第1章——液态金属的结构与性质-2014详解
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第一章 液态金属的结构与性质
授 课：刘 洪 喜
第一节 液体概念的引入
一、液体类型（按液体结构和内部作用力分）
原子液体； 分子液体； 离子液体
二、液体的特征、结构和性质
最显著特征：流动性 *结构特征：“远程无序”而“近程有序”
物理性质：密度，粘度，导电率，热导率，扩散系数
物化性质：等压热容，等容热容，熔化和气化潜热，结 晶潜热，表面张力，界面张力
液体——相对于晶体而言，液体原子在宏观上不具备平移对 称性（远程无序），相对于气体，表现为近程有序
（二）液态与固态、气体的衍射特征
图 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征
举例：液态和固态Au的X射线衍射图像
1、液态Au的X射线衍射图像显示出一慢射的衍射环，表明在液态Au中存 在一些紊乱分布的原子，造成对X射线的散射
三、实际金属的液态结构
理想纯金属液态结构 能量起伏和结构起伏
实际纯金属液态结构 存在大量多种分布不均匀、存在方式（溶 质或化合物）不同的杂质原子
金属（二元合金）液态结构 存在第二组元时，表现为能量起伏、 结构起伏和浓度起伏
实际金属（多元合金）液态结构 相当复杂，存在着大量时聚时 散，此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、气态 杂质或化合物，表现为三种起伏特征交替
平均原子间距r：对液态，对 应于RDF第一峰的位置，r = r1表示参考原子至其周围第一 配层各原子的平均原子间距
配位数N1：RDF第一峰之
下的积分面积
Байду номын сангаасrm
N1 4 0 grr 2dr
r0
N1 表示参考原子周围最近邻 (第一壳层)原子数（如图）
图 液体配位数N1的求法
r1 表示参考原子与其周围第 一配位层各原子的平均原子 间距，也表示某液体的平均 原子间距
团
簇
的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象
浓度起伏 指在多组元液态金属中，由于同种元素及不同元素
之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一
起而把别的原子排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成
分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发
生着变化的现象
四、液态金属结构的理论模型（自学）
热力学性质：蒸汽压，膨胀和压缩系数
*三、液态金属结构的研究方法
间接方法：即通过固-液、固-气转变后一些物理性质的 变化判断液态原子的结合状况
直接方法：X射线衍射分析研究液态金属原子排列状况
*四、液体与固体、气体的比较
第二节 液体金属的结构
一、液态与固态、气体的结构比较及衍射特征
二、由物质熔化过程认识液态金属的结构
（一）无规密堆硬球模型——RCP
模型特征 以无规堆积的硬球来描述液体结构。在无规密堆铁球表 面灌以油漆，固化后球与球相邻处留下漆斑，籍以构建以球中心为 各个节点的间隙多面体，并统计配位数分布及平均值。液体结构中 存在五种间隙多面体模型
四面体 八面体 三角棱柱多面体 四方十二面体 阿基米德反棱柱多面体
2、固态Au的X射线衍射图像为分布规则的亮斑（点），显示出了与特定晶 面反射相一致的衍射斑，原子排列较规则
（三）液态金属的径向分布函数
偶分布函数g (r) 的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个
粒子的几率，换言之，表示离开参考原子(处于坐标原子r = 0)距离 为r的位置的数密度ρ (r) 对于平均数密度ρ 0（=N/V）的相对偏差
73% 20% 3% 3% 1%
（二）液态金属结构的晶体缺陷模型
1、微晶模型 液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成。在微晶 体中，金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间以 界面相连接
微晶的存在能很好地解释液态金属中的短程有序性，因而该模型 能很好地描述近液相线（低温）液态金属的微观结构。但是，该 模型对高温液态金属的微观结构无法进行解释
能量起伏 指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同 一原子的能量也会随时间而不停变化，出现时高时低的现象
结构起伏 指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断
分化组合，由于“能量起伏”，部分金属原子（离子）从某个团
簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，这样此
起彼伏，不断发生着涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样，
r 0g r
○
1、当r（距离参考原子的距离）小于原子的半径，由于原子斥
力， r=0
2、当r（距离参考原子的距离）较大时，r , r 0
相当于非晶态
3、也就是说，在近距离范围内，液态原子的排列位置与固态 相似，而在远距离范围内就缺乏有序排列了
径向分布函数（RDF）
4r 20 gr
上式表示在 r 和 r+dr之间的球 壳中原子数的多少。图中带点 的红色曲线为稍高于熔点时 （白色）各种液态碱金属的径 向分布函数变化
熔化潜热——指当物质加热到熔点后，从固态变为液态或由 液态变为固态时吸收或放出的热量
结晶潜热——在温度保持不变的情况下，单位质量的物质从 液态转变到固态时所释放出的热量
气化潜热——常压下，单位质量的物质在一定温度下由液态 转换成气态所需的热量
汽化潜热——即温度不变时，单位质量的某种液体物质在汽 化过程中所吸收的热量。汽化分两种，蒸发和 沸腾。两者都吸热，蒸发只在液体表面，而沸 腾是液体的内部和表面同时进行的
液体平均原子间距r1和N1被认为是液体最重要的结构参数
二、由物质熔化过程认识液态金属结构
物质熔化时——体积变化、熵变和焓变一般均不很大（具体见书 中的表1-1）。金属熔化时体积变化（多增大）为3%~5%。表明 液体原子间距接近于固体，在熔点附近系统混乱度只是稍大于固 体而远小于气体
金属熔化潜热比气化潜热小得多（见表1-2），大约为3%~7%。 表明熔化时，其内部原子结合键只有部分被破坏，液体金属内 原子的局部分布仍有一定规律。即固态向液态转变时，原子的 结合键破坏有限，液态和固态的结构是相似的
三、实际金属的液态结构
四、液态金属结构的理论模型 五、对液态金属结构的再认识及研究新进展
了解
一、液态与固态、气体结构比较及衍射特征
（一）液态与固态、气体结构比较
晶体——原子在晶格节点上表现出平移、对称性特征，同时 以某种模式在平衡位置作热振动（远程有序）
气体——分子和原子无规则运动，分子平均间距比其尺寸大 得多，空间分布上表现为完全无序
授 课：刘 洪 喜
第一节 液体概念的引入
一、液体类型（按液体结构和内部作用力分）
原子液体； 分子液体； 离子液体
二、液体的特征、结构和性质
最显著特征：流动性 *结构特征：“远程无序”而“近程有序”
物理性质：密度，粘度，导电率，热导率，扩散系数
物化性质：等压热容，等容热容，熔化和气化潜热，结 晶潜热，表面张力，界面张力
液体——相对于晶体而言，液体原子在宏观上不具备平移对 称性（远程无序），相对于气体，表现为近程有序
（二）液态与固态、气体的衍射特征
图 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征
举例：液态和固态Au的X射线衍射图像
1、液态Au的X射线衍射图像显示出一慢射的衍射环，表明在液态Au中存 在一些紊乱分布的原子，造成对X射线的散射
三、实际金属的液态结构
理想纯金属液态结构 能量起伏和结构起伏
实际纯金属液态结构 存在大量多种分布不均匀、存在方式（溶 质或化合物）不同的杂质原子
金属（二元合金）液态结构 存在第二组元时，表现为能量起伏、 结构起伏和浓度起伏
实际金属（多元合金）液态结构 相当复杂，存在着大量时聚时 散，此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、气态 杂质或化合物，表现为三种起伏特征交替
平均原子间距r：对液态，对 应于RDF第一峰的位置，r = r1表示参考原子至其周围第一 配层各原子的平均原子间距
配位数N1：RDF第一峰之
下的积分面积
Байду номын сангаасrm
N1 4 0 grr 2dr
r0
N1 表示参考原子周围最近邻 (第一壳层)原子数（如图）
图 液体配位数N1的求法
r1 表示参考原子与其周围第 一配位层各原子的平均原子 间距，也表示某液体的平均 原子间距
团
簇
的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象
浓度起伏 指在多组元液态金属中，由于同种元素及不同元素
之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一
起而把别的原子排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成
分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发
生着变化的现象
四、液态金属结构的理论模型（自学）
热力学性质：蒸汽压，膨胀和压缩系数
*三、液态金属结构的研究方法
间接方法：即通过固-液、固-气转变后一些物理性质的 变化判断液态原子的结合状况
直接方法：X射线衍射分析研究液态金属原子排列状况
*四、液体与固体、气体的比较
第二节 液体金属的结构
一、液态与固态、气体的结构比较及衍射特征
二、由物质熔化过程认识液态金属的结构
（一）无规密堆硬球模型——RCP
模型特征 以无规堆积的硬球来描述液体结构。在无规密堆铁球表 面灌以油漆，固化后球与球相邻处留下漆斑，籍以构建以球中心为 各个节点的间隙多面体，并统计配位数分布及平均值。液体结构中 存在五种间隙多面体模型
四面体 八面体 三角棱柱多面体 四方十二面体 阿基米德反棱柱多面体
2、固态Au的X射线衍射图像为分布规则的亮斑（点），显示出了与特定晶 面反射相一致的衍射斑，原子排列较规则
（三）液态金属的径向分布函数
偶分布函数g (r) 的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个
粒子的几率，换言之，表示离开参考原子(处于坐标原子r = 0)距离 为r的位置的数密度ρ (r) 对于平均数密度ρ 0（=N/V）的相对偏差
73% 20% 3% 3% 1%
（二）液态金属结构的晶体缺陷模型
1、微晶模型 液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成。在微晶 体中，金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间以 界面相连接
微晶的存在能很好地解释液态金属中的短程有序性，因而该模型 能很好地描述近液相线（低温）液态金属的微观结构。但是，该 模型对高温液态金属的微观结构无法进行解释
能量起伏 指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同 一原子的能量也会随时间而不停变化，出现时高时低的现象
结构起伏 指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断
分化组合，由于“能量起伏”，部分金属原子（离子）从某个团
簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，这样此
起彼伏，不断发生着涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样，
r 0g r
○
1、当r（距离参考原子的距离）小于原子的半径，由于原子斥
力， r=0
2、当r（距离参考原子的距离）较大时，r , r 0
相当于非晶态
3、也就是说，在近距离范围内，液态原子的排列位置与固态 相似，而在远距离范围内就缺乏有序排列了
径向分布函数（RDF）
4r 20 gr
上式表示在 r 和 r+dr之间的球 壳中原子数的多少。图中带点 的红色曲线为稍高于熔点时 （白色）各种液态碱金属的径 向分布函数变化
熔化潜热——指当物质加热到熔点后，从固态变为液态或由 液态变为固态时吸收或放出的热量
结晶潜热——在温度保持不变的情况下，单位质量的物质从 液态转变到固态时所释放出的热量
气化潜热——常压下，单位质量的物质在一定温度下由液态 转换成气态所需的热量
汽化潜热——即温度不变时，单位质量的某种液体物质在汽 化过程中所吸收的热量。汽化分两种，蒸发和 沸腾。两者都吸热，蒸发只在液体表面，而沸 腾是液体的内部和表面同时进行的
液体平均原子间距r1和N1被认为是液体最重要的结构参数
二、由物质熔化过程认识液态金属结构
物质熔化时——体积变化、熵变和焓变一般均不很大（具体见书 中的表1-1）。金属熔化时体积变化（多增大）为3%~5%。表明 液体原子间距接近于固体，在熔点附近系统混乱度只是稍大于固 体而远小于气体
金属熔化潜热比气化潜热小得多（见表1-2），大约为3%~7%。 表明熔化时，其内部原子结合键只有部分被破坏，液体金属内 原子的局部分布仍有一定规律。即固态向液态转变时，原子的 结合键破坏有限，液态和固态的结构是相似的
三、实际金属的液态结构
四、液态金属结构的理论模型 五、对液态金属结构的再认识及研究新进展
了解
一、液态与固态、气体结构比较及衍射特征
（一）液态与固态、气体结构比较
晶体——原子在晶格节点上表现出平移、对称性特征，同时 以某种模式在平衡位置作热振动（远程有序）
气体——分子和原子无规则运动，分子平均间距比其尺寸大 得多，空间分布上表现为完全无序