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第六章 计算机辅助材料设计与模拟 第二节 材料设计基础
第六章 计算机辅助材料设计与模拟
第一节 概述
第二节 材料设计基础
第三节 材料设计软件及应用
第四节 金属材料的热加工工艺模拟
第五节 计算机辅助材料设计与模拟举例
第二节 材料设计基础
学习和掌握一定的原子结构,晶体结构, 电子结构和相结构知识,掌握有关材料设计方法的基本
概念是进行多尺度材料计算与设计的基础。由于大家在基础课和专业课中已经学习了相关知识,本
节仅进行简要回顾,读者可以根据实际情况,选择学习有关内容。
一、 原子结构
在进行量子化学第一性原理计算时,原子结构知识是必不可少的,尤其是掌握多电子原子核外
电子的排布规律,对于获得高效和可靠的计算结果具有重要意义。原子由带正电的原子核核带负电
荷的高速运转的核外电子构成。
1.原子核
原子核又可以进一步分为质子和中子。原子的构成和各部分的性质如表 6-2-1 所示。
表 6-2-1 原子的构成和各部分的性质
原子的构成: 原子核 电子
质子 中子 电子
-27 -27 -31
质量: 1.67 ×10 kg 1.675 ×10 kg 9.1 ×10 kg
相对质量: 1.007 1.008 质子的 1/1836
电性: 单位正电荷 中性 单位负电荷
2. 核外电子
(1)原子核外电子的排布
① 单电子核外电子的排布
电子在核外某空间一段时间内出现的机会的多少用波函数表示,并用薛定谔方程(Schrödinger
equation )来描述核外电子的运动规律。对于单电子原子(氢原子),其薛定谔方程具有如下形式:
2 2 2 2
∂ψ ∂ψ ∂ψ 8π m
2 + 2 + 2 + 2 (E −V)ψ 0 (6-2-1)
∂x ∂y ∂z h
1
第六章 计算机辅助材料设计与模拟 第二节 材料设计基础
式中: x,y,z 为核外电子的空间坐标,m 为电子的质量, E 为电子的总能量(动能和势能总和),
2
ze
− 为势能,h 是普朗克常数,Ψ是波函数,它是描述核外电子运动状态的函数。解薛定谔方程就
r
是解出其中的波函数和与波函数相对应的能量 E 。这样就可以了解电子运动的状态和能量的高低。
2
ze
薛定谔方程的物理意义是对于一个质量为 m ,在势能为− 的势场中运动的电子来说,有一个与
r
这个电子运动的稳定态相联系的波函数 Ψ,这个方程的每一个合理的解就是表示电子运动的某一稳
定状态。与这个解相应的常数 E 就是电子在这一稳定态下的总能量。波函数的平方的物理意义是代
表电子的概率密度。通过求解薛定谔方程,可知核外电子是分层排布和量子化的。
② 原子轨道量子数
主量子数 (n) ⎯代表电子层和电子能量的高低。它的取值为:1
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