材料科学基础原子结构
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• 20世纪30年代中期发明了粒子加速器，科学家们能够把中子打碎成质 子，把质子打碎成为更重的核子，观察碰撞到底能产生什么。20世纪 50年代，唐纳德·格拉泽（Donald Glaser）发明了“气泡室”，将亚原 子粒子加速到接近光速，然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些 粒子碰撞到质子（氢原子核）后，质子分裂为一群陌生的新粒子。这 些粒子从碰撞点扩散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们 的踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可以看到这些气泡的踪迹。以 后被命名为夸克（quark）。
溶入金属晶体的间隙。
（2）影响因素：原子半径和溶剂结构。 （3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。
•晶体结构理论
固溶体的结构
（1）晶格畸变。 （2）偏聚与有序：取决于同类原子和异类原子间结合力
•晶体结构理论
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
• 共价键
– 共享电子形成的强键 – 氢的共价键，s电子共享， – 其他共价键，p电子共享或sp杂化
•晶体结构理论
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。
• 当电子束轰击靶，将靶材的内层电子击出时，在低 能级上产生空位，原子处于激发状态
• 空位从K层移到L层，产生Kα辐射，空位从K层移到 M层，产生Kβ辐射
•X射线衍射
•原子对入射X射线产生散射 •（不）相干散射（不）同相 •晶面对散射的作用
•布拉格方程：2dsinθ=λ
•原子对散射的作用 •简单点阵都能衍射 •体心点阵h+k+l为偶数衍射 •面心点阵hkl为全偶或全奇衍射
•晶体结构理论
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
•晶体结构理论
•晶体结构理论
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。
c 电负性因素 电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。
d 电子浓度因素 电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，与
溶剂晶体结构有关。一价面心立方金属为1.36，一价体心 立方金属为1.48。
（上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属 与合金的电子理论。）
•晶体结构理论
间隙固溶体 （1）组成：原子半径较小（小于0.1nm)的非金属元素
重量数/摩尔质量=摩尔数
• 决定材料物性
– 原子系统：作为经典粒子处理 – 电子系统：表现出明显的量子力学特
征，电子具有波粒两象性
对于以一定速度u（动量为p）运动的粒子，可与一个波 长为 λ的物质波建立联系，联系二象性的基本方程是：
其中，u是粒子运动的速度，p是粒子的动量，h是普朗克常量。
• 波粒两象性
称形成的弱键
变化偶极键—原子间键 由电子不对称 形成的极弱键
• 离子键
– 得失电子形成的强键，有方向性和饱和性
• 原子吸收（释放）能量失去（得到）电子形成正 （负）离子
• 正负离子吸引形成分子，并释放出能量
– 固体形成离子晶体
• 如：NaCl, CsCl,
– 离子晶体有高的晶格能和熔点，高的硬度和脆 性
•晶体结构理论
类型
作用各力种来结源 合键的主键强合弱要特点进行比形成较晶体的特点
原子得、失电子后形成
无方向性键、高配位数、高熔点、高
离子键 负 、 正 离 子 ， 正 负 离 子 最强 强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较
间的库仑引力
差、固态不导电、熔态离子导电
相邻原子价电子各处于
有方向性键、低配位数、高熔点、高
铁的置换固溶体
•晶体结构理论
Fe3C 渗碳体 •正交结构（新结构） •化合物
合金的晶体结构（相）
• 固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。 溶剂-溶质
• 中间相（金属化合物）：组成原子有固定比 例，其结构与组成组元均不相同的相。
•晶体结构理论
按溶质原子位置不同，可分为 置换固溶体和间隙固溶体
•晶体结构理论
氢键
氢原子核与极性分子间 的库仑引力
弱
• 铁的同素异晶转变
• 晶体结构分析
– X射线源
• 1895年伦琴发现
• 钨丝（阴极）加热产生电子，电子激发靶材（阳 极）产生X射线
• X射线为波长很短的电磁波
0.05～0.25nm(可见光波长600nm)
• 核外电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于 各能级，最靠近核的K层能量最低
•晶体结构理论Leabharlann Baidu
合金的晶体结构（相）
•铁＋碳：（碳）钢 •铁＋碳＋其它（合金）元素：合金钢
•晶体结构理论
合金的晶体结构
•铁＋碳
铁：体心立方
碳（石墨）：六方
•晶体结构理论
铁的间隙固溶体 •体心立方
•晶体结构理论
铁的间隙固溶体－－铁素体
•晶体结构理论
铁＋锰 •铁的置换固溶体 •体心立方
•晶体结构理论
原子模型
•晶体结构理论
广岛原子弹爆炸后的惨景 IBM的实验室用铁原子拼出的汉字“原子”
原子序数和原子质量
• 原子周期表和原子序数
– 经典的原子模型认为，对原子序数为Z 的原子，是由带正电荷+Ze的原子核和 Z个绕核旋转的电子组成。
– 同族元素有相同的性质，不同族表示 不同电子数对键合的贡献。
• 0族：惰性气体，最外层8电子，稳定； • IA：碱金属， 最外层1电子，易失去； • IIVA：卤素，最外层7电子，易得1电子；
• 按不确定原理，约50%电子落在波尔半径内
– 电子态的量子数
现代用四个量子数来表示原子核外的电子态 • 主量子数n：1, 2…, 7
• 角量子数l：0,1,2…,n-1 (s, p, d, f )
• 磁量子数m: -l~l, 0 • 自旋量子数ms: -1/2,1/2
– 电子的具体布局遵循以下原则
– 当特征尺度a> λ，粒子性为主 – 当特征尺度a< λ，波动性为主
电子结构
– 氢原子
• 单原子结构，核外电子仅受核的库仑场影响 • 由量子力学可求得电子的能级结构 • 当电子被激发到高(低)能级，需吸收(释放)能量
△E=hv=hc/λ h：普朗克常数，v：光频率，c:光速， λ:光波长
• 波尔用氢的光谱数据计算认为氢电子在确定半径的 轨道运行，其能级E = -13.6/n2 (ev)
– 对于多电子原子，在化学键中起作用的是外壳 层电子
– 电子结构和化学性
• 惰性气体 最外层结构被填满，最稳定的化学性 • 正电性元素和负电性元素
1A,2A正电性，失电子 4A~7A可正可负 • 负电性 元素得电子的能力，0~4.1 最小为碱性金属，最大为F，O，N
键合类型
– 一次键：离子键、共价键、金属键 – 二次键：永久偶极键—分子间键 由电子不对
• X射线衍射的结构分析
何种结构？
• X射线衍射的结构分析
已知2theta角: 40, 58, 73, 86.8, 100.4, 114.7, X射线波长0.154nm,求: (1)晶体结构? (2)点阵常数? (3)元素种类?
•晶体结构理论
合金的相结构
•晶体结构理论
•晶体结构理论
合金的晶体结构 •什么是合金？
Si 3s23p2, sp杂化，形成4个共价键
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
•晶体结构理论
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
共价键 相 反 的 自 旋 状 态 ， 原 子 强 强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较
核间的库仑引力
差、即使在熔态也不导电
金属键
自由电子气与正离子实 之间的库仑引力
较强
无方向性键、结构密堆、配位数高、 塑性较好、有光泽、良好的导热、导 电性
分子键
原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
最弱
无方向性键、结构密堆、高熔点、绝 缘
他的学生德谟克里特接受了这种物质碎片 会小到不可再分的观念，并称这种物质的 最小组成单位为“原子”（意思是“不可分 割”）
留基伯 德谟克里特
• 19世纪接近尾声的时候，玛丽·居里打开了原子的大门，证明原子不 是物质的最小粒子。很快科学家就发现了两种亚原子粒子：电子和质 子。1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子，这次科学家们又认为发 现了最小粒子。
• 原子质量
– 1原子C12的重量的1/12为一个原子量
或：1摩尔C12的重量被设定为12克
• C12=6质子+6中子 • 1摩尔=6.023*1023个原子 • C13=6质子+7中子，同位素
– 1克摩尔Al原子=6.023*1023个Al原子数 =26.98克
– 重量百分数(wt%)与原子百分数(at%)
第二章 固体的结构
•一些典型晶体的结构特点 •决定结构的主要因素 •结构与性能的关系 •结构与性能的周期性。
• 万物由什么组成？
• 物质可以被无休止地分割为愈来愈小的物 质单元，还是存在构成世界的“砖块”？
公元前5世纪的古希腊哲学家留基伯在致力 于思考分割物质问题后，得出一个结论： 分割过程不能永远继续下去，物质的碎片 迟早会达到不可能分得更小的地步。
• 泡利不相容原理 同一个电子态只有一个电子占据
• 能量最低原理 电子优先占据能量低的轨道
• 洪德原理 在未填满的壳层中，电子的自旋值尽可能的大
– 多电子的能级顺序，按能级从低到高逐级填 充，构成原子壳层结构
7s 7p 7d 7f 6s 6p 6d 6f 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s
•合金是由金属和其他一种或多种 元素通过化学键键合而形成的材料 •组成合金的每种元素称为组元
•晶体结构理论
合金的晶体结构（相）
相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成 部分。（如单相、两相、多相合金。）
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
• 金属键
– 共享电子形成的强键，无方向性和饱和性 – 金属离子浸在电子云中， – 碱金属s电子共享，晶格能、熔点都低 – 过渡金属dsp杂化，晶格能、熔点升高 – d满，则晶格能、熔点下降
•晶体结构理论
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。
原子结构
– 原子 ： 原子核（质子、中子）+电子 – 电荷数：质子=电子=1.602*10-19库仑 – 重量：质子=中子=1.673*10-24g
电子=9.109*10-28g
夸克 轻子
第一代 第二代 第三代
上夸克 粲夸克 顶夸克 下夸克 奇异夸克 底夸克
电中微子 μ中微子 τ中微子
电子
μ子
τ子
•晶体结构理论
置换固溶体 （1）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶
体。 （2）影响置换固溶体溶解度的因素
a 原子尺寸因素 原子尺寸差越小,越易形成置换固溶体,且溶解度越大。 △r=(rA-rB)/rA 当△r<15%时，有利于大量互溶。
•晶体结构理论
b 晶体结构因素 结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
•晶体结构理论
分子键与分子晶体 氢 键 ： （ 离 子 结 合 ） X-H---Y （ 氢 键 结 合 ） ， 有 方 向 性，如O-H—O
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
按固溶度不同，可分为 有限固溶体和无限固溶 体。
按溶质原子分布不同， 可分为无序固溶体和 有序固溶体。
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
溶入金属晶体的间隙。
（2）影响因素：原子半径和溶剂结构。 （3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。
•晶体结构理论
固溶体的结构
（1）晶格畸变。 （2）偏聚与有序：取决于同类原子和异类原子间结合力
•晶体结构理论
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
• 共价键
– 共享电子形成的强键 – 氢的共价键，s电子共享， – 其他共价键，p电子共享或sp杂化
•晶体结构理论
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。
• 当电子束轰击靶，将靶材的内层电子击出时，在低 能级上产生空位，原子处于激发状态
• 空位从K层移到L层，产生Kα辐射，空位从K层移到 M层，产生Kβ辐射
•X射线衍射
•原子对入射X射线产生散射 •（不）相干散射（不）同相 •晶面对散射的作用
•布拉格方程：2dsinθ=λ
•原子对散射的作用 •简单点阵都能衍射 •体心点阵h+k+l为偶数衍射 •面心点阵hkl为全偶或全奇衍射
•晶体结构理论
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
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•晶体结构理论
•晶体结构理论
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。
c 电负性因素 电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。
d 电子浓度因素 电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，与
溶剂晶体结构有关。一价面心立方金属为1.36，一价体心 立方金属为1.48。
（上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属 与合金的电子理论。）
•晶体结构理论
间隙固溶体 （1）组成：原子半径较小（小于0.1nm)的非金属元素
重量数/摩尔质量=摩尔数
• 决定材料物性
– 原子系统：作为经典粒子处理 – 电子系统：表现出明显的量子力学特
征，电子具有波粒两象性
对于以一定速度u（动量为p）运动的粒子，可与一个波 长为 λ的物质波建立联系，联系二象性的基本方程是：
其中，u是粒子运动的速度，p是粒子的动量，h是普朗克常量。
• 波粒两象性
称形成的弱键
变化偶极键—原子间键 由电子不对称 形成的极弱键
• 离子键
– 得失电子形成的强键，有方向性和饱和性
• 原子吸收（释放）能量失去（得到）电子形成正 （负）离子
• 正负离子吸引形成分子，并释放出能量
– 固体形成离子晶体
• 如：NaCl, CsCl,
– 离子晶体有高的晶格能和熔点，高的硬度和脆 性
•晶体结构理论
类型
作用各力种来结源 合键的主键强合弱要特点进行比形成较晶体的特点
原子得、失电子后形成
无方向性键、高配位数、高熔点、高
离子键 负 、 正 离 子 ， 正 负 离 子 最强 强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较
间的库仑引力
差、固态不导电、熔态离子导电
相邻原子价电子各处于
有方向性键、低配位数、高熔点、高
铁的置换固溶体
•晶体结构理论
Fe3C 渗碳体 •正交结构（新结构） •化合物
合金的晶体结构（相）
• 固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。 溶剂-溶质
• 中间相（金属化合物）：组成原子有固定比 例，其结构与组成组元均不相同的相。
•晶体结构理论
按溶质原子位置不同，可分为 置换固溶体和间隙固溶体
•晶体结构理论
氢键
氢原子核与极性分子间 的库仑引力
弱
• 铁的同素异晶转变
• 晶体结构分析
– X射线源
• 1895年伦琴发现
• 钨丝（阴极）加热产生电子，电子激发靶材（阳 极）产生X射线
• X射线为波长很短的电磁波
0.05～0.25nm(可见光波长600nm)
• 核外电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于 各能级，最靠近核的K层能量最低
•晶体结构理论Leabharlann Baidu
合金的晶体结构（相）
•铁＋碳：（碳）钢 •铁＋碳＋其它（合金）元素：合金钢
•晶体结构理论
合金的晶体结构
•铁＋碳
铁：体心立方
碳（石墨）：六方
•晶体结构理论
铁的间隙固溶体 •体心立方
•晶体结构理论
铁的间隙固溶体－－铁素体
•晶体结构理论
铁＋锰 •铁的置换固溶体 •体心立方
•晶体结构理论
原子模型
•晶体结构理论
广岛原子弹爆炸后的惨景 IBM的实验室用铁原子拼出的汉字“原子”
原子序数和原子质量
• 原子周期表和原子序数
– 经典的原子模型认为，对原子序数为Z 的原子，是由带正电荷+Ze的原子核和 Z个绕核旋转的电子组成。
– 同族元素有相同的性质，不同族表示 不同电子数对键合的贡献。
• 0族：惰性气体，最外层8电子，稳定； • IA：碱金属， 最外层1电子，易失去； • IIVA：卤素，最外层7电子，易得1电子；
• 按不确定原理，约50%电子落在波尔半径内
– 电子态的量子数
现代用四个量子数来表示原子核外的电子态 • 主量子数n：1, 2…, 7
• 角量子数l：0,1,2…,n-1 (s, p, d, f )
• 磁量子数m: -l~l, 0 • 自旋量子数ms: -1/2,1/2
– 电子的具体布局遵循以下原则
– 当特征尺度a> λ，粒子性为主 – 当特征尺度a< λ，波动性为主
电子结构
– 氢原子
• 单原子结构，核外电子仅受核的库仑场影响 • 由量子力学可求得电子的能级结构 • 当电子被激发到高(低)能级，需吸收(释放)能量
△E=hv=hc/λ h：普朗克常数，v：光频率，c:光速， λ:光波长
• 波尔用氢的光谱数据计算认为氢电子在确定半径的 轨道运行，其能级E = -13.6/n2 (ev)
– 对于多电子原子，在化学键中起作用的是外壳 层电子
– 电子结构和化学性
• 惰性气体 最外层结构被填满，最稳定的化学性 • 正电性元素和负电性元素
1A,2A正电性，失电子 4A~7A可正可负 • 负电性 元素得电子的能力，0~4.1 最小为碱性金属，最大为F，O，N
键合类型
– 一次键：离子键、共价键、金属键 – 二次键：永久偶极键—分子间键 由电子不对
• X射线衍射的结构分析
何种结构？
• X射线衍射的结构分析
已知2theta角: 40, 58, 73, 86.8, 100.4, 114.7, X射线波长0.154nm,求: (1)晶体结构? (2)点阵常数? (3)元素种类?
•晶体结构理论
合金的相结构
•晶体结构理论
•晶体结构理论
合金的晶体结构 •什么是合金？
Si 3s23p2, sp杂化，形成4个共价键
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•晶体结构理论
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
共价键 相 反 的 自 旋 状 态 ， 原 子 强 强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较
核间的库仑引力
差、即使在熔态也不导电
金属键
自由电子气与正离子实 之间的库仑引力
较强
无方向性键、结构密堆、配位数高、 塑性较好、有光泽、良好的导热、导 电性
分子键
原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
最弱
无方向性键、结构密堆、高熔点、绝 缘
他的学生德谟克里特接受了这种物质碎片 会小到不可再分的观念，并称这种物质的 最小组成单位为“原子”（意思是“不可分 割”）
留基伯 德谟克里特
• 19世纪接近尾声的时候，玛丽·居里打开了原子的大门，证明原子不 是物质的最小粒子。很快科学家就发现了两种亚原子粒子：电子和质 子。1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子，这次科学家们又认为发 现了最小粒子。
• 原子质量
– 1原子C12的重量的1/12为一个原子量
或：1摩尔C12的重量被设定为12克
• C12=6质子+6中子 • 1摩尔=6.023*1023个原子 • C13=6质子+7中子，同位素
– 1克摩尔Al原子=6.023*1023个Al原子数 =26.98克
– 重量百分数(wt%)与原子百分数(at%)
第二章 固体的结构
•一些典型晶体的结构特点 •决定结构的主要因素 •结构与性能的关系 •结构与性能的周期性。
• 万物由什么组成？
• 物质可以被无休止地分割为愈来愈小的物 质单元，还是存在构成世界的“砖块”？
公元前5世纪的古希腊哲学家留基伯在致力 于思考分割物质问题后，得出一个结论： 分割过程不能永远继续下去，物质的碎片 迟早会达到不可能分得更小的地步。
• 泡利不相容原理 同一个电子态只有一个电子占据
• 能量最低原理 电子优先占据能量低的轨道
• 洪德原理 在未填满的壳层中，电子的自旋值尽可能的大
– 多电子的能级顺序，按能级从低到高逐级填 充，构成原子壳层结构
7s 7p 7d 7f 6s 6p 6d 6f 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s
•合金是由金属和其他一种或多种 元素通过化学键键合而形成的材料 •组成合金的每种元素称为组元
•晶体结构理论
合金的晶体结构（相）
相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成 部分。（如单相、两相、多相合金。）
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• 金属键
– 共享电子形成的强键，无方向性和饱和性 – 金属离子浸在电子云中， – 碱金属s电子共享，晶格能、熔点都低 – 过渡金属dsp杂化，晶格能、熔点升高 – d满，则晶格能、熔点下降
•晶体结构理论
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。
原子结构
– 原子 ： 原子核（质子、中子）+电子 – 电荷数：质子=电子=1.602*10-19库仑 – 重量：质子=中子=1.673*10-24g
电子=9.109*10-28g
夸克 轻子
第一代 第二代 第三代
上夸克 粲夸克 顶夸克 下夸克 奇异夸克 底夸克
电中微子 μ中微子 τ中微子
电子
μ子
τ子
•晶体结构理论
置换固溶体 （1）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶
体。 （2）影响置换固溶体溶解度的因素
a 原子尺寸因素 原子尺寸差越小,越易形成置换固溶体,且溶解度越大。 △r=(rA-rB)/rA 当△r<15%时，有利于大量互溶。
•晶体结构理论
b 晶体结构因素 结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。
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•晶体结构理论
分子键与分子晶体 氢 键 ： （ 离 子 结 合 ） X-H---Y （ 氢 键 结 合 ） ， 有 方 向 性，如O-H—O
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按固溶度不同，可分为 有限固溶体和无限固溶 体。
按溶质原子分布不同， 可分为无序固溶体和 有序固溶体。
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