第1章原子结构和晶体结构

的结合力。
金属键没有方向性，正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正 离子间的结合力，因而金属具有良好的塑性。
金属正离子被另一种金属的正离子取代时也不会破坏结合键，这种 金属之间的溶解（称固溶）能力也是金属的重要特性。
一般来讲，金属的熔点比较高。对可见光的反射能力比较强，许多 金属容易产生腐蚀和氧化。
材料的成分（composition）和结构（structure）对于材料的 性能具有重要的影响。
微观结构是尺寸范围在～10到1000nm的材料结构。微观结构一 般包含材料的平均晶粒尺寸、晶粒尺寸分布、晶粒取向和与缺陷有 关的特征。
宏观结构是宏观水平在～>1000nm材料结构。宏观结构主要包括 气孔率，表面喷涂，内部和外部宏观裂纹等内容。
Glass temperature is a temperature above which many polymers and inorganic glasses no longer behave as brittle materials
Intermetallic compound is a compound such as Al3V formed by two or more metallic atoms
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1.1.4 原子结合键
使不同的原子、离子或分子相互结合在一起的作用力称为结合键。 一次键：包括金属键、共价键、离子键，结合力较强。 二次键：包括范德瓦耳斯键和氢键，结合力较弱。 1. 金属键（metallic bond） 2. 金属键:使正离子和电子气之间通过强烈的静电吸引力结合在一起
原子结构 ~10-10m
原子排列：长程有序
~10-10-10-9m， 有序化范围： 几cm大晶体
表1-1 结构层面
Example of
金刚石– 刀具刃口涂层 PZT锆钛酸铅-点燃气体
原子排列：长程有序 非晶硅 -光纤通讯工业 ~10-10-10-9m
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Table 1.1 (Continued)
Level of Structure Example of Technologies
The atomic mass of an element is equal to the average number of protons and neutrons in the atom.
The Avogadro number of an element is the number of atoms or molecules in a mole.
II-VI semiconductor is a semiconductor that is based on group 2B and 6B elements (e.g. CdSe).
Transition elements are the elements whose electronic configurations are such that their inner “d” and “f” levels begin to fill up.
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例题1-1 银中的原子数的计算
计算100g银中的原子数
例题1-1 解答：
银中的原子数=
(100
g )( 6.023
10 23
) atoms mol
(107 .868
) g mol
=5.58 1023
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1.1.3 The Periodic Table元素周期表
III-V semiconductor is a semiconductor that is based on group 3A and 5B elements (e.g. GaAs).
To examine the relationships between structure of atoms-bonds-properties of engineering materials.
Learn about different levels of structure i.e. atomic structure, nanostructure, microstructure, and macrostructure.
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1.1.3 元素周期表The Periodic Table
碳（金刚石型）的熔点最高，碳元素下面的元素的熔点一般会降低 ，例如硅（Si）（1410℃），硒（Ge）（937℃），锡(Sn)(232℃),铅 （Pb）（327℃）。注意铅的熔点比锡高。所以元素周期表可以告诉 我们性能变化的趋势而不是准确变化。
陶瓷（主要是从1族到5A族多种元素的结合，例如O、C和N）
金属材料（主要是1、2族和过渡族元素）
当前热门的半导体一般在4A族，例如硅（Si），金刚石（C）， 硒（Ge），而硒化镉（CdSe）是2B族的镉（Cd）和6A族的硒（Se ）元素的结合的，被称为Ⅱ－Ⅵ半导体(semiconductors)。同样砷 化镓（GaAs）被称为Ⅲ－Ⅴ半导体，因为砷是3A族，镓是5A族。 过渡族元素(transition element )钛(Ti)、钒(V)、铁(Fe)、镍(Ni)、 钴(Co)等元素对磁性材料和光学材料非常重要，因为它们都具有多 种化合价。
许多纯金属具有良好的导热性，可用于热交换器上。
金属导电性以及金属晶体中原子的密集排列等，都直接起因于金属 键结合。
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Figure 1-2 金属键
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When voltage is applied to a metal, the electrons in the electron sea can easily move and carry a current
原子结构包括构成材料整体的所有的原子和原子排列。在材料整体 的内部存在着纳米、微观和宏观结构。
根据原子排列的特点，可以区分材料是非晶体还是晶体。非晶体中 原子或离子具有短程有序，长程无序的排列。晶体中原子或离子具 有短程和长程均有序的排列。
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Level of Structure Technologies
Electropositive element is an element whose atoms want to participate in chemical interactions by donating electrons and are therefore highly reactive.
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Chapter Outline
1.1原子的结构 1.2原子和离子排列 1.3晶体结构的表示方法 1.4纯金属的晶体结构 1.5晶胞中的点、晶向和晶面 1.6间隙 1.7离子晶体结构和共价晶体结构
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The Structure of Materials: Technological Relevance
材料科学基础
李谦– 宁向梅主讲
Chapter 1 –原子结构和晶体结构
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Objectives of Chapter 1
The goal of this chapter is to describe the underlying physical concepts related to the structure of matter.
Ductility refers to the ability of materials to be stretched or bent without breaking
Van der Waals interactions: London forces, Debye interaction, Keesom interaction
To learn classification of materials based on atomic/ionic arrangements
To describe the arrangements in crystalline solids based on lattice, basis, and crystal structure
Figure 金属导电性
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1.1.4 原子结合键
2. 共价键（covalent bond）
价电子数为4或 5个的ⅣA、V A族元素，相邻原子间可以共同组成 一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共用 ，利用共用电 子对来达到稳定的电子结构。这种由共用电子对所产生的结合键叫 做共价键。
纳米结构 ~10-9-10-7m 1-100nm）
纳米氧化铁-铁磁流体
微观结构 ~10-8-10-6m （10-1000nm）
金属和合金的机械性能
宏观结构 ~>10-4m （1000nm）
汽车防腐蚀涂层
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Section 1.1.2 The Structure of the Atom
The atomic number of an element is equal to the number of electrons or protons in each atom.
元素周期表可以帮助我们预计元素和化合物的性能变化和更合理地 设计设计材料。所以元素周期表对科学家和工程师都非常有用。
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Figure (a) and (b) Periodic Table of Elements
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1.1.4 原子结合键
Metallic bond, Covalent bond, Ionic bond, van der Waals bond are the different types of bonds.

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1.1.3 The Periodic Table元素周期表
元素周期表是按照元素的电子结构构建成的。周期表上水平各排 称为周期，它对应于相应的壳层和主量子数。周期表上竖的各列 称为族，它对应于相应的外壳层电子数和最常见的化合价。同一 族元素具有相同的外壳层电子数。工程上主要应用的材料：