绪论、第一章(材料的电子结构与物理性能)PPT课件

1.主量子数 n (n =1、2、3、4……)
主量子数确定核外电子离原子核的远近和能级的高低。
2.次量子数 l (l = 0、1、2、3……)
次量子数反映的是电子轨道的形状。
在由主量子数n确定的同一主壳层上的电子的能量有差异，可分成 若干个能量水平不同的亚壳层，其数目随主量子数而定，习惯上以s、 p、d、f 表示 。
三、功能材料的特点
结构材料 功能材料
常以材料形式为最终产品，评价的是材料本身的性能。 评价的元件形式的物理性能。
材料 元、器件一体 化
四、功能材料的分类
功能材料按功能体系的分类：
功能材料
电学功能材料 磁学功能材料 光学功能材料 热学功能材料 声学和振动相关功能材料 力学功能材料 化学及能量功能材料 放射性相关功能材料 生物技术和生物医学工程材料
绪论
第一章 材料的电子结构与物理性能
Chapter 1 Electronic Structure and
Physical Properties of Materials
主要内容：
原子的电子排列 固体的能带理论与导电性 半导体 材料的超导电性 材料的介电性 材料的磁性 材料的光学性质
第一章 材料的电子结构与物理性能
主量子数 壳层序号
1
2
次量子数 量子数规定 考虑自旋量子数 亚壳层状态 的状态数目 后的状态数目
1s
1
2
2s
1
2
2p
3
6
壳层 总电子数
(2n2)
2 （＝2×12）
8 （＝2×22）
3s
1
3
3p
3
3d
5
4s
1
4
4p 4d
3 5
4f
7
2 6 10
18 （＝2×32）
2
6
32
10
（＝2×42）
14
第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.1 原子的电子排列
半导体材料：导带没有填充电子，但价带与导带之间的禁带较窄，价
带电子一旦被激发至导带则成为自由电子，因此具有一定的导电性。
本章任务：
研究电子结构，加深对物理性能的理解，建立“电子结构— —物理性能”的关系。
第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.1 原子的电子排列
第一节 原子的电子排列 一、原子的微观结构
三、关于成绩评定
1、课程成绩由平时成绩和考试成绩组成； 2、平时成绩（含出勤、实验报告），占20%，考试成绩占80%。
绪论
Introduction
主要内容：
功能材料的发展概况 功能材料的定义 功能材料的特点 功能材料的分类
绪论
一、功能材料的发展概况
材料按照性能特征和用途的分类：
“力能”
结构材料
现代功能材料
Modern Functional Materials
陈玉安
材料科学与工程学院
重要提示
一、关于课程
1、本课程是材料科学与工程专业的专业主干课； 2、本课程的先修课程是材料科学基础、材料物理； 3、本课程理论教学52学时，实验（4次）8学时。
二、关于纪律
1、旷课3次及以上，取消考试资格； 2、缺实验1次及以上，课程成绩以0分计。
对于单个原子：
单个原子的电子处在不同的分立能级或轨道上。
例如，一个原子有一个2s 能级，3个2p 能级，5个3d 能级。
不同能级之间的电子能量各不相同。 电子的能量就是其所在能级的能量。
单个原子的电子只能占据特定的轨道或能级， 在每个能级上可容许有两个自旋方向相反的电子。
各能级之间存在着能隙。 能隙是电子能量的“真空”地带。
重要的关系：
电子结构——物理性能
举例：
电子结构和电子运动状态与固体材料导电性的关系。
金属材料：导带未被电子填满，原子核对导带电子的束缚弱，导带电
子容易成为自由电子，因此具有良好的导电性；
绝缘体材料：导带没有填充电子，价带与导带之间存在很宽的禁带，
价带电子很难被激发至导带而成为自由电子，因此不具有导电性；
60年代，出现激光技术
光学材料
70年代，伴随着光电子技术的诞生
光电子材料
80年代，人工智能、能源科学受到普遍重视
……
智能材料、储能材料
新型能源材料（包括原子反应堆材料、太阳能材料、高效电池等）快 速发展，生物医学材料迅速掘起
形成了较为完善的功能材料体系
绪论
二、功能材料的定义
具有优良的电、磁、声、光、热、力学、化学和生物功能及其相互 转换的功能，被用于非结构目的的一类材料。
第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.1 原子的电子排列
fd
f
d
p s
f
d
p
能
d
p s
量
d
p s
p
ps
s s
1
2
3
4
5
6
7
主量子数n
电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况
第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性
第二节 固体的能带理论与导电性 一、能带的形成
基本原理：
二、原子核外电子的分布 三个基本原理：
泡利不相容原理
在一个原子中不可能存在四个量子数完全相同（即运动状态完全相同） 的两个电子。或者，在同一个原子中，最多只能有两个电子处在同样能 量状态的轨道中，而且这两个电子的自旋方向必定相反。
最低能量原理
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。
3.磁量子数m (m = 0、±1、±2、±3……)
磁量子数表示电子云在空间的伸展方向，它确定轨道的空间取向。
4.自旋量子数ms (ms = +1/2、-1/2)
自旋量子数表示在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。
第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.1 原子的电子排列
各电子壳层及亚壳层的电子状态
Structural materials
材料
功能材料
Functional materials
具有较高力学性能并主要用来制 造机械产品结构件的材料
具有特殊物理、化学等性能并主 要用来制造具有特定功能的元、 器件和产品的材料
“功能”
绪论
功能材料的发展历史：
20世纪50年代，随着微电子学技术的发展
半导体功能材料
最多轨道规则（洪特规则）
相同能量的轨道（也称等价轨道）上分布的电子将尽可能分占不同的 轨道，而且自旋方向相同。
作为洪特规则的特例，对于角量子数相同的轨道，当电子层结构为全充满、 半充满或全空的状态是比较稳定的。即：
全充满: p 6或d 10或f 14 ；半充满: p 3或d 5或f 7 ； 全空: p 0或d 0或f 0 。
第一章 材料的电子结构与物理性能－§1.2固体的能带理论与导电性
3s 2p 2s 1s
1原子
2原子
能带的形成
2N电子
6N电子
N原子
2N电子 2N电子