材料科学导论

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1、第1章原子结构与键合决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子 或分子在空间的排列分布和运动规律，原子集合体的形貌特征等。物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的。原子结构中的电子结构一一决定了原子键合的本身。1.1 原子结构1.1.1 物质的组成一切物质是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒。分子的体积很小，如H2O分子的直径约为0.2nm。而分子的质量则有大有小：H2分子是分子世界中最小的，它的相对分子质量只有2,而天然高分子化

2、合物蛋白质可高达几百万。分子是由一些更小的微粒一一原子所组成的。在化学变化中，分子可以再分成原子，而原子却不能再 分，原子是化学变化中的最小微粒。量子力学中，原子并不是物质的最小微粒。它具有复杂结构。原子结 构直接影响原子间的结合方式。1.1.2 原子的结构原子由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成。 原子的体积很小，原子直径约为10 10 m数量级，原子核直径为10小m数量级。原子的质量主要在原子核内。 每个质子和中子的质量大致为1.67 10 2g,电子的质量约为 9.11 10?8 g,为质子的1/1836。原子呈电中性。原子核带正电(质子带正电，中子不 带电)，电子带负电(1.

3、6022 M0F9 C),电子和质子数目相等。原子核与电子的结合力为静电力。1.1.3 原子的电子结构电子云：电子在原子核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围。能量低的，通常在离核近的区域(壳电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能 量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。 层)运动；能量高的，通常在离核远的区域运动。原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：钠原子结构中K、L和M量子壳层的电子分布(1)主量子数n决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层，只限于正整数 1

4、, 2, 3, 4,量子壳层用一个大 写英文字母表不。n = 1为最低能级量子壳层， 最靠近核的轨道，K壳层，n =2, 3, 4等依次为L, M, N壳层等。(2)轨道角动量量子数l给出电子在同一量子壳层内所处的能级(电子亚层)，与电子运动的角动量有关，取值为0, 1, 2, , n-1。n = 2,有两个轨道角动量量子数 l2 = 0和l2 = 1 ,即L壳层中，根据电子能量差别，还包含有两个电 子亚层。常用小写的英文字母来标注对应于轨道角动量量子数li的电子能级(亚层)：li : 0 1 2 3 4 能级：s p d f g 在同一量子壳层里，亚层电子的能量是按s, p, d, f, g

5、的次序递增的。不同电子亚层的电子云形状不同，如s亚层的电子云是以原子核为中心的球状，p亚层的电子云是纺锤形 (3)磁量子数mi给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。每个li下的磁量子数的总数为 2li + 1。对于li = 2的情况，磁量子数为 2 X2 + 1 = 5,其值为-2,-1, 0, +1, +2。磁量子数决定了电子云的空间取向。如果把在一定的量子壳层上具有一定的形状和伸展方向的电子云 所占据的空间称为一个轨道，那么s, p, d, f四个亚层就分别有1, 3, 5, 7个轨道。（4）自旋角动量量子数 Si11反映电子不同的自旋万向。Si规定为和 一，反映电子顺时针和逆时针两种

6、自旋方向，用“ 了和22在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。电子总是先占据能量最低的壳层，只有当这些壳层布满后，电子才依次进入能量较高 的壳层，即核外电子由内往外依次按K、L、M层排列；在同一电子层中，电子则依次按s, p, d, f的次序排列。泡利（Pauli）不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，即不能有上述四个量子数都相同的两个电子。 主量子数为n的壳层，最多 容纳2n2个电子。洪德（Hund）定则：Ee期1 Z 3 i 567Pnnnpai.在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能

7、级，而且自旋方向相同。 当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。d和f能级开始被填充的情况下，相邻壳层的能极有重叠现象。例如，原子序数为26的铁原子理论上其电子结构应为: 实际上铁原子的电子结构却为：4s的能量水平反而低于3d; 5s的能量也低于1s2 2s? 2p 3 3pE4s2 i4d, 4f。必须注意：电子排列并不总是按上述规则依次排列的，特别在原子序数比较大,它偏离了理论电子结构，未填满的3d能级使铁产生磁性行为。需要强调的一点：对单个原子亦即孤立原子，其电子处在不同的分立能级上，可通过求解薛定谓方程,由4个量子数组（n li mi s）来描述其运动状态

8、。但是，当大量的原子构成固体后，固体中电子不再 束缚于个别的原子，而是在整个固体内运动， 各个原子的能级因电子云的重叠而形成近似连续变化的能带。 由于在固体中存在大量的电子，它们的运动是相互关联的，每个电子的运动都要受其他电子运动的牵连， 因此这种多电子系统严格的解显然是不可能的。能带理论的建立帮助解决这一多电子系统的复杂问题。固 体能带理论是目前凝集态物理，特别是研究固体中电子运动的基础理论，固体的许多性质，如电学特性、 磁性能等都与固体的电子结构密切相关。1.1.4元素周期表元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。元素周期律：元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增而

9、呈周期性的变化 规律。元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位 置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。同一周期中各元素的原子核外电子层数相同，从左到右：核 电荷数依次增多，原子半径逐渐减小，电离能趋于增大，失电子能力逐渐减弱，得电子能力逐渐增强，金 属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。同一主族中从上到下：电子层数增多，原子半径增大，电离能一般趋 于减小，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱，金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。另外，同一 元素的同位素在周期表中占据同一位置，尽管其质量不同，但它们的化学性质完全相同。从元素周期表中可了解一种原子与其他

10、元素化合的能力。元素的化合价跟原子的电子结构，特别是与其最外层电子的数目（价电子数）密切相关，而价电子数 可根据它在周期表中的位置加以确定。总之，元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者有着密切的关系。可根据元素在周期表中 的位置，推断它的原子结构和一定的性质；反之亦然。1.2原子间的键合原子通过结合键可构成分子，原子之间或分子之间也靠结合键聚结成固体状态。结合键可分为化学键和物理键两大类。化学键，主价键，包括金属键、离子键和共价键；物理键，次 价键，范德瓦耳斯力。此外，还有氢键，其性质介于化学键和范德瓦耳斯力之间。1金属键金属键示意图金属原子结构的特点一一最外层电子数很少，且原属于各个

11、原子的价 电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，并在整个晶体内运动，即弥 漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云。金属键：由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合。绝大多数金属均以金属键方式结合。特点：电子的共有化。既无饱和性又无方向性，每个原子有可能同更多的原子相结 合，趋于形成低能量的密堆结构。性质：良好的延展性、导电、导热性能。2离子键NaCl离子键的示意图大多数盐类、碱类和金属氧化物。实质：静电引力，正负离子为结合单元。特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子作相间排列，并 使异号离子之间吸引力达到最大，而同号离子间的斥力为最小，无方向性， 无饱和性。性质：熔点和

12、硬度均较高（一般离子晶体中正负离子静电引力较强， 结合牢固）。良好电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下 可以自由运动，此时即呈现离子导电性。3共价键实质：共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。非极性键：共用电子对在两成键原子之间。极性键：共用电子对偏离或偏近某一成键原子。共价键在亚金属（碳、硅、锡、错等）氢分子中两个氢原子的结合是最典型的共价键（非极性键） 聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。特点：饱和性 配位数较小，方向性（s亚层电子呈球形对称除外）共价键的方向性：除 s亚层的电子云呈球形对称外，其他亚层如p, d等的电子云都有一定的

13、方向性。在形成共价键时，为使电子云达到最大限度的重叠，键的分布严格服从键的方向性；共价键的饱和性：当一个电子和另一个电子配对以后，就不再和第三个电子配对了，成键的共用电子 对数目是一定的。另外，共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极为牢固，故共价晶 体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。由于束缚在相邻原子间的“共用电子对”不能自由地运动，共 价结合形成的材料一般是绝缘体，其导电能力较差。4范德瓦耳斯力原子或分子由于近邻原子的相互作用引起电荷位移而形成偶极子。范德瓦耳斯力是借助这种微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来具有稳定的原子结构的原子或 分子结合为一体的键合

14、。静电力：是由极性原子团或分子的永久偶极之间的静电相互作用所引起的，其大小与绝对温度和距离的7次方成反比；诱导力：是当极性分（原）子和非极性分（原）子相互作用时，非极性分子中产生诱导偶极与极性分子的永久偶极间的相互作用力，其大小与温度无关，但与距离的7次方成反比；00 : O-V-V幌子或分子偶极色散力是由于某些电子运动导致原子瞬时偶极间的相互作用力，其大小与温度无关，但与距离的7次方成反比，在一般非极性高分子材料中，色散力甚至可占分子间范德瓦耳斯力的80%100%。属物理键，系次价键，没有方向性和饱和性。键能比化学键的小12个数量级，远不如化学键结合牢固。普遍存在于各种分子之间，对物质的性质

15、，如熔点、沸点、溶解度等的影响很大，注意，高分子材料的相对分子质量很大，其总的范德瓦耳斯力甚至超过化学键的键能，故在去除所有 的范德瓦耳斯力作用前化学键早已断裂了。所以，高分子往往没有气态，只有液态和固态。范德瓦耳斯力也能在很大程度上改变材料的性质。不同的高分子聚合物之所以具有不同的性能，分子间的范德瓦耳斯力不同是一个重要的因素。5氢键裸露的原子核与近邻分子的负端相互吸引一一氢桥氢键是一种极性分子键，存在于HF, H2O, NF3等分子间。由于氢原子核外仅有一个电子，在这些分子中氢的唯一电子已被其他原子所共有，故结合的氢端就裸露出带正电荷的原子核。这样它将与邻近分子 的负端相互吸引，即构成中间桥梁，故又称氢桥。氢键具有饱和性和方向性。属于次价键。因它也是靠原子（分子或原子团）的偶极吸引力结合在一起的。键能介于化学键与范德 瓦耳斯力之间。氢键可以存在于分子内或分子间。氢键在高分子材料中特别重要，纤维素、尼龙和蛋白质 等分子有很强的氢键，并显示出非常特殊的结晶结构和性能。注意：实际材料中单一结合键的情况并不多见，大部分材料内部原子间结合往往