材料科学基础(上海交大)_原子与结构键合
大学 考研 笔记 上海交通大学材料科学基础教学大纲
一、课程基本信息1、课程代码：MT3112、课程名称（中/英文）：材料科学基础/Fundamentals of Materials Science3、学时/学分：108/64、先修课程：普通物理、普通化学、物理化学、材料科学导论5、面向对象：材料科学与工程类专业、冶金类专业和机电类专业6、开课院（系）、教研室：材料科学系7、教材、教学参考书：(1).胡赓祥、蔡珣材料科学基础, 上海交通大学出版社2000(2).胡赓祥、钱苗根主编金属学上海科学技术出版社1980(3).卢光熙、候增寿主编金属学教程上海科学技术出版社1985(4).徐祖耀、李鹏兴材料科学导论上海科学技术出版社1986(5).田凤仁无机材料结构基础冶金工业出版社1993(6).R.E.Smallman, Modern Physical Metallurgy (4th ed.), London Butterworths, 1985(7).A.G.Guy, Introduction to Material Science, New York:McGraw-Hill,1972(8).L.H.Van Vlack, Elements of Materials Science and Engineering, Addison-WesleyPublishing Co.5th ed.,1985(9).William F. Smith,Principles of Materials Science and Engineering,McGraw-Hill,1986(10).何曼君高分子物理复旦大学出版社二、课程性质和任务《材料科学基础》是材料类和冶金类专业的一门主干课，也是该专业的主要技术基础课。
通过讲课、实验、课堂讨论和课外实践等各个教学环节，将金属学、陶瓷学和高分子物理的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指导材料的设计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。
【热点】上海交大考研材料科学基础总结
第1章原子结构和键合1.1原子结构1.1.1物质的组成（Substance Construction ）物质由无数微粒（Particles ）聚集而成分子（Molecule ）：单独存在 保存物质化学特性dH2O=0.2nm M(H2)为2 M （protein ）为百万原子（Atom ）： 化学变化中最小微粒1.1.2原子的结构1.1.3原子的电子结构核外电子排布遵循以下3个原则：1.1.4元素周期表⎧⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎪⎨⎪⨯⎪⎪⎩-27-27-31（proton）（neutron）质子：正电荷m＝1.6726×10kg 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电中子：电中性m＝1.6748×10kg 电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（ele ctron cloud ） m ＝9.109510kg，约为质子的1/1836i i n K L M N l (the orbital quantum number)主量子数（the principal quantum number)： 决定原子中电子能量和核间距离(the energy of the electron)， 即量子壳层，取正整数1、2、3、4、5?…， 用、、、……表示轨道动量量子数： 给出电子在同一量子壳层内所处的能级, 与电子运动的角动量有i n 1, s p d f m the inner quantum number)(spatial orientation of an electron cloud)1),1,0,⋅⋅⋅⋅⋅⋅--⋅⋅⋅⋅⋅⋅-i i 关(shape of the electron subshell)， 取值为0，1，2，用，，，……表示磁量子数( ：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向， 取值为-l ，-(l i 1,s the spin quantum number)⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⋅⋅⋅⋅⋅⋅⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩i l 自旋角动量量子数( ： 表示电子自旋（spin moment ）的方向，11取值为＋或-22不可能有运动状态完全相同的电子， 同一亚层中电子尽量分占不同能级，2能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s -2s -2p -3s -3p -4s -3d -4p -5s -4d -5p -Pauli 不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n Hund 原则（Hund' Rule)自⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎩全充满半充满 全空旋方向相同 −−−−−−−−−−−→−−−−−−−−−−−−→电离核电荷↑，原子半径↓能↑，失电子能力↓，得电子能力↑最外层电子数相同，电子层数↑，原子半径↑电离能↓，失电子能力↑，得电子能力↓同周期元素：左右，金属性↓，非金属性↑同主族元素：上下，金属性↑，非金属性↓1.2原子间的键合1.2.1金属键（Metallic bonding ）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron ）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron ），形成电子云（electron cloud ）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好1.2.2离子键（Ionic bonding)实质： 金属原子 带正电的正离子（Cation ）非金属原子 带负电的负离子（anion ）特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体1.2.3共价键（covalent bonding ）亚金属（C 、Si 、Sn 、 Ge ），聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成特点：饱和性 配位数较小 ，方向性（s 电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差1.2.4范德华力（Van der waals bonding)包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force) 属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质1.2.5氢键（Hydrogen bonding ）极性分子键 存在于HF 、H2O 、NH3中 ，在高分子中占重要地位，氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥介于化学键与物理键之间，具有饱和性1.3高分子链（High polymer Chain)⎧⎨⎩键电对键键两键间极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子非极性（Nonpolar bonding): 位于成原子中⎧⎨⎩链结构（Chain Structure)高分子结构聚集态结构（Structure of aggregation state)1.3.1高分子链的近程结构1.结构单元的化学组成（the Chemistry of mer units)2.高分子链的几何形态（structure ）热塑性：具有线性和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工再成型热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化后不能再改变形状，无法再生3.高分子链的键接方式4.高分子链的构型（Molecular configurations ）o 线热变软动热链联线胶联变强韧状性高分子（linear polymers）: 加后，甚至流，可反复加工－ 塑性（therm plastic）支高分子（branched polymers）：交高分子（crosslinked polymer）：性天然橡用S交后耐磨体型（立体网）高分子（network on three -dimensional poly ⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩mer)1.3.2高分子链的远程结构1.高分子的大小2.高分子链的内旋转构象主链以共价键联结，有一定键长 d 和键角θ，每个单键都能内旋转（Chain twisting ）故高分子在空间形态有mn-1( m 为每个单键内旋转可取的位置数，n 为单键数目)※ 键的内旋转使得高分子存在多种构象统计学角度高分子链取 伸直（straight ）构象几率极小，呈卷曲（zigzag ）构象几率极大3.影响高分子链柔性的主要因素（the main influencing factors on the molecular flexibility ）高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility ）处链两侧两单处链边体间无规（syndisotactic configurations): （isotactic configurations):（atactic configuration R取代基交替地在主平面， 即旋光异构元交替R取代基全在主平面一， 即全部由一种旋光异构同立构全同立构立构⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩链两侧规则s):R取代基在主平面不排列⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩链结响决内势垒从酰响链链对称积响联响联单键内转碍联时主构的影：起定性作用,C -O,C -N,Si-O 旋的比C -C低，而使聚酯， 聚胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好取代基的影：取代基的极性，沿分子排布距离，在主上性，体均有影交的影：因交附近的旋受阻，交度大，柔性↓↓第2章固体结构2.1晶体学基础（Basis Fundamentals of crystallography）晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列（periodic repeated array），即存在长程有序（long-range order）性能上两大特点：1.固定的熔点（melting point）,2.各向异性（anisotropy）2.1.1空间点阵和晶胞※空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵（space lattice）特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)※晶胞（Unite cells）代表性的基本单元（最小平行六面体）small repeat entities选取晶胞的原则：Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
材料科学基础第一章原子结构与键合
7、原子质量素12C的原子质量的1/12 1 amu/atom (or molecule) = 1 g/mol
1.1.2 原子中的电子
电子的确定：
法拉第（Faraday）的电解电池实验，电子作为一个粒子的 概念开始产生； 1891年，斯托尼（Stoney）提出“电子”名称，表示电量单 位； 1897年，Thomson 阴极射线管实验，测定电子质量约为氢原 子质量的1/1840； 1909年，密利根（Millikan）油滴实验，测定电子电荷e。
Johannes Diderik Van der Waals (1837 – 1923) The Nobel Prize in Physics 1910 "for his work on the equation of state for gases and liquids"
偶极子（Dipoles）间的范德瓦尔键 一些高分子材料和陶瓷，它们的分子往往具有极性，即 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分则往往带负电 荷。一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位 间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起，这种结合 方式称为范德瓦尔键，也称“分子键”。
离子键 与 共价键
离子键与共价键可共存； 2种键的存在取决于不同元素在周期表中相对位置
及电负性；
原子间距愈远，电负性差愈大，离子键性愈强
0.25(XA XB ) 2
%离子键性 = [1 e
] 100
XA，XB为元素的电负性
金属键 Metallic Bonding
当金属原子处于聚集状态时，几乎所有的原子都将它们的价 电子贡献出来，为整个原子集体所共有，形成所谓“电子 云”。贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电 子间产生静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。
材料科学基础ppt精品课件--原子结构与键合解读
conductivity） 。
2. 正的电阻温度系数。 绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电阻突然 下降，趋近于零。 3. 良好的塑性（plasticity）变形能力，金属材料的强度（strength）和 韧性好。 金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发 生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。 4. 不透明并呈现特有的金属光泽 金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。
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第一章 原子结构与键合
1.2 原子间的键合
结合键：使不同的原子、离子、分子结合在一起的结合力。 结合键(binding bond)分为两大类：
化学键（主价键、一次键）：通过外层轨道电子的转移或共
享，在相邻原子之间形成的强键。包括金属键、离子键、共价 键 。 键力由弱到强。
物理键（次价键、二次键）：在原子和分子间由由诱导或永
久电偶极子相互作用而产生的附键。包括范德华力、氢键。
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第一章 原子结构与键合
1.2.1 金属键(metallic bond) （链接）
自由电子—金属正离子间强烈的静电吸引力
特点：电子共有化，无饱和性，无方向性，形成低能量密堆 结构。
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第一章 原子结构与键合
金属的特性
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第一章 原子结构与键合 1.1.3 原子的电子结构 电子云(election atmosphere) ———
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数表示
• 核外电子的排布规律
Fundamentals of Materials Science and Engineering(上海交大最新版)
Fundamentals of Materials Science and Engineering第一章原子结构一. 波尔原子模型：1.在任意轨道上绕核运动，在一些符合一定量化的轨道上运动2.电子离核越远，原子所含能量越高，电子尽可能在离核较近的轨道上3.电子只有从较高能级跃迁到较低能级才以光子形式释放能量波动力学模型：量子力学模型量子力学是建立在微观世界的量子性和微粒运动统计性基本特征上，在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做薛定谔方程，是由奥地利科学家薛定谔（E.Schrödinger 1887-1961）在1926年提出来的。
薛定谔方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标，它的因变量是电子波的振幅（ψ）。
给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、合理的条件时，薛定谔方程得到的每一个解就是核外电子的一个定态，它具有一定的能量，具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式ψ=f(x,y,z)，称为振幅方程或波动方程。
二. 能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低三. 泡利不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子四. 洪德原则：在同一个亚层中，各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。
五. 原子键合：1.金属键：定义：金属中的电子与金属正离子相互间结合构成的键合特点：1.无方向性无饱和性2.电子公有化3.良好的延展性4.导电导热性，金属光泽2.离子键：定义: 金属将最外层的电子给予非金属原子，是自己成为带正电的正离子，而得到价电子的非金属成为带负电的负离子，正负离子靠静电引力相互结合在一起构的键合特点：1.以离子为结合单元，而不是原子2.无方向性无饱和性3.配位数高，熔点硬度高，绝缘体3.共价键：定义：由两个或多个电负性相差不大的原子相互结合在一起形成共用电子对而形成的键合特点：1.方向性，饱和性2.共用电子对3.熔点高，质硬脆，结构稳定，导电能力差。
材料科学基础第1章原子结构和键合
原子能量与原子间距的关系
1.2.5 结合键与性能 1.物理性能 熔点的高低代表了材料稳定性程度。共、离子键化合物的Tm较高。 密度与结合键有关。多数金属有高的密度，原因为金属有较高的相对原子质量，金属键结合没有方向性，原子趋于密集排列 导热、导电性 2.力学性能 弹性模量与结合能有较好的对应关系。 强度 塑性
原子结构
原子结构(atomic structure) 原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成。 原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大。
核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauli principle)、Hund规则(Hund ’s rule)。
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金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键
陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合
一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力
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聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键
1.2.3 混合键 （补充）
1.2.4 结合键的本质及原子间距（补充） 原子间距：两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，两原子便稳定在此相对位置上，这一距离r0相当于原子间的平衡距。 把两个原子平衡距离下的作用能称为原子的结合能（E）。结合能的大小相当于把两原子分开所需做的功，E越大，原子结合越稳定。离子键、共价键的E最大；金属键的次之；范德华力的最小。
1.2.1 化学键（主价键、一次键） 1. 金属键(metallic bond) 1）自由电子—弥漫于金属正离子间 金属原子的外层电子数比较少，且各个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。 2）定义：由金属正离子和自由电子之间互相作用所构成的键合称为金属键。 3）特点： 电子共有化，无饱和性，无方向性。 4）可以解释金属的一些特征：
材料科学基础-上海交大第二版
1.固相烧结：固态粉末在适当的温度，压力，气氛和时间条件下，通过物质与气孔之间的传质，变为坚硬、致密烧结体的过程。
液相烧结：有液相参加的烧结过程。
2.金属键:自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。
3.离子键：金属原子自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样正负离子靠它们之间的静电引力结合在一起。
共价键：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。
氢键：由氢原子同时与两个电负性相差很大而原子半径较小的原子（O，F，N等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力。
弗兰克缺陷：间隙空位对缺陷肖脱基缺陷：正负离子空位对的奥氏体：γ铁内固溶有碳和(或)其他元素的、晶体结构为面心立方的固溶体。
布拉菲点阵:除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置所构成的点阵。
不全位错：柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。
玻璃化转变温度：过冷液体随着温度的继续下降，过冷液体的黏度迅速增大，原子间的相互运动变得更加困难，所以当温度降至某一临界温度以下时，即固化成玻璃。
这个临界温度称为玻璃化温度Tg。
表面能:表面原子处于不均匀的力场之中，所以其能量大大升高，高出的能量称为表面自由能（或表面能）。
半共格相界：若两相邻晶体在相界面处的晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完全的一一对应，于是在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配，这样的界面称为半共格界面或部分共格界面。
柏氏矢量:描述位错特征的一个重要矢量，它集中反映了位错区域内畸变总量的大小和方向，也使位错扫过后晶体相对滑动的量。
柏氏矢量物理意义：①从位错的存在使得晶体中局部区域产生点阵畸变来说：一个反映位错性质以及由位错引起的晶格畸变大小的物理量。
②从位错运动引起晶体宏观变形来说：表示该位错运动后能够在晶体中引起的相对位移。
部分位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错包晶转变：在二元相图中，包晶转变就是已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变。
材料科学基础第1章原子结构与键合
第1章 原子结构和键合
材料科学基础第1章原子结构和键合
决定材料性质最为本质的内在因素： 组成材料各元素原子结构，（原子） 原子间相互作用，相互结合，（键合） 原子或分子在空间的排列，（晶体结构） 以及原子集合体的形貌特征，（显微组 织）
材料科学基础第1章原子结构和键合
1.2 原子间的键合
化学键影响物质的化学性质（主）和 物理性质 范德华力影响物质的物理性质（熔、沸 点及溶解度等） 分子间范德华力越大，熔沸点越高
材料科学基础第1章原子结构和键合
思考？夏天经常见到许多壁虎在墙壁或天花板上爬行， 却掉不下来，为什么？ 壁虎为什么能在天花板土爬行自如?这曾是一个困扰 科学家一百多年的谜。用电子显微镜可观察到，壁虎 的四足覆盖着几十万条纤细的由角蛋白构成的纳米级 尺寸的毛。壁虎的足有多大吸力?实验证明，如果在一 个分币的面积土布满100万条壁虎足的细毛，可以吊起 20kg重的物体。近年来，有人用计算机模拟，证明壁 虎的足与墙体之间的作用力在本质上是它的细毛与墙 体之间的范德华力。
冰是一种典型的氢键晶体，水分子 H2O之间主要靠氢键 相结合，氢原子不但与一个氧原子形成共价键，而且还 和另一个水分子中氧原子相吸引，但后者结合较弱。冰 有许多相，图2-1-3是冰的一种结构。氢键和范德瓦尔斯 键都是弱键，但前者较后者略强一些。
材料科学基础第1章原子结构和键合
范德华力、氢键和共价键的对比
+ b) –
极化分子
间的作用力
c)
a)理论的电子云分布 b)原子偶极矩的产生 c)原子（或分子）间的范德瓦耳斯键结合
材料科学基础第1章原子结构和键合
影响范德华力大小的因素 ①结构相似的分子，相对分子质量 越大，范德华力越大。如卤素单质 ②分子极性越强，范德华力越大
【上海大学考研849】材料科学基础-笔记资料
上海大学材料科学基础笔记第一章原子结构与键合概述：了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。
第一节原子结构1.物质的组成物质是由无数微粒按一定方式聚集而成的，这些微粒可能是原子、分子或离子；分子是能单独存在且保持物质化学特性的一种微粒；原子是化学变化中的最小微粒。
2.3.原子的电子结构电子的状态和在某处出现的机率可用薛定谔方程的解/波函数来描述，即原子中每个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：a主量子数（n）：决定原子中电子的能量及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层。
如K、L、M…；b 轨道角动量量子数（l ）：表示电子在同一壳层内所处的能级，与电子运动的角动量有关。
如s 、p 、d 、f…；c 磁量子数（m ）：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数，为2l+1,决定电子云的空间取向；d 自旋角动量量子数（s ）：反映电子不同的自旋方向，其值可取±21。
核外电子的排布规则：a 能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低；b Pauling 不相容原理：在一个原子中，不可能有上述运动状态完全相同的两个电子；c Hund 规则：在同一个亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同； 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；元素的外层电子结构随着原子序数的递增而呈周期性的变化规律称为元素周期律；元素周期表是元素周期律的表现形式；元素的性质、原子结构和该元素在第二节 原子间的键合1.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称金属键。
特定：电子共有化、既无饱和性又无方向性。
由于金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。
当金属受力变形而改变原子间的相互位置时，不至于破坏金属键，这就使金属具有良好的延展性，并且由于自由电子的存在，金属一般具有良好的导电和导热性能。
材料科学基础第一章原子结构与键合ppt课件
原那么上，只需给定了势函数V，就可 以解出波函数，进而求出能量 E、角动量 L 等物理量。关于在各种情况下薛定谔方程 的解法可参看量子力学教程。
对于孤立原子，每个电子都是在核和 其他电子的势场中运动。假设将势场看成 是有心力场，求解薛定谔方程，就可得到 波函数和相关的物理量〔如 E，L 等〕。所 得公式中包含 4 个只能取定值的参数：n， li，mi 和 si。
第一章 原子构造与键合 (Atomic structure
and interatomic bonding)
本章要讨论的主要问题是： 为什么原子能结合成固体？ (2) 资料中存在哪几种键合方式？ (3) 决议键合方式的主要要素有哪些？ (4) 资料的哪些性能和其键合方式有亲密的关系？
第一节 原子结构
(3)轨道磁量子数 mi mi 决议了轨道角 动量在外磁场方向的投影值，mi = 0，±1， ±2，…，±li，根据 mi 的取值，限制了s， p，d，f 次壳层的轨道数分别为 1，决议了自旋角 动量在外磁场方向的投影值，si = ±1/2， 只能取两个值。
可以以为 n 和 k 分别决议了椭圆的长 轴和短轴，而 k/n 那么决议了椭圆的偏心率。
二、动摇力学〔Wave-Mechanics〕实际和近代原 子构造模型
玻尔实际虽然能定性地解释原子的稳定性 〔定态的存在〕和线状原子光谱，但在细节和定 量方面仍与实验现实有差别。特别是，它不能解 释电子衍射景象，由于它依然是将电子看作为服 从牛顿力学的粒子，不过附加了两个限制条件， 即能量的分立性和角动量的量子化条件，从实际 上讲这是不严密的。
如图1-301是离子化合物 NaCl 离子键表示图。红色球代 表 Cl-离子，灰色球代表Na＋离 子。离子键主要依托它们之间的 静电引力结合在一同，因此离子 键的特点是：键力较强、结合结 实。因此其熔点和硬度均较高。 另外，在离子晶体中很难产生自 在运动的电子，因此，它们都是 良好的绝缘体。
上海交大材料科学基础知识点总结
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1 原子结构2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
上海交大材料科学基础考研胡赓祥《材料科学基础》资料
上海交大材料科学基础考研胡赓祥《材料科学基础》资料1.1 复习笔记【知识框架】一、原子结构1物质的组成特点：物质是由分子、原子或离子等微粒按特定的方式聚集而成。
（1）分子是能保持物质化学特性并能单独存在的一种微粒。
（2）分子有大有小，由更小微粒原子组成。
原子是化学变化中的最小微粒，但原子并不是最小的微粒。
（3）原子具有复杂的结构。
2原子的结构（1）如表1-1-1所示为构成原子的粒子及其特点。
表1-1-1 构成原子的粒子及其特点（2）核电荷数＝核内质子数＝核外电子数，质量数＝质子数＋中子数。
3原子的电子结构（1）电子结构电子云：用于形象的描述核外电子的运动特征（电子在核外空间作高速旋转运动，没有固定轨道，只能用统计方法判断其在某一区域出现的概率，故而以“电子云”加以形容）。
电子的波粒二象性：电子具有波动性又具有粒子性。
现代物理学中，用薛定谔方程来反映微观粒子的运动，即用4个量子数来确定核外电子的空间位置。
①如表1-1-2所示为四种量子数的定义及取值。
表1-1-2 四种量子数的定义及取值图1-1-1 钠（原子序数为11）原子结构中K，L和M量子壳层的电子分布状况②不同亚层电子的能量依次递增，电子云的形状也各不相同（例如，s亚层为球状，p亚层为纺锤状）。
③如表1-1-3所示为量子数和原子轨道的关系。
表1-1-3 量子数和原子轨道的关系（2）核外电子排布规律遵循的原则①能量最低原理：电子的排布尽可能使体系的能量最低。
②泡利（Pauli）不相容原理：原子中不存在运动状态完全相同的两个电子。
③洪德（Hund）定则：同一亚层各个能级中，电子排布尽可能占据不同能级，且自旋方向相同。
【扩展】如表1-1-4所示为宏观运动与微观运动的比较。
表1-1-4 宏观运动与微观运动的不同4元素周期表（1）元素：具有相同核电荷数（核内质子数）的同一类原子的总称。
（2）元素周期律：随着原子序数的递增，元素核外电子结构呈现周期性的变化规律。
材料科学基础(上海交大)第1章原子结构与键合4
图1.9
3）共聚物的结构
由两种或两种以上单体单元所组成的高分子称为共
聚物。
4）高分子链的构型 链的构型是指分子中由化学键所固定的几何排列， 这种排列是稳定的，要改变构型必须经过化学键的断
不同的共聚物结构，对材料性能的影响也各不相同。
裂和重组。
构型不同的异构体有旋光异构和几何异构两种。
3. 旋光异构体
图1.2 元素周期表
1.2 原子间的键合
1.2.1 金属键
金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构 成键合称为金属键（图1.3-1.4）。金属键的基本特 点是电子的共有化。 金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子 有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的 密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互 位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良 好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般 都具有良好的导电和导热性能。
3. 磁量子数mi 磁量子数m 决定原子轨道在空间的取向。它的 取值为0,±1，±2,±3因此有2l+1种取向。
l =0时，m只能取0，s亚层只有1个轨道； l =1时，m可取-1、0、+1，p亚层有3个轨道。
同理，d亚层有5个轨道，f亚层有7个轨道。n和l 相同，但m不同的各原子轨道的能量相同，称为 简并轨道或等价轨道。
材料与化学化工学院
第1章 原子结构与键合
1.1
1.2 1.3
原子结构
原子间的键合 高分子链
重点和难点
• 描述原子中电子的空间位置和能量的四个量子数
• 核外电子排布遵循的原则
• 元素性质、原子结构和该元素在周期表中 的位置， 三者之间的关系
• 原子间结合键分类及其特点
• 高分子链的近程和远程结构
上海交大材料科学基础知识点总结
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1 原子结构2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
上海交大材料科学基础课件教学大纲
第一章原子结构和键合（4学时）了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。
§1 原子结构(一)、原子结构； (二)、原子间的键合； (三)、高分子链。
§2 原子间的键合(一)、金属键 (二)、离子键 (三)、共价键(四)、范德华力 (五)、氢键第二章固体结构(8学时)固态原子按其原子（或分子）聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。
晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。
材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相关。
§1 晶体学基础(一)、晶体的空间点阵1．空间点阵概念2．晶胞3．晶系与布拉菲点阵4．晶体结构与空间点阵的关系(二)、晶向指数和晶面指数1．阵点坐标2．晶向指数3．晶面指数4．六方晶系指数5．晶带6．晶面间距§2 金属的晶体结构(一)、面心立方晶体结构的晶体学特征(fcc)(二)、体心立方晶体结构的晶体学特征(bcc)(三)、密排六方晶体结构的晶体学特征(hcp)§3 金属的相结构(一)、固溶体1．置换固溶体2．间隙固溶体3．有序固溶体4．固溶体的性质(二)、中间相1．正常价化合物2．电子化合物3．原子尺寸因素化合物(ⅰ)间隙相和间隙化合物§4 离子晶体结构(一)、NaCl型结构 (二)、萤石型结构 (三)、CsCl型结构 (四)、a-Al2O3型结构§5 共价晶体结构(一)、金刚石结构 (二)、SiO2结构 (三)、VA、VIA族亚金属结构§6 聚合物晶态结构(一)、晶胞结构 (二)、晶态结构模型 (三)、聚合物结晶形态§7 非晶态结构第三章晶体缺陷(12学时)实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。
根据晶体缺陷分布的几何特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
材料科学基础课件上海交大
材料科学基础课件上海交大材料科学基础课件上海交大篇一：上海交大材料科学基础课件教学大纲课程名称：材料科学基础/Fundamentals of Materials Science课堂学时：90实验学时：36适用专业：材料科学与工程类专业、冶金类专业和机电类专业一、课程的性质、地位、任务《材料科学基础》是材料类和冶金类专业的一门主干课，也是该专业的主要技术基础课。
通过讲课、实验、课堂讨论和课外实践等各个教学环节，将金属学、陶瓷学和高分子物理的基础理论融合为一体，以研究材料共性规律，即研究材料的成分、组织结构、制备工艺和性能之间的相互关系，指导材料的设计和应用，并为学习后继专业课程、从事材料科学研究和工程技术工作打下坚实的理论基础。
二、课程的教学内容和基本要求绪论（1学时）了解材料的发展史、材料科学的研究对象和内容以及学习本课程的目的意义和要求。
第一章原子结构和键合（4学时）了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。
1 原子结构(一)、原子结构； (二)、原子间的键合； (三)、高分子链。
2 原子间的键合(一)、金属键 (二)、离子键(三)、共价键(四)、范德华力(五)、氢键3 高分子链(一)、结构单元的化学组成1．碳链高分子 2．杂链分子 3．元素有机高分子 4．无机高分子(二)、高分子链结构单元的键合方式1．均聚物结构单元顺序2．共聚物的序列结构(三)、高分子链的几何形状(四)、高分子链的构型第二章固体结构(8学时)固态原子按其原子（或分子）聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。
晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。
材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相关。
1 晶体学基础(一)、晶体的空间点阵1．空间点阵概念2．晶胞3．晶系与布拉菲点阵4．晶体结构与空间点阵的关系(二)、晶向指数和晶面指数1．阵点坐标2．晶向指数3．晶面指数4．六方晶系指数5．晶带 6．晶面间距2 金属的晶体结构(一)、面心立方晶体结构的晶体学特征(二)、体心立方晶体结构的晶体学特征(三)、密排六方晶体结构的晶体学特征3 金属的相结构(一)、固溶体1．置换固溶体 2．间隙固溶体 3．有序固溶体 4．固溶体的性质(二)、中间相1．正常价化合物 2．电子化合物3．原子尺寸因素化合物(ⅰ)间隙相和间隙化合物(ⅱ)拓扑密堆相 4 离子晶体结构(一)、NaCl型结构 (二)、萤石型结构 (三)、CsCl型结构 (四)、a-Al2O3型结构5 共价晶体结构(一)、金刚石结构 (二)、SiO2结构(三)、VA、VIA族亚金属结构6 聚合物晶态结构(一)、晶胞结构(二)、晶态结构模型 (三)、聚合物结晶形态7 非晶态结构第三章晶体缺陷(12学时)实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。
材料科学基础-名词解释
材料科学基础名词解释（上海交大第二版）第一章原子结构结合键结合键分为化学键和物理键两大类，化学键包括金属键、离子键和共价键；物理键即范德华力。
化学键是指晶体内相邻原子（或离子）间强烈的相互作用。
金属键金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。
离子键阴阳离子之间通过静电作用形成的化学键叫作离子键共价键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。
范德华力是借助临近原子的相互作用而形成的稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。
氢键氢与电负性大的原子（氟、氧、氮等）共价结合形成的键叫氢键。
近程结构高分子重复单元的化学结构和立体结构合称为高分子的近程结构。
它是构成高分子聚合物最底层、最基本的结构。
又称为高分子的一级结构远程结构由若干个重复单元组成的大分子的长度和形状称为高分子的远程结构第二章固体结构1、晶体：原子在空间中呈有规则的周期性重复排列的固体物质。
晶体熔化时具固定的熔点，具有各向异性。
2、非晶体：原子是无规则排列的固体物质。
熔化时没有固定熔点，存在一个软化温度范围，为各向同性。
3、晶体结构：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。
4、空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。
5、阵点：把实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体，并将其中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。
6、晶胞：为了说明点阵排列的规律和特点，在点阵中取出一个具有代表性的单基本元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
7、晶系：根据六个点阵参数间的相互关系，将全部空间点阵归属于7中类型，即7个晶系，分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。
13、晶带轴：所有平行或相交于某一晶向直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。
属于此晶带的晶面称为共带面。
14、晶面间距：晶面间的距离。
上交材料科学基础习题与解答
各章例题、习题以及解答第1章原子结构与键合1.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？????答案:在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然它们的化学性质相同的物质称为同位素。
由于各同位素的含中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素总的相对原子质量不为正整数。
????2.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？????答案:原子数=个????价电子数=4×原子数=4×2.144×1024=8.576×1024个????a)????b) 共价键，共有 2.144×1024个；需破坏之共价键数为5×1010/2=2.5×1010个；所以????3.有一共聚物ABS（A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯），每一种单体的质量分数均相同，求各单体的摩尔分数。
????答案:丙烯腈(－C2H3CN－)单体相对分子质量为53；????丁二烯(－C2H3C2H3－) 单体相对分子质量为54;????苯乙烯(－C2H3C6H5－) 单体相对分子质量为104;????设三者各为1g，则丙烯腈有1/53mol，丁二烯有1/54mol，苯乙烯有1/104mol。
????故各单体的摩尔分数为1.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？答案2.在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？答案3.在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？答案4.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答案5.铬的原子序数为24，它共有四种同位素：4.31%的Cr原子含有26个中子，83.76%含有28个中子，9.55%含有29个中子，且2.38%含有30个中子。
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磁量子数mi：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-li，-(li1),1,0,1,li
spatial orientationof anelectroncloud
自旋角动量量子数si：表示电子自旋（spin
moment）的方向，取值为＋1或-1 22
核外电子的排布（electron configuration)规律
同 主 族 元 素 ： 上 最 外 电 层 离 电 能 子 ↓ ， 数 失 相 电 同 子 ， 能 电 力 子 ↑ ， 层 得 数 ↑ 电 ， 子 原 能 子 力 半 ↓ 径 ↑ 下 ， 金 属 性 ↑ ， 非 金 属 性 ↓
h
4
h
5
※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom)
金 属 键 （ Metallic bonding）
化 学 键 （ Chemicalbonding） 离 子 键 （ Ionicbonding）主 价 键 primaryinteratomicbonds
物 理 键 （ physicalbonding), 次 共 价 价 键 键 (（ Seccoovnadlaernytb bo on nd di in ng g) ） ， 亦 称 VanderWaalsbonding
7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原子序数（Atomic Number)递增 的顺序从左至右排列
18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族 （Inert Gases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。
原 子 核 （ nucleus)： 位 于 原 子 中 心 、 带 正 电 中 质 子 子 （ （ n pe ru ot tr oo nn ） ） ： ： 正 电 电 中 荷 性 mm＝ ＝ 11..66772468× × 1100-- 22 77kkgg
电 子 （ electron） ： 核 外 高 速 旋 转 ， 带 负 电 ， 按 能 量 高 低 排 列 ， 如 电 子 云 （ electron cloud）
h
3
三、元素周期表（periodic Table of the Elements)
元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是 划分元素的依据
同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子
C162，C163，C164
元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form)
物质(Substance)是由原子（atom）组成 在材料科学中，最为关心原子的电子结构 原子的电子结构—原子间键合本质 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子
材料性能：物 化 力学
※1原子结构 （Atomic Structure ）
一、物质的组成（Substance Construction） 物质由无数微粒（Particles）聚集而成 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性
氢 键 （ Hydrogen-bonding) 介 于 化 学 键 和 范 德 华 力 之 间
一、金属键（Metallic bonding）
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云 （electron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键
原子序数＝核电荷数
周期序数＝电子壳层数
主族序数＝最 外 层 电 子 数
零族元素最外层电子数为8（氦为2）
价电子数（Valence electron）
同 周 期 元 素 ： 左 电 离 能 ↑ ， 核 失 电 电 荷 子 ↑ ， 能 原 力 子 ↓ ， 半 得 径 电 ↓ 子 能 力 ↑ 右 ， 金 属 性 ↓ ， 非 金 属 性 ↑
R M u . t P h l e a r n f k o 和 r d A . E 原 i n 子 s t 有 e i 核 n 量 模 子 型 论 原 子 结 构 的 量 子 理 论
原 子 （ atom) rH = 3 . 7 1 0 -2 n m rAl = 1 . 4 3 1 0 -1 n m
能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层
1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-
Pauli不相容原理（PauliExclusion principle): 2n2
全充满
Hund原则（Hund' Rule)半 全充 空满
自旋方向相同
材料的微观结构（Microstructure of Materials）
决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构， 原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列，运动规 律，以及原子集合体的形貌特征
第一章原子结构和键合
Atomic Structure and Interatomic Bonding
dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒
h
1
Байду номын сангаас
二、原子的结构
1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密
1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型
1913年 N.Bohr将 Bohr atomic model
m＝ 9.109510-31kg， 约 为 质 子 的 1/1836
h
2
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示
主量子数ni：决 el定 ec原 tr子 on中s电 he子 ll能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q
轨道动量量子数li：与 sh电 ap子 e运 of动 t的 he角 e动 le量 ct有 ro关 n， su取 bs值 he为 ll0，1，2， n1, s，p，d，f