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材料导论 基础 材料的原子结构和原子间的结合键 第一页，共二十六页，2022年，8月28日 * 第三章 材料的原子结构和原子间的结合键 第二页，共二十六页，2022年，8月28日 材料的原子结构和原子间的结合键 * 内容简介： 本章主要讲述了各种材料的原子结构和原子特性，并介绍了原子间结合键种类及材料的分类。 本章重点： 3.1 材料结构和原子特性； 3.3 原子间的结合键； 第三页，共二十六页，2022年，8月28日 * 概述 在外界条件固定时，材料的性能取决于材料内部的构造，即组成材料的原子种类和含量（称为成分）以及它们的排列方式和空间分布（称为组织结构）。我们研究材料结构与性能之间的关系，首先必须弄清楚组成材料的原子结构以及相互之间的结合特点。 第四页，共二十六页，2022年，8月28日 第一节 材料结构和原子特性 * 学习目标： 1. 了解材料结构的基本涵义； 2. 理解原子结构、量子力学的基本概念。 第五页，共二十六页，2022年，8月28日 材料结构和原子特性 材料结构的涵义： 材料结构是指组成材料的原子（或离子、分子）相互结合的方式或构成的形式（这些形式称为结构要素）以及结构要素按一定次序的组合、排列及相互间的各种联系。 材料结构包括以下内容： 1.组成材料原子（或离子、分子）的构造 2.组成材料原子（或离子、分子）间的结合 3.组成材料原子（或离子、分子）的排列 4.材料结构内存在的缺陷 材料结构从宏观到微观，即按研究的层次，大致可分为宏观组织结构、显微组织结构、原子或分子排列结构、原子中的电子结构等。 第六页，共二十六页，2022年，8月28日 原子特性 ——原子结构 二、原子特性 （一）原子结构 在结构上，原子核是由带正电荷的粒子即质子和不带电荷的粒子即中子组成。质子数也即原子序数（Z），决定了元素的本性。核内质子和中子的总数决定了原于量。每个原子的原子核周围有电子围绕。 原子的轨道电子或电子云，能被电力、磁力和机械力所改变或干忧。这种改变和和干扰对工程材料的性能，如导电性、导热性、磁性和抗腐蚀性等产生很大的影响。 第七页，共二十六页，2022年，8月28日 原子特性——量子力学基本概念 (二)量子力学几个基本概念 1．微观粒子的波粒两象性 2．海森堡测不准原理 第八页，共二十六页，2022年，8月28日 原子特征—核外电子 （三）核外电子 电子在原子中的运动状态是由主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数，对应着一个特定的波函数ψ。在多电子的原子中，电子的分布必须遵守泡利不相容原理、能量最低原理和最多轨道原理（洪特规则）。 第九页，共二十六页，2022年，8月28日 第二节 原子间作用力和结合能 学习目标： 1.掌握原子的聚集态分类； 2.了解原子间作用力和结合能。 第十页，共二十六页，2022年，8月28日 原子的聚集态 一、原子的聚集态： 除了在某些特殊条件下之外，元素难得以原子态存在，基本上均以分子或液态及固态存在，后二者统称为凝聚态。 根据结合键的不同状态，可把凝聚态分成五大类：液体、液晶、橡胶态、玻璃态和晶态。 第十一页，共二十六页，2022年，8月28日 聚集态原子间作用力和结合能 二、聚集态原子间作用力和结合能 图3-1 势能及作用力与原子间距离的关系 第十二页，共二十六页，2022年，8月28日 聚集态原子间作用力和结合能 从图3-1可看到，当原子间距 r 很大时，原子之间的作用力很小；当原子离开得更远时（无限距离），相互间作用力趋近于零，位能也是如此。当原子间距离 r 较小时，存在着很大的吸引力，势必把原子拉在一起，当原子更接近即 r = r0 时，终于达到原子间吸引力与排斥力相平衡，换言之，力的和等于零，此时原子对的位能为最小值，该能量代表了原子间的键能，该位置是原子最稳定的构型，该间距称为平衡间距。 第十三页，共二十六页，2022年，8月28日 第三节 原子间的结合键 学习目标： 1.掌握结合键的概念； 2.了解各种结合键 第十四页，共二十六页，2022年，8月28日 原子间的结合键 原子之间的结合力，也称结合键．它主要表现为原子间吸引力和排斥力的合力结果。 结合键可大致分为两类：化学键