原子结构和键合课件
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基态多电子原子的电子总是首先自旋平行地、单独地填入简 并轨道。
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
镁(原子序数12)原子结构中K,L和M量子壳层的电子分布状况
1.能量最低原理 基态原子核外电子的排布力求使整个原子的能量处于最低状 态。 填充顺序：构造原理 2.泡利不相容原理 基态多电子原子中不可能同时存在4个量子数完全相同的电 子。 或：在一个轨道里最多只能容纳2个电子，它们的自旋方向 相反。 3.洪特规则
原子（atom) rH = 3.7 10 -2 nm rAl = 1.43 10 -1 nm
-27 质子（proton）：正电荷m＝1.6726×10 kg 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电 -27 中子（neutron）：电中性m＝1.6748×10 kg 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） -31 m ＝9.1095 10 kg，约为质子的1/18 36
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 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒
1879年 1911年 1913年
第一节
原子结构和键合
Atomic Structure and Interatomic Bonding
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
人类认识原子历史回顾
※1原子结构 （Atomic Structure ）
J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 E.Rutherford提出原子结构有核模型 N.Bohr将 M.Plank和A.Einstein量子论
Rutherford 原子有核模型
原子结构的量子理论
Bohr atomic model
二、原子的结构
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n i：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q electron shell 轨道动量量子数l ：与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2， n 1, s，p，d，f i shape of the electron subshell 磁量子数m ：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-l ，-(l 1), 1, 0,1, l i i i i spatial orientation of an electron cloud 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 2 2 核外电子的排布（electron configuration)规律
元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form)
13 14 C12 ，C ，C 6 6 6
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。
37
K
IVB VB VIB VIIB 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn
第2章 材料科学基础
材料不是力学意义上的连续介质，而是具有丰富多彩 的不同层次结构的物质。而且，从微观到宏观，各个 层次上的结构都具有不同的特征，它们均在不同程度 上和不同的范围内影响着材料的行为与性能。近百年 来，经过几代人不断地试验与研究、探索与归纳，已 经就不同结构层次上材料的特征与行为而总结出许多 规律来，建立了相应的概念、原理，它们共同组成材 料科学的基本理论。
1 氢
3
IA 1 H
2
2 锂 铍 11 Na 12 Mg 3 钠 镁 IIIB
19
IIA Li 4 Be
IIIA IVA 5 B 6 C
VA 7 N
15
VIA VIIA 氦 8 O 9 F 10 Ne
He
Baidu Nhomakorabea
硼
13
碳 硅
氮 氧 磷 硫
P
16
氟 氖
17
4 钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪
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）
核电荷 ↑ ，原子半径 ↓ 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，电子层数 ↑ ，原子半径 ↑ 同主族元素：上 下，金属性↑ ，非金属性↓ 电离能 ↓ ，失电子能力 ↑ ，得电子能力 ↓
本章依次介绍其主要理论框架： 材料的原子结构和键合作用； 材料的原子排列特征； 材料的结构缺陷； 材料中的原子扩散； 材料的相图与相变；
材料的强化与韧化等。
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
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
镁(原子序数12)原子结构中K,L和M量子壳层的电子分布状况
1.能量最低原理 基态原子核外电子的排布力求使整个原子的能量处于最低状 态。 填充顺序：构造原理 2.泡利不相容原理 基态多电子原子中不可能同时存在4个量子数完全相同的电 子。 或：在一个轨道里最多只能容纳2个电子，它们的自旋方向 相反。 3.洪特规则
原子（atom) rH = 3.7 10 -2 nm rAl = 1.43 10 -1 nm
-27 质子（proton）：正电荷m＝1.6726×10 kg 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电 -27 中子（neutron）：电中性m＝1.6748×10 kg 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） -31 m ＝9.1095 10 kg，约为质子的1/18 36
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 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒
1879年 1911年 1913年
第一节
原子结构和键合
Atomic Structure and Interatomic Bonding
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
人类认识原子历史回顾
※1原子结构 （Atomic Structure ）
J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 E.Rutherford提出原子结构有核模型 N.Bohr将 M.Plank和A.Einstein量子论
Rutherford 原子有核模型
原子结构的量子理论
Bohr atomic model
二、原子的结构
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n i：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q electron shell 轨道动量量子数l ：与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2， n 1, s，p，d，f i shape of the electron subshell 磁量子数m ：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-l ，-(l 1), 1, 0,1, l i i i i spatial orientation of an electron cloud 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 2 2 核外电子的排布（electron configuration)规律
元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form)
13 14 C12 ，C ，C 6 6 6
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。
37
K
IVB VB VIB VIIB 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn
第2章 材料科学基础
材料不是力学意义上的连续介质，而是具有丰富多彩 的不同层次结构的物质。而且，从微观到宏观，各个 层次上的结构都具有不同的特征，它们均在不同程度 上和不同的范围内影响着材料的行为与性能。近百年 来，经过几代人不断地试验与研究、探索与归纳，已 经就不同结构层次上材料的特征与行为而总结出许多 规律来，建立了相应的概念、原理，它们共同组成材 料科学的基本理论。
1 氢
3
IA 1 H
2
2 锂 铍 11 Na 12 Mg 3 钠 镁 IIIB
19
IIA Li 4 Be
IIIA IVA 5 B 6 C
VA 7 N
15
VIA VIIA 氦 8 O 9 F 10 Ne
He
Baidu Nhomakorabea
硼
13
碳 硅
氮 氧 磷 硫
P
16
氟 氖
17
4 钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪
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）
核电荷 ↑ ，原子半径 ↓ 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，电子层数 ↑ ，原子半径 ↑ 同主族元素：上 下，金属性↑ ，非金属性↓ 电离能 ↓ ，失电子能力 ↑ ，得电子能力 ↓
本章依次介绍其主要理论框架： 材料的原子结构和键合作用； 材料的原子排列特征； 材料的结构缺陷； 材料中的原子扩散； 材料的相图与相变；
材料的强化与韧化等。
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