材料的原子结构和原子间结合键共52页
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第一部分 材料结构的基本知识
第一部分材料引言材料的结构分四个层次：原子结构、原子结合键、材料中原子的排列、晶体材料的显微组织。
1.1 原子结构(atomic structure)◆物质的组成：物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体。
◆原子结构：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。
一、原子的电子排列原子是由原子核及其核外电子构成的，电子绕着原子核在一定的轨道上旋转。
电子运动的轨道由四个量子数(quantum number)决定的：主量子数n（电子层）、轨道量子数l（电子亚壳层）、磁量子数m（轨道数）、自旋角动量量子数ms（自旋方向）。
核外电子的分布与四个量子数有关，且服从两个基本原理：(1)Pauli不相容原理(Pauli principle) ：一个原子中不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。
(1)能量最低原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低能量状态。
二、元素周期表及性能的周期性变化1.2 原子间的结合键(binding bond)按结合力大小分为一次键和二次键两类。
一次键（化学键或主价键）：金属键、离子键、共价键二次键（物理键或次价键）：范德华键、氢键一、一次键（化学键、主价键）1.金属键(metallic bond)特点：电子共有化,没有方向性和饱和性。
特性：(1)良好的导电、导热性；(1)正的电阻温度系数；(3)不透明，具有金属光泽；(4)具有较高的强度和良好的塑性；(5)金属之间的溶解性(固溶能力)。
2.离子键(ionic bond)特点：结合力较强；硬度、熔点高；绝缘；有饱和性而没有方向性。
3.共价键(covalent bond)特点：(1)结合极为牢固(1)有明显的方向性、饱和性(3)结构稳定(4)熔点高(5)硬而脆二、二次键（物理键、次价键）靠原子之间的偶极吸引力结合而成1.范德华键特点：(1)没有方向性、饱和性(1)键力低于一次键。
材料的原子结构和原子间的结合键
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。
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。
金属键
三、金属键
正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部 离子结合起来，这种结合力就叫做金属键。由金属键 结合起来的晶体为金属晶体。 由于存在自由电子，金属就具有高导电性和导热性， 自由电子能吸收光波能量，产生跃迁，从而表现出有 金属光泽、不透明。 另外，金属键无所谓的饱和性和方向性。
分子健（范德瓦尔斯力）
材料科学与工程导论
2019/2/5
第三章
材料的原子结构和原子间 的结合键
2019/2/5
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。Fra bibliotek本章重点：
3.1 材料结构和原子特性； 3.3 原子间的结合键；
2019/2/5
概述
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
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）。
第四节 原子间结合键与材料类型及性质 学习目标：
1.了解原子间结合键与材料类型的关系； 2.了解原子间结合键与材料性质的关系。
第三章 原子结构与结合键
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一、原子结构的量子理论
表3-1 各电子壳层及亚壳层的电子状态
第二节 结合键的类型 一、金属键
二、离子键
三、共价键 四、分子键 五、氢键 六、混合键
四、分子键
图3-3 聚氯乙烯内部结合键
五、氢键
图3-������ 4 冰中水分子排列与氢键a)每一个氧原子以氢键与其他水分子中的两个氢原子相连接 b)冰的六方对称性
一、 结合键的本质
图3-������
6 原子间结合力性质的模拟
二、结合键的性质与材料性能 1.力学性能 结合键类型对材料的弹性模量影响较为明显。
2.物理性能 材料的密度与结合键的类型也有关。
六、混合键
表3-2 元素的电负性
六、混合键
表3-3 某些陶瓷化合物中混合键的相对比例
第三节 材料的结合键与性能 一、 结合键的本质
二、结合键的性质与材料性能
第三节 材料的结合键与性能
图3-5 原子间作用力与位能 a)作用力 b)位能与原子间距的关系
一、 结合键的本质
表3-������ 4 不同材料的键能和熔点
第三章 原子结构与结合键 第一节 原 子 结 构
第二节 结合键的类型
第三节 材料的结合键与性能
第一节 原 子 结 构 一、原子结构的量子理论
二、元素周期表
一、原子结构的量子理论 (1)泡利不相容原理 一个原子轨道最多只能容纳2个电子，且
两个电子自旋方向必须相反。
(2)能量最低原理 在不违背泡利不相容原理的条件下，电子优 先占据能量较低的原子轨道，使整个原子体系能量最低。 (3)洪德定则 在能级相等的轨道上，电子尽可能分占不同的轨 道，且电子自旋平行。
一、原子结构的量子理论
表3-1 各电子壳层及亚壳层的电子状态
第二节 结合键的类型 一、金属键
二、离子键
三、共价键 四、分子键 五、氢键 六、混合键
四、分子键
图3-3 聚氯乙烯内部结合键
五、氢键
图3-������ 4 冰中水分子排列与氢键a)每一个氧原子以氢键与其他水分子中的两个氢原子相连接 b)冰的六方对称性
一、 结合键的本质
图3-������
6 原子间结合力性质的模拟
二、结合键的性质与材料性能 1.力学性能 结合键类型对材料的弹性模量影响较为明显。
2.物理性能 材料的密度与结合键的类型也有关。
六、混合键
表3-2 元素的电负性
六、混合键
表3-3 某些陶瓷化合物中混合键的相对比例
第三节 材料的结合键与性能 一、 结合键的本质
二、结合键的性质与材料性能
第三节 材料的结合键与性能
图3-5 原子间作用力与位能 a)作用力 b)位能与原子间距的关系
一、 结合键的本质
表3-������ 4 不同材料的键能和熔点
第三章 原子结构与结合键 第一节 原 子 结 构
第二节 结合键的类型
第三节 材料的结合键与性能
第一节 原 子 结 构 一、原子结构的量子理论
二、元素周期表
一、原子结构的量子理论 (1)泡利不相容原理 一个原子轨道最多只能容纳2个电子，且
两个电子自旋方向必须相反。
(2)能量最低原理 在不违背泡利不相容原理的条件下，电子优 先占据能量较低的原子轨道，使整个原子体系能量最低。 (3)洪德定则 在能级相等的轨道上，电子尽可能分占不同的轨 道，且电子自旋平行。
第一章原子的结构与键合ppt课件
（1）共价键的定义 ➢ 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数元
素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产生 电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。
（2）共价键的特点 ➢ 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形
成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。
由于金属键即无饱和性又无方向 性，因而每个原子有可能同更多 的原子结合，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 于破坏金属键，这就使金属具有 良好的延展性。
金属变形时，由金属键结 合的原子可变换相对位置
（3）金属键型晶体的特征 良好的导电、导热性：
自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作 用下）导热。
金属键模型
电子气 金属离子
图 金属键与金属晶体
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
图 金属键与金属晶体
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
问题1：金属具有良好导电、导热性能的原因？ （自由电子的存在）
问题2：金属具有良好延展性的原因？
Pauli不相容原理(Pauli principle) 在一个原子中，不可能存在四个量子数 完全相同的两个电子。
Hund规则(Hund ’s rule) 在同一亚层中的各个能级中， 电子的排布尽可能分占不同 的能级，而且自旋方向相同
IA
1 H IIA 2 Li Be
碱金属
碱土金属 过渡元素
主族金属
第一节 原子结构
1.1.1 物质的组成
一切物质都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。
6材料内部结构的四个层次以及原子间结合键类型
运动方式
显微组织
金属材料工程基础知识
金属材料内部结构的四个层次
从宏观到微观 ， 其内部结构按研
究尺寸
1、宏观组织结构 （尺度：mm到m量级）
用肉眼和放大镜所能观察到的粗大晶体或相的集合状态
2、显微组织结构 （尺度：10-7-10-4m，µm量级）
借助光学显微镜和电子显微镜观察到的晶粒或相的集合
3、原子（或分子）排列结构 （尺度：10-10m，0.1nm量级）
的来源：偶极间的静电力 诱导力 色散力
氢键
定义：氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子
金属材料工程基础知识 四、常见材料结合键
1、金属键合
金属和合金的基本键合方式
高导热，高导电
2、陶瓷键合
陶瓷包含金属和非金属元素的化合 物主要以离子键合，电子不能移动，
故不导电，不导热
3、高分子键合
主要以共价键构成
不耐热、导热导电有限
小资料：一种材料一般主要由一种类型的主要价键，但也有其他类型键，所以
混合间很普遍，如锡，有金属性，也有共价性，故较脆；硅，主要是共价键，但也 ……
有金属键，故能激发电子，因此用作半导体。
金属材料工程基础知识 一、材料的内部结构的四个层次 二、材料的常见结合键：
（根据结合力强弱）
原子外层电子重新排布，不再属于原来的原子
一次键
金属材料工程基础知识
离子键与离子晶体
离子键：正、负离子经库仑静电引力相互结合起来的结合键 离子晶体：由离子键结合而成的固体，如NaCl(无色透明)
共价键和共价晶体
共价键：相邻原子共同占有部分价电子，使最外层电子处于满壳状态 特点：饱和性方向性
晶体的原子排列结构，也称为晶体结构
材料基础
第１章原子结构与结合健前言材料是国民经济的物质基础。
通过实践和研究表明：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以及原子集合体的形貌特征等。
为此，我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。
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一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。
因此。
其熔点和硬度均较高。
另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是copyright(c) 2004 材料工程学院v1.0 版权所有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。
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。
1.2.2 离子键大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。
离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。
一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。
因此。
其熔点和硬度均较高。
另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。
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，即呈现离子导电性。
1.2.3 共价键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。
共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。
中硅和氧原子间的共价键示意图图1.6 sio2共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。
共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。
第1章 原子结构与键合(1)-原子结构与键合
2.3 混合键
实际的材料内部原子结合键往往是各种键的 混合，结合键也表现出一定的过渡性。 混合，结合键也表现出一定的过渡性。
表 某些陶瓷化合物中混合键特征
化合物中离子键的比例取决于组成元素的电 负件差，电负性相差越大则离子键比例越高。 负件差，电负性相差越大则离子键比例越高。 鲍林经验公式：（确定化合物AB中离子键 鲍林经验公式：（确定化合物AB中离子键 ：（确定化合物AB 结合的相对值）： 结合的相对值）：
1 (x A x B ) 2 4
离子结合(%) = [1 e]
×100%
(1 - 1)
式中， 分别为化合物组成元素A、 式中，XA、XB分别为化合物组成元素 、B 的电负性数值。 的电负性数值。
混合型晶体——石墨的结构 石墨的结构 混合型晶体
同时含有 共价键和 共价键和 范德瓦耳斯键
石墨晶体结构
金属键
化学键
主价键
一次键
离子键 共价键 范德瓦耳斯力 氢键
物理键
次价键
二次键
2.1 主价键 一、金属键
正离子与充满整个结构中的自由电子气之间的强相互作用。 正离子与充满整个结构中的自由电子气之间的强相互作用。 金属键没有方向性、饱和性。 金属键没有方向性、饱和性。 + + + + + + + + + + 结合能： 结合能： ~50 kcal/mol + + 特点： 特点：电子共有化 金属的导电性、导热性、 金属的导电性、导热性、 延展性都直接起因于金属 键结合（电子气）。 键结合（电子气）。
（二）角量子数
决定原子轨道的形状， 角量子数 l 决定原子轨道的形状 ， 取值为 0、1、 、 、 2….n－1。在多电子原子中，当 n 相同而 l 不同时，电子 不同时， － 。在多电子原子中， 的能量还有差别，又常将一个电子层分为几个亚层。 的能量还有差别，又常将一个电子层分为几个亚层。 n＝1 时，l ＝0，K 层只有 s 亚层； ＝ ， 亚层； n＝2 时，l ＝0、1，L 层有 s、p 亚层； ＝ 、 ， 、 亚层； n＝3 时，l ＝0、1、2，M 层有 s、p、d 亚层 ＝ 、 、 ， 、 、 亚层; n＝4 时，l ＝0、1、2、3，N 层有 s、p、d、f 亚层。 ＝ 、 、 、 ， 、 、 、 亚层。 在多电子原子中， 也决定着原子轨道的能量。 在多电子原子中， l 也决定着原子轨道的能量。当 n 相同时，随 l 的增大，原子轨道的能量升高。 相同时， 的增大，原子轨道的能量升高。
1-1 原子结构与结合键
八、结合能 原子能够结合为固体的根本原因，是 原子或分子结合起来后，体系的能量可以 降低，即在分散的原子结合成晶体过程中， 会有一定的能量释放出来。这个能量叫做 结合能。显然晶体的结合能等于它的升华 热。
原子的结合方式不同，结合能也不同： (1)离子晶体、共价晶体的结合能最大，约 (1)离子晶体、共价晶体的结合能最大，约 为几千kJ/mol。 为几千kJ/mol。 (2)金属晶体的结合能以过渡元素为最大， (2)金属晶体的结合能以过渡元素为最大， 约为400～800kJ/mol； Cu,Ag,Au约为 约为400～800kJ/mol； Cu,Ag,Au约为 300～350kJ/mol，而碱金属约为80～ 300～350kJ/mol，而碱金属约为80～ 160kJ/mol。 160kJ/mol。 (3)范德瓦尔斯键的结合能最小，只有几十 (3)范德瓦尔斯键的结合能最小，只有几十 kJ/mol。 kJ/mol。
金属 自由电子气与正离子 实之间的库仑引力 键 分子 原子间瞬时电偶极矩 的感应作用 键 氢键 氢原子核与极性分子间的库仑引力较强较弱 无方向性键、结构密
堆、高熔点、绝缘
弱
有方向性和饱和性
值得指出的是，实际晶体不 一定只有一种键，可能是多种键 合的混合，至少范氏力就是普遍 存在的一种力。不过，在某一键 合为主键的情形下，其他弱键就 可以忽略。实际材料中存在的键 合情况如右图所示。 以上我们简单地讨论了结合 键的类型及其本质，由于各种结 合键的本质不同，所形成的固体 其性质也大不相同。 图9实际材料中的结 合键
二、共价键（Covalent Bond） 二、共价键（Covalent Bond） 周期表中同族元素的原子就是通过共价键而 形成分子或晶体的，这时满的 ns + np 壳层是通 过两个原子共享它们之间的电子来实现的。典型 的例子有H2, 的例子有H2, O2, F2，SiC, 金刚石等。此外，许 F2， 多碳多碳-氢化合物也是通过共价键结合的。 在以上这些情况下，不可能通过电子的转移 使每个原子外层成为稳定的八电子层（或1 使每个原子外层成为稳定的八电子层（或1s 2） 结构，也就是说，不可能通过离子键而使原子结 合成分子或晶体。然而，相邻原子通过共用一对 或几对价电子却可以使各原子的外层电子结构都 成为稳定的八电子层（或1 成为稳定的八电子层（或1s 2）结构。
第三章 原子结构与结合键
工程材料原理
2. 物理性能
密度：金属密度高（金属键）； 密度：金属密度高（金属键）； 离子键、共价键化合物密度低，如陶瓷密度小； 离子键、共价键化合物密度低，如陶瓷密度小； 熔点：离子键、共价键化合物熔点较高， 熔点：离子键、共价键化合物熔点较高， 金属相对较低（金属中过度族金属熔点较高如W,Mo）， 金属相对较低（金属中过度族金属熔点较高如 ）， 高聚物熔点偏低； 高聚物熔点偏低； 导电性和导热性： 导电性和导热性： 金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性， 金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性， 非金属键结合的陶瓷固态下一般是点、热的不良导体， 非金属键结合的陶瓷固态下一般是点、热的不良导体， 作为绝缘体和绝热体。 作为绝缘体和绝热体。
工程材料原理
4. 当两原子无限远时，原子间不发生作用，相互能量视为零， 当两原子无限远时，原子间不发生作用，相互能量视为零， 当原子在引力下互相靠近时，体系作用能量逐渐下降， 当原子在引力下互相靠近时，体系作用能量逐渐下降，到 达平衡距离时作用能量最低，当原子进一步靠近， 达平衡距离时作用能量最低，当原子进一步靠近，必须克 服反向排斥力，使作用能量重新升高。 服反向排斥力，使作用能量重新升高。 •通常把平衡距离下的原子间的相互作用能量定义为原子 通常把平衡距离下的原子间的相互作用能量定义为原子 的结合能E 的结合能 0。 •结合能的大小相当于把两个原子完全分开所做的功，其 结合能的大小相当于把两个原子完全分开所做的功， 结合能的大小相当于把两个原子完全分开所做的功 数据是利用测定固体蒸发热而得到的，又称结合键能。 数据是利用测定固体蒸发热而得到的，又称结合键能。
工程材料原理
固 态 冰
液 态 水
工程材料原理
六. 混合键
材料结构
核外电子的排布（ n )规律
能量最低原理（ principle)电子总是占据能量最低的壳层 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-5p1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s- 4d-5p Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n2 不相容原理（ principle): Pauli不相容原理 全充满 Hund原则（Hund' Rule)半充满 原则（ Hund原则 Hund' Rule) 自旋方向相同 全空
特点
1：在形成共价键时，为使电子云达到最大限度 在形成共价键时， 的重叠，共价键就有方向性， 的重叠，共价键就有方向性，键的分布严格服从 键的方向性 方向性； 键的方向性； 2：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， 和第三个电子配对了，成键的公用电子对数 目是一定的，这就是共价键的饱和性 饱和性。 目是一定的，这就是共价键的饱和性。 由于共价键具有方向性，配位数比较小， 由于共价键具有方向性，配位数比较小，同时 共价键的结合比较牢固，因此其结构较稳定， 共价键的结合比较牢固，因此其结构较稳定， 熔点较高，硬度较大。 熔点较高，硬度较大。
原子序数＝ 原子序数＝核电荷数 周期序数＝ 周期序数＝电子壳层数 主族序数＝最 外 层 电 子数 主族序数＝ 零族元素最外层电子数为8（氦为2） 零族元素最外层电子数为 （氦为 ）
核电荷 ，原子半径 ↑ ↓ 同周期元素： 右， → 同周期元素：左 右，金属性 ，非金属性 ↓ ↑ 电离能 ，失电子能力 ，得电子能力 ↑ ↓ ↑ 最外层电子数相同， 最外层电子数相同，电子层数 ，原子半径 ↑ ↑ 同主族元素：上 下，金属性 ，非金属性 同主族元素： →下， ↑ ↓ 电离能 ，失电子能力 ，得电子能力 ↓ ↑ ↓
第三章材料的原子结构和原子间的结合键说课讲解
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
（3）金属键型晶体的特征 良好的延展性 良好的导电性 具有正的电阻温度系数 导热性好 金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光 的能量 ）
4.范德瓦尔键 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷， 一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微 弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也 叫分子键。 范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。 比化学键的键能少1～2个数量级。
1.共价键 （1）共价键的定义 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产 生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。 （2）共价键的特点 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠， 形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。 共价键具有方向性、饱和性。 金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。
4.晶体与非晶体的区别 a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复 排列 b.晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存 在一个软化温度范围 c.晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也呈各 向同性，称“伪各向同性”）
5.晶体与非晶体的相互转化 玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃 通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得 到非晶态 获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法 ）
思考题
常见的金属基本上都是晶 体,但为什么不显示各向异 性?
多晶中各个晶粒往往取向 不同，所以多个晶粒集合 在一起在任一方向上都显 示不出某一个晶向的特性 来。
§3.2.2 空间点阵
1.基本概念 （1）空间点阵：为了便于研究晶体中原子(分子或离子) 的排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质 性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。 这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可以是彼此等同 的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的 空间排列称为空间点阵。 可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点 有一群原子（原子集团）。
《材料科学基础》课件第1章 材料的结构
◆ 晶体与非晶体区别：
(a)是否具有周期性、对称性； (b)是否有确定的熔点； (c)是否各向异性； 单晶体的各向异性
25
1.2 晶体学基础 1.2.2 空间点阵和晶胞
为了便于分析研究晶体中原子或分子的排 列情况，可把它们抽象为规则排列于空间的无 数个几何点，这些点子可以是原子或分子的中 心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中 心，但各个点子的周围环境必须相同，这种点 的空间排列称为空间点阵。
3. 晶胞
空间点阵
27
晶胞
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
28
1.2 晶体学基础
◆选取晶胞的原则：
1.2.2 空间点阵和晶胞
① 应反映出点阵的高度对称性； ② 棱和角相等的数目最多； ③ 棱边夹角为直角时，直角数目最多； ④ 晶胞体积最小。
29
1.2 晶体学基础 4. 晶格（点阵）参数
1.2.2 空间点阵和晶胞
⑷ 简单正交
⑸ 底心正交
⑹ 体心正交
34
⑺ 面心正交
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
（四）四方 a=b≠c =β=γ=90°
⑻ 简单四方
⑼ 体心四方
（五）菱方 a=b=c =β=γ≠90°
⑽ 简单菱方
35
1.2 晶体学基础 （六 ）六方 a=b≠c =β=90°，γ=120°
共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力 离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力 金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力 分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
18
强
较强
最弱
1.1 材料的结合方式 1.1.2工程材料的键性 实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多
(a)是否具有周期性、对称性； (b)是否有确定的熔点； (c)是否各向异性； 单晶体的各向异性
25
1.2 晶体学基础 1.2.2 空间点阵和晶胞
为了便于分析研究晶体中原子或分子的排 列情况，可把它们抽象为规则排列于空间的无 数个几何点，这些点子可以是原子或分子的中 心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中 心，但各个点子的周围环境必须相同，这种点 的空间排列称为空间点阵。
3. 晶胞
空间点阵
27
晶胞
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
28
1.2 晶体学基础
◆选取晶胞的原则：
1.2.2 空间点阵和晶胞
① 应反映出点阵的高度对称性； ② 棱和角相等的数目最多； ③ 棱边夹角为直角时，直角数目最多； ④ 晶胞体积最小。
29
1.2 晶体学基础 4. 晶格（点阵）参数
1.2.2 空间点阵和晶胞
⑷ 简单正交
⑸ 底心正交
⑹ 体心正交
34
⑺ 面心正交
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
（四）四方 a=b≠c =β=γ=90°
⑻ 简单四方
⑼ 体心四方
（五）菱方 a=b=c =β=γ≠90°
⑽ 简单菱方
35
1.2 晶体学基础 （六 ）六方 a=b≠c =β=90°，γ=120°
共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力 离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力 金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力 分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
18
强
较强
最弱
1.1 材料的结合方式 1.1.2工程材料的键性 实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多
材料科学基础--材料结构的基本知识
热力学第二定律对这种自发过程 的叙述为：只有那些使体系自由能A减 小的过程才能自发进行，可表示为：
等温等容 ΔA T、V<0 自发过程 等温等压 ΔG T、P<0 自发过程 两种自由能的表达式为：
A=U–TS G=H–TS
U——内能 H——焓 S——熵 T——热力学温度 反应速率ν与热力学温度T之间满足：
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第一节 原子结构
一、原子的电子排列
原子 ——可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。
原子核 ——中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。
电子 ——绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。
二、元素周期表及性能的周期性变化
原子周期律——早在1869年，俄国化 学家已发现了元素性质是按原子相对 质量的增加而程周期性的变化。这正 是由于原子核外电子的排列是随原子 序数的增加呈周期性变化。 族——周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。
过渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB对 应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。
一、一次键
离子键——当两类原子结合时，金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结 构，从而降低体系的能量，此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子，正负离子间相互吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。（如NaCl）
共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、 ⅤA族元素，离子化比较困难，在这种 情况下，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，利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。 金属键——金属原子很容易失去外壳层 电子而具有稳定的电子壳层，形成带正 电的阳离子，由正离子和自由电子之间
等温等容 ΔA T、V<0 自发过程 等温等压 ΔG T、P<0 自发过程 两种自由能的表达式为：
A=U–TS G=H–TS
U——内能 H——焓 S——熵 T——热力学温度 反应速率ν与热力学温度T之间满足：
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第一节 原子结构
一、原子的电子排列
原子 ——可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。
原子核 ——中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。
电子 ——绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。
二、元素周期表及性能的周期性变化
原子周期律——早在1869年，俄国化 学家已发现了元素性质是按原子相对 质量的增加而程周期性的变化。这正 是由于原子核外电子的排列是随原子 序数的增加呈周期性变化。 族——周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。
过渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB对 应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。
一、一次键
离子键——当两类原子结合时，金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结 构，从而降低体系的能量，此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子，正负离子间相互吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。（如NaCl）
共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、 ⅤA族元素，离子化比较困难，在这种 情况下，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，利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。 金属键——金属原子很容易失去外壳层 电子而具有稳定的电子壳层，形成带正 电的阳离子，由正离子和自由电子之间