能量是按s、p、d、f的次序增高的。这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p…… 在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在 从光谱实验结果总结出来的洪特规则有两方面的含义：一是电子在原子核外排布时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行；洪特规则的第二个含义是对于同一个电子亚层，当电子排布处于 全满（s2、p6、d10、f14） 半满（s1、p3、d5、f7） 全空（s0、p0、d0、f0）时比较稳定。 例： 试根据电子从低能到高能，依次排列在不同量子态的原理，写出原子序数 为11的钠原子和原子序数为20的钙原子中的电子排列方式。 解： Na原子：1s22s22p63s1; Ca原子：1s22s22p63s23p64s2. 注： 根据量子力学，各壳层的s态和p态中电子的充满层度对该壳层的能量水平 起着重要的作用，一旦壳层的s态和p态被填满，该壳层的能量便落入很低 的值，使电子处于极为稳定的状态。 另一方面，如果最外层上s态和p态电子没有充满，这些电子的能量较高， 与原子核结合较弱，很活泼，这些电子称为价电子。他们直接参与原子 间的结合，对材料的物理性能和化学性能产生重要影响。 三、元素周期表 元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，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如： C612 ，C613 元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State Combined Form) 1869年，俄国化学家门捷列夫发现元素性质是按原子相对质量的增加而呈周期 性变化的，这一重要规律称为原子周期律。 →内部原因是由于原子核外电子的排列随原子序数的增加呈现周期性的变化。 →元素周期表：把所有元素按照相对原子质量及电子分布方式排列成的表；