材料科学基础-原子结构-教师课件

Biblioteka 342020/8/3
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3.2 金属键 （Metallic bonding）
金属原子的外层价电子数
比较少（通常s, p 价电子数少
于4），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，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。这种在
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
从原上子而序下数排＝列核。电荷数
周期序数＝电子壳层数
主族序数＝最外层电子数
价电子数（Valence electron）
零族元素最外层电子数为8（氦为2）
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每周期元素的数目等于相应能级组内轨 道所能容纳的最多电子数。
元素在周期表中所处的周期序数＝该元 素原子的电子层数
元素在周期表中所处的族序数： 主族、第I副族、第II副族：最外层电 子数
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原子参数（Atomic parameters）
原子半径 Atomic radius
电离能
Ionization energy
电子亲和能 Electron affinity
电负性
Electronegativity
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3 原子间的键合 （Atomic Bonding ）
所谓结合键(bond)是指由原子结合成分子或固体 的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列 物理、化学、力学等性质。
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3.1 结合力 （Bonding forces）
晶体中的原子之间可以相互吸引，也可以相互排 斥。设 fa 代表引力，fr 代表斥力，r 代表原子间距离 ，则：
式中 a，b，m，n 均为常数，其中m < n 。 原子间净作用力f 为：
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问题
• 材料科学的四要素是什么？四要素之间的 存在什么样的关系？
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思考
(1) 同样是由碳元素组成的，为什么金刚石是硬度 最高的物质，而石墨却很软？
(2) 为什么原子能结合成固体？ (3) 材料中存在哪几种键合方式？ (4) 决定键合方式的主要因素有哪些？ (5) 材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？
例2：已知核外某电子的四个量子数为： n=2; l=1; m=-1; ms=+1/2 说明其表示的意义。
指在第二电子层、p亚层、py轨道上、 自旋方向以(+1/2)为特征的电子。
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1.3 核外电子排布规律
（1）核外电子的排布规则
• 能量最低原理
多电子原子在基态时，核外电子总是尽可能地分
• 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)
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元素的外层的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 周期律的集中体现。
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主要内容
1 原子结构 2 元素周期表 3 原子间的键合
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材料的结构层次
结构层次 原子结构
~10-10m (1Å)
应用举例 金刚石-切削工具刃
原子排列:长程有序
10-10~10-9m (1~10Å)
点火器
原子排列:短程有序
10-10~10-9m (1~10Å)
V=(4/3)π(1.5×10-7cm)3=1.4137 ×10-20 cm3
m=7.8g/cm3 × 1.4137 ×10-20 cm3=1.102 × 10-19 g
1.1012 -01g96.02 13 2 03atom/1m1o8l6ato 56g/mol
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1.2 核外电子运动状态
l，m）下的波函数叫做不同的原子轨道，通常用 s，p，d，f等符号依次表示l＝0，1，2，3的轨道 3) 波函数Ψ描述了核外电子可能出现的一个空间区 域（原子轨道），不是经典力学中描述的某种确 定的几何轨迹。 4) Ψ没有明确的物理意义，但 ||2 表示空间某处单 位体积内电子出现的几率（几率密度）。
2) 电子处在上述轨道时，原子既不吸收能量，也不辐射能量。 原子中有很多这种稳定的状态（简称定态），其中能量最 低的定态称为基态，能量较高的定态称为激发态。
3) 当电子由一种定态跃迁至另一种定态时，就要吸收或放出
能量，其值恰好等于两种定态的能量差，它与光的频率关
系为
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E终态E始态
h
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e=1.6022×10-19C NA=6.023×1023atom/mol M：原子量
原子核（nucleus)
质子：正电荷m＝1.6726×10 -27 中子：电中性m＝1.6748×10 -27
kg kg
电子（electron）：带负电，按能量高低排列
m ＝9.109510-31 kg，约为质子的1/1836
26Fe：1s22s22p63s23p63d64s2 47Ag： 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1
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2、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
1. 四个量子数及其表征的意义 • 主量子数 n － 表征原子轨道离核的远近，即
核外电子的层数
n1,2,3,..n.,
K,L,M,N,O,P
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• 角量子数 li －又称副量子数。它决定原子轨道 或电子云的形状，并在多电子原子中和n一起决 定电子的能量。
l0,1,2,3,..(n .,1)共 , n个取值
1926年，薛定谔(Schrodinger) 微观粒子的波动方程：
波函数：描述核外电子运动状态的 数学函数式。
2 x 2 2 y 2 2 z 28h2 2m (EV) 0
Ψ：波函数 E：体系的总能量
x,y,z ：空间坐标 V：势能
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• 波函数和原子轨道
1) 波函数Ψ是描述核外电子运动状态的数学函数式。 2) 波函数通常也叫原子轨道。原子在不同条件（n，
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例1
Fe-Pt纳米粒子是一种新的磁记录材料，其记录 密度可达Tb/平方英寸，比现有的磁记录材料高10～ 100倍。如果纳米颗粒的直径为3nm，计算每个纳米 粒子中的铁原子的数量。 已知：ρFe=7.8g/cm3 MFe=56 g/mol
解：假设纳米粒子是球状的，则其半径为1.5纳米
li
0 123
光谱学 符号
s
p
d
f
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• 磁量子数 m － 表征原子轨道在外磁场方向上 分量的大小，即原子轨道在空间的不同取向
m0,1,2,3,...,l 共(2l1)个取值
每一个亚层中，m有几个取值，其亚层就有几个不同伸 展方向的同类原子轨道
磁量子数与电子能量无关，同一亚层的原子轨道，能
金属受外力发生变形时，金属键不被破坏， 故金属
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习题
1、原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定？
2、在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？
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？它的性质如 何递变？
4、何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？
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
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1.1 物质结构理论发展简介
金属键。
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金属键无方向性，饱和性。金属键的强弱和自由电子 的多少有关，也和离子半径、电子层结构等其它许多因 素有关， 很复杂。 金属可以吸收波长范围极广的光，并重新反射出，故
金属晶体不透明，且有金属光泽。
在外电压的作用下， 自由电子可以定向移动，故有 导电性。
受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰 撞， 传递能量， 故金属是热的良导体。
非晶硅-光通讯技术
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材料的结构层次(续)
结构层次
应用举例
纳米结构
纳米粒子
10-9~10-7m (1~100nm)
微观结构
金属和合金的强度
>10-8~10-6m (10~1000nm)
宏观结构
>10-6 m (1000nm)
汽车的防锈漆
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1 原子结构 （Atomic Structure）
7、锡的原子序数为50，它的4f亚层之外，其他内部电子亚层均已填 满。试从原子结构角度来确定锡的价电子数。
8、铂的原子序数为78，它的5d亚层中只有9个电子，并且在5f层中 没有电子，请问6s亚层中有几个电子？
9、已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出
它2属020/于8/3 哪个周期？哪个族？并判断其金属性的强弱。