材料科学基础课件第一章原子结构与键合PPT课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
②凡是外层电子填充在4f 轨道上的元素称为镧系元素， 包括第六周期中从镧(La，Z = 57)到镥(Lu，Z = 71)的15 个元素。凡是外层电子填充在5f 轨道上的元素称为锕系元 素，包括第七周期中从锕(Ac，Z = 89)到铑(Lr，Z = 103) 的15个元素。
11
为了定量地描述电子的状态和出现在某
8
三、核外电子组态 在多电子的原子中核外电子的排布遵循如下
三个原则： （1）能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系
的能量最低。电子总是先占据能量最低的壳层， 填满后在依次进入能量较高的壳层。 即按照如下 顺序：K→L→M→……。在同一壳层中按照 s、p、 d、f 的顺序排列。 （2）Pauli不相容原理 （Pauli Exclusion Principle）：在一个原子中 不可能有运动状态完全相同的两个电子，即不可 能有四个量子数都相同的两个原子。 （3）Hund 规则：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（有例外）。
10
以上三个周期成为短周期，其特点是所有元素的电子 态均为 s 或 p 态。
(4)从第四周期起，是长周期。不仅包含 s，p 态，还 包含 d 或 f 状态，即电子填充在 d 或 f 轨道。其分析方法 和短周期基本相同。但有下面两个特点必须记住：
①凡是外层电子填充在d 轨道的元素都称为过渡元素。 因此，第四周期中从钪(Sc，Z = 21)到铜(Cu，Z = 29)， 第五周期中从钇(Y，Z = 39)到银(Ag，Z = 47)，第六周期 中从铪(Hf，Z = 72)到金(Au，Z = 79)均为过渡族元素。
1
第一节 原子结构
一、经典模型和玻尔（Bohr）理论 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。为了解释原子的稳定性和原子光谱(尖锐的线状光 谱），玻尔对此经典模型作了两点重要的修正。
图1－101 波尔原子模型示意图
1.电子不能在任意半径的轨道上运动 电子只能在一些半径为确定值 r 1, r2, …的轨道上运动。
处的几率，需要引入一个几率波的波函数 ψ(r,t)，而|ψ(r,t)|2 = ψ(r,t)ψ(r,t)*就是在t 时 刻，在位矢为r 处单位体积内找到电子的几 率（也就是在 r 处的电子云(Electron Cloud） 密度）。ψ 满足波动力学基本方程，即薛 定谔方程：
我们把在确定半径的轨道上运动的电子状态称为定态。每 一定态（即每一个分立的 r 值）对应着一定的能量 E 。 由于 r 只能取分立的数值(轨道半径的分立性)，对应的能量 E 也只能取分立的数值，这就叫能级的分立性。
2
当电子从能量为 E1 的轨道跃迁到能量 为 E2 的轨道上时，原子就发出（当 E1 > E2 时）或吸收（当 E1 < E2 时）频率为 ν 的辐射波,当辐射波是电磁波的形式时，频 率 ν 值符合爱因斯坦公式，即：E1 - E2 = h ν(1-101)式中 h 是普朗克常量，h = 6.63×10-34J·s
9
根据以上的原则我们可以分析元素周期表中 各原子的电子分布。 (1)第一周期只有一个电子壳层，n = 1，只有1s2 一 个状态，故第一周期只有两个原子，分别对应1s1 （氢）和1s2（氦）。 (2)第二周期有两个电子壳层，n = 2，可占据的电子 状态为1s2,2s2,2p6，共可容纳 2+2+6=10个电子， 故包含从锂到氖的8个元素。 (3)第三周期有三个电子壳层，n = 3，可占据的电子 状态除n = 2 的壳层外，还有3s2,3p6,3d 10，但 由于E3d > E4s ，因此，第三壳层中不包括 3d 态。故第三周期可容纳的总电子数为18，只包 含从钠到氩的 8 个元素。
(1-103) 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。
7
由(1-103)式可以看出，如果通过改变外场而 改变电子的动量，电子波的波长也就随之而变该 式可以认为是一切有关原子结构和晶体性质的理 论的基础。
图1-102 玻尔模型和波动力学模型比较
由于电子具有波动性，谈论电子在某一瞬时 的准确位置就没有意义。我们只能问电子出现在 某一位置的几率(即可能性），因为电子有可能出 现在各个位置，只是出现在不同位置的几率不同。
要克服玻尔理论的缺陷和矛盾，就必须摒弃 牛顿力学，建立崭新的理论，这就是波动力学 （或量子力学）理论。
6
按照波动力学观点，电子和一切微观粒 子都具有二象性，即既具有粒子性，又具 有波动性。也就是说对于以一定速度 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：
3
2.角动量的量子化 处于定态的电子，其角动量 L 也只能
取一些分立的数值，且必须为 h / (2π)的整数倍，即：
(1-102) 式中 m 和 u 分别为电子的质量和速度， 角量子数 k 为整数。(1-102)式称为角动量 的量子化条件。
4
对于氢原子，轨道是圆形的。对于非氢 原子，轨道可以是椭圆形的，此时就需要 引入两个量子数。一个是度量轨道能量的 主量子数 n，另一个是度量轨道角动量的角 量子数 k 。
可以认为 n 和 k 分别决定了椭圆的长 轴和短轴，而 k/n 则决定了椭圆的偏心率。
5
Байду номын сангаас
二、波动力学（Wave-Mechanics）理论和近代原 子结构模型
玻尔理论虽然能定性地解释原子的稳定性 （定态的存在）和线状原子光谱，但在细节和定 量方面仍与实验事实有差别。特别是，它不能解 释电子衍射现象，因为它仍然是将电子看作为服 从牛顿力学的粒子，不过附加了两个限制条件， 即能量的分立性和角动量的量子化条件，从理论 上讲这是不严密的。
第一章 原子结构与键合 (Atomic structure
and interatomic bonding)
本章要讨论的主要问题是： (1) 为什么原子能结合成固体？ (2) (2) 材料中存在哪几种键合方式？ (3) (3) 决定键合方式的主要因素有哪些？ (4) (4) 材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？
11
为了定量地描述电子的状态和出现在某
8
三、核外电子组态 在多电子的原子中核外电子的排布遵循如下
三个原则： （1）能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系
的能量最低。电子总是先占据能量最低的壳层， 填满后在依次进入能量较高的壳层。 即按照如下 顺序：K→L→M→……。在同一壳层中按照 s、p、 d、f 的顺序排列。 （2）Pauli不相容原理 （Pauli Exclusion Principle）：在一个原子中 不可能有运动状态完全相同的两个电子，即不可 能有四个量子数都相同的两个原子。 （3）Hund 规则：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（有例外）。
10
以上三个周期成为短周期，其特点是所有元素的电子 态均为 s 或 p 态。
(4)从第四周期起，是长周期。不仅包含 s，p 态，还 包含 d 或 f 状态，即电子填充在 d 或 f 轨道。其分析方法 和短周期基本相同。但有下面两个特点必须记住：
①凡是外层电子填充在d 轨道的元素都称为过渡元素。 因此，第四周期中从钪(Sc，Z = 21)到铜(Cu，Z = 29)， 第五周期中从钇(Y，Z = 39)到银(Ag，Z = 47)，第六周期 中从铪(Hf，Z = 72)到金(Au，Z = 79)均为过渡族元素。
1
第一节 原子结构
一、经典模型和玻尔（Bohr）理论 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。为了解释原子的稳定性和原子光谱(尖锐的线状光 谱），玻尔对此经典模型作了两点重要的修正。
图1－101 波尔原子模型示意图
1.电子不能在任意半径的轨道上运动 电子只能在一些半径为确定值 r 1, r2, …的轨道上运动。
处的几率，需要引入一个几率波的波函数 ψ(r,t)，而|ψ(r,t)|2 = ψ(r,t)ψ(r,t)*就是在t 时 刻，在位矢为r 处单位体积内找到电子的几 率（也就是在 r 处的电子云(Electron Cloud） 密度）。ψ 满足波动力学基本方程，即薛 定谔方程：
我们把在确定半径的轨道上运动的电子状态称为定态。每 一定态（即每一个分立的 r 值）对应着一定的能量 E 。 由于 r 只能取分立的数值(轨道半径的分立性)，对应的能量 E 也只能取分立的数值，这就叫能级的分立性。
2
当电子从能量为 E1 的轨道跃迁到能量 为 E2 的轨道上时，原子就发出（当 E1 > E2 时）或吸收（当 E1 < E2 时）频率为 ν 的辐射波,当辐射波是电磁波的形式时，频 率 ν 值符合爱因斯坦公式，即：E1 - E2 = h ν(1-101)式中 h 是普朗克常量，h = 6.63×10-34J·s
9
根据以上的原则我们可以分析元素周期表中 各原子的电子分布。 (1)第一周期只有一个电子壳层，n = 1，只有1s2 一 个状态，故第一周期只有两个原子，分别对应1s1 （氢）和1s2（氦）。 (2)第二周期有两个电子壳层，n = 2，可占据的电子 状态为1s2,2s2,2p6，共可容纳 2+2+6=10个电子， 故包含从锂到氖的8个元素。 (3)第三周期有三个电子壳层，n = 3，可占据的电子 状态除n = 2 的壳层外，还有3s2,3p6,3d 10，但 由于E3d > E4s ，因此，第三壳层中不包括 3d 态。故第三周期可容纳的总电子数为18，只包 含从钠到氩的 8 个元素。
(1-103) 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。
7
由(1-103)式可以看出，如果通过改变外场而 改变电子的动量，电子波的波长也就随之而变该 式可以认为是一切有关原子结构和晶体性质的理 论的基础。
图1-102 玻尔模型和波动力学模型比较
由于电子具有波动性，谈论电子在某一瞬时 的准确位置就没有意义。我们只能问电子出现在 某一位置的几率(即可能性），因为电子有可能出 现在各个位置，只是出现在不同位置的几率不同。
要克服玻尔理论的缺陷和矛盾，就必须摒弃 牛顿力学，建立崭新的理论，这就是波动力学 （或量子力学）理论。
6
按照波动力学观点，电子和一切微观粒 子都具有二象性，即既具有粒子性，又具 有波动性。也就是说对于以一定速度 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：
3
2.角动量的量子化 处于定态的电子，其角动量 L 也只能
取一些分立的数值，且必须为 h / (2π)的整数倍，即：
(1-102) 式中 m 和 u 分别为电子的质量和速度， 角量子数 k 为整数。(1-102)式称为角动量 的量子化条件。
4
对于氢原子，轨道是圆形的。对于非氢 原子，轨道可以是椭圆形的，此时就需要 引入两个量子数。一个是度量轨道能量的 主量子数 n，另一个是度量轨道角动量的角 量子数 k 。
可以认为 n 和 k 分别决定了椭圆的长 轴和短轴，而 k/n 则决定了椭圆的偏心率。
5
Байду номын сангаас
二、波动力学（Wave-Mechanics）理论和近代原 子结构模型
玻尔理论虽然能定性地解释原子的稳定性 （定态的存在）和线状原子光谱，但在细节和定 量方面仍与实验事实有差别。特别是，它不能解 释电子衍射现象，因为它仍然是将电子看作为服 从牛顿力学的粒子，不过附加了两个限制条件， 即能量的分立性和角动量的量子化条件，从理论 上讲这是不严密的。
第一章 原子结构与键合 (Atomic structure
and interatomic bonding)
本章要讨论的主要问题是： (1) 为什么原子能结合成固体？ (2) (2) 材料中存在哪几种键合方式？ (3) (3) 决定键合方式的主要因素有哪些？ (4) (4) 材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？