第一章 原子的结构与键合
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本章主要内容要求
基本概念和术语 原子间的结合键对材料性能的影响 用结合键的特征解释材料的性能。如用金属键的
特征解释金属材料的性能：1.正的电阻温度系数； 2.良好的延展性；3.良好的导电、导热性；4.具 有金属光泽等。
第一章 原子结构与键合
材料是国民经济的基础。
实践和研究表明：
决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子 结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间 的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。
即电子所处的量子壳层。只限于正整数1，2，3，4，…，量子壳层 可用一个大写英文字母表示，依次命名为K，L，M，N等。
n越大，代表能量 越高、离核约远。
钠原子结构中K、L和M量子壳层的电子分布情况
1.1.3 原子的结构
轨道角动量量子数（电子亚层）li：给出电子在同一量子壳 层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关。 电子亚层取值为0，1，2，···，n-1。 例如n=2，就有两个轨道角动量量子数l=0，l=1，即L壳层 中，根据电子能量差别，还包含有两个电子亚层。 为了方便常用小写的英文字母来标注： li ：0 1 2 3 4 能级 ：s p d f g 在同一量子壳层里，L取值越大，表明轨道能量越高。即亚 层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的。 而且不同电子亚层的电子云形状不同，如s层的电子云是以 原子核为中心的球状，p亚层的电子云是纺锤形。
Cu Ag Au Uuu
Zn Cd Hg Uu b
B r
I A t
5 Rb 6 Cs 7 Fr
镧系 锕系
La Ac
C e
T h
Pr Pa
Nd U
Pm Np
Sm Puቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Eu Am
Gd C m
Tb Bk
Dy Cf
Ho Es
Er Fm
T m
M d
Yb No
L u
L r
1.1.4 元素周期表
元素：具有相同核电荷数的同一类原子总称，核电荷数是划
1.1.4 元素周期表
H 0.037 Be Li 0.152 0.111 Na Mg 0.186 0.160
B C N O F 0.080 0.077 0.074 0.074 0.071 Al Si P S Cl 0.143 0.118 0.110 0.103 0.099
Cr K Ca Sc Ti V Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br 0.227 0.197 0.161 0.145 0.131 0.125 0.137 0.124 0.125 0.129 0.128 0.133 0.122 0.123 0.125 0.116 0.114 Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd Sn Rb Sr Y Zr In Sb Te I 0.248 0.215 0.178 0.159 0.143 0.136 0.135 0.133 0.135 0.138 0.145 0.149 0.163 0.141 0.145 0.143 0.133 Ir Au Hg Cs W Re Os Pt Ti Pb Po Ba Lu Hf Ta Bi 0.207 0.217 0.172 0.150 0.143 0.137 0.137 0.134 0.130 0.139 0.114 0.150 0.170 0.175 0.155 0.118
At
La Ce Pr Nb Pm Sm Eu Gd Dy Ho Er Tm Tb Yb 0.187 0.1830.182 0.181 0.181 0.180 0.180 0.178 0.176 0.175 0.174 0.173 0.173 0.104
注：表中圆圈大小，表示原子半径相对大小
1.1.4 元素周期表
分元素的依据。
同位素：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子
C ，C ，C
原子序数＝核电荷数 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）
12 6
13 6
14 6
元素有两种存在状态：游离态和化合态 周期序数＝电子壳层数
1.1.4 元素周期表
元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素 之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个 元素的原子结构和一定的性质。 元素（Element）：共116种，核电荷数是划分元素的依据
2、核外电子排布遵循的规律
（1）泡利不相容原理：
一山不容二虎 除非一公一母
在多电子的原子中核外电子的排布规律遵循以下原则：
一个原子轨道最多只能容纳二个电子，且这二个电子自旋方 向必须相反，这就是泡利不相容原理。 其实质就是一个原子中不可能有两个电子具有完全相同的运 动状态，也就是不可能有两个电子具有完全相同的四个量子 数。对于一个原子轨道来说，n、l和m都是相同的，因此这 个轨道中的各个电子其ms必须不相同，所以这一轨道中最 多只能容纳自旋方向相反的两个电子。 因此，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。
同一周期元素具有相同原子核外 电子层数，但从左→右，核电荷 依次增多，原子半径逐渐减小， 电离能增加，失电子能力降低， 得电子能力增加，金属性减弱， 非金属性增强； 同一主族元素核外电子数相同， 但从上→下，电子层数增多，原 子半径增大，电离能降低，失电 子能力增加，得电子能力降低， 金属性增加，非金属性降低。
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。
N 4s
M L 2s K 1s
3p 3s
2p
2.当角量子数l相同时，轨道能量随着主 量子数n值的增大而升高，即： E1s<E2s<E3s
1s
3. 同一原子，不同电子亚层有能级交错现象 如 E5s< E4d< E5p
1.1.3 原子的结构
（3）洪德定则：电子在等价轨道中（即在同一亚层 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，当电子排布为全充满、半充 满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。
为此我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织
状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。
第一节 原子结构
1.1.1 物质的组成
一切物质都是由无数微粒按一定的
方式聚集而成的。这些微粒可能是分 子、原子或离子。 分子是能单独存在、且保持物质化 学特性的一种微粒。
原子是化学变化中的最小微粒。
第二节 原子间的键合
结合键的定义：所谓结合键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。 根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化 学键和物理键。 化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键 合后不再仅仅属于原来的原子 )。
原子结构直接影响原子间的结合方 式。
比利时原子球
1.1.2 原子的结构
原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)
和核外电子(带负电荷)构成。
原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，
原子核的密度很大。
1.1.3 原子的电子结构
电子具有波粒二象性，既然具有波动性，电子运动就没有固 定的状态，就不可能位于某确定半径的平面轨道上，而是有
1.1.3 原子的结构
磁量子数（轨道数）mi：给出每个轨道角动量量子
数的能级数或轨道数。
mi =2li +1 取向。 磁量子数决定了电子云的空间
自旋角动量子数（自旋方向）si：反映电子不同的 自旋方向。规定取值+1/2 和 -1/2，为顺时针和逆时 针两种自旋方向，通常用“↑”和“↓”表示。
1.1.3 原子的结构
1.1.4 元素周期表
IA
碱金属
IIA
碱土金属 非金属 重稀土金属
VIIB
过渡元 素
稀有气 体 贵金属
IB IIB IIIA IVA VA VI A VI IA
0
1 2
H Li
主族金属 轻稀土金 属
IIB IVB VB VIB VIIB
He Ne Ar Kr Xe Rn
Be M g Ca Sr Ba Ra
鲍林(L．Pauling)根据光谱实验结果，总结出了多电子原子
的原子轨道近似能级图，如下图所示。
1.1.3 原子的结构
P 6s
O 5s 6p 5p 4p
5d
4d 3d 3p 3s 2p 2s
4f
5p 4d 5s 4p 3d 4s
6p 5d 4f 6s
1.当主量子数n相同时， 轨道能量随着角量子数l 值的增大而升高，即 Ens< Enp< End< Enf 此现象称为能级分裂
B Al Ga In Tl
C Si Ge Sn Pb
N P As Sb Bi
O S Se Te P o
F C l
3 Na 4 K
Sc Y L a A c
Ti Zr Hf Rf
V Nb Ta Db
Cr Mo W Sg
Mn Tc Re Bh
Fe Ru Os Hs
Co Rh Ir Mt
Ni Pd Pt Uu n
1.1.4 元素周期表
电离能(ionization energy)
气态原子失去一个电子成为一价正离子所需要 的最低能量称为第一电离能。从一价正离子失去一个电子成为二价正离子 所需要的最低能量称为第二电离能。依此类推。电离能 的大小可以反映原 子失去电子的难易程度。
25 20
He Ne
电 15 子 伏 特 10
分子中吸引电子的能力。电负性大，表示原子吸引电子 能力强； 反之，电负性小，表示原子吸引电子的能力。
鲍林标度：指定最活泼的非金属元素F的电负性值为4.0，
然后通过计算得到其它元素原子的电负性值。
一般金属元素（Au和Pt等除外）的电负性小于2.0，而
非金属元素（Si除外）大于2.0。
周期-增，主族-减
1.1.4 元素周期表
同一周期自左至右 电负性逐渐增大，
4
O 相 对 电 负 性
F
同一主族自上至下 电负性逐渐减小，
Cl Br Ru I S P Si Al Mg
3
H
N C
2
B Be
Cu
As Zn Sc Mn Ca K Rb In Y Sr Cs Ba
1
Li
Na
0
0
10
20
原子序数
30
40
50
60
可能出现在位于核外空间的任何地方，只是在不同位置出现
的概率不同（就像射箭）。 电子在原子核外空间作高速旋转 运动，就好像带负电荷的云雾笼
罩在原子核周围，故形象地称它
为电子云，后来就用电子云来代 替轨道表示单个电子出现的概率。
1.1.3 原子的结构
1. 量子力学中反映微观粒子运动的基本方程称为薛定谔方程， 它的解称为波函数，电子的状态和出现在某处的概率我们可 以用波函数来描述，既原子中一个电子的空间位置和能量可 用四个量子数来确定。(quantum number) 主量子数n（电子层）决定原子中电子能量以及与核的平均距离，
N O Be Mg B P S
Ar Kr Zn As
同周期总趋势： 自左至右增大,与原子半径减小的趋势一 致 同族总趋势： 自上至下减小,与原子半径增大的趋势一致
Xe Cd Hg
5 0
Li
Al Na
Ga
In Rb Cs
K
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
原子序数
1.1.4 元素周期表
电负性(electronegativity) 电负性表示一个元素的原子在
化学键（主价键）有：离子键、共价键、金属键。
物理键（次价键）有：范德华力，氢键。
1.2.1 金属键
（1）金属键的定义 典型金属原子结构：最外层电子数很少，且属于各个原子
1.1.3 原子的结构
（2）能量最低原理： 自然界有一条普遍的规律：体 系能量越低的状态相对越稳定。 这一规律也适用于原子结构。
电子总是占据能量最低的壳层，
电子先排满能量最低的，再进 入能量较高的壳层，而在同一
电子亚层中，电子则依次按s、p、
d、f、g的顺序排列。当然，前 提是不违背泡利不相容原则。
1.1.3 原子的结构
（2）能量最低原理： 在氢原子中，原子轨道的能级只与主量子数n有关，n越大的 轨道能级越高，n相同的轨道能级相同。所以各轨道的能级 顺序应为：1s＜2s＝2p＜3s＝3p＝3d＜4s。
但在多电子原子中，各轨道的能级不仅与主量子数有关，还
与角量子数l有关。其原因是由于存在着电子间的相互作用。
基本概念和术语 原子间的结合键对材料性能的影响 用结合键的特征解释材料的性能。如用金属键的
特征解释金属材料的性能：1.正的电阻温度系数； 2.良好的延展性；3.良好的导电、导热性；4.具 有金属光泽等。
第一章 原子结构与键合
材料是国民经济的基础。
实践和研究表明：
决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子 结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间 的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。
即电子所处的量子壳层。只限于正整数1，2，3，4，…，量子壳层 可用一个大写英文字母表示，依次命名为K，L，M，N等。
n越大，代表能量 越高、离核约远。
钠原子结构中K、L和M量子壳层的电子分布情况
1.1.3 原子的结构
轨道角动量量子数（电子亚层）li：给出电子在同一量子壳 层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关。 电子亚层取值为0，1，2，···，n-1。 例如n=2，就有两个轨道角动量量子数l=0，l=1，即L壳层 中，根据电子能量差别，还包含有两个电子亚层。 为了方便常用小写的英文字母来标注： li ：0 1 2 3 4 能级 ：s p d f g 在同一量子壳层里，L取值越大，表明轨道能量越高。即亚 层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的。 而且不同电子亚层的电子云形状不同，如s层的电子云是以 原子核为中心的球状，p亚层的电子云是纺锤形。
Cu Ag Au Uuu
Zn Cd Hg Uu b
B r
I A t
5 Rb 6 Cs 7 Fr
镧系 锕系
La Ac
C e
T h
Pr Pa
Nd U
Pm Np
Sm Puቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Eu Am
Gd C m
Tb Bk
Dy Cf
Ho Es
Er Fm
T m
M d
Yb No
L u
L r
1.1.4 元素周期表
元素：具有相同核电荷数的同一类原子总称，核电荷数是划
1.1.4 元素周期表
H 0.037 Be Li 0.152 0.111 Na Mg 0.186 0.160
B C N O F 0.080 0.077 0.074 0.074 0.071 Al Si P S Cl 0.143 0.118 0.110 0.103 0.099
Cr K Ca Sc Ti V Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br 0.227 0.197 0.161 0.145 0.131 0.125 0.137 0.124 0.125 0.129 0.128 0.133 0.122 0.123 0.125 0.116 0.114 Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd Sn Rb Sr Y Zr In Sb Te I 0.248 0.215 0.178 0.159 0.143 0.136 0.135 0.133 0.135 0.138 0.145 0.149 0.163 0.141 0.145 0.143 0.133 Ir Au Hg Cs W Re Os Pt Ti Pb Po Ba Lu Hf Ta Bi 0.207 0.217 0.172 0.150 0.143 0.137 0.137 0.134 0.130 0.139 0.114 0.150 0.170 0.175 0.155 0.118
At
La Ce Pr Nb Pm Sm Eu Gd Dy Ho Er Tm Tb Yb 0.187 0.1830.182 0.181 0.181 0.180 0.180 0.178 0.176 0.175 0.174 0.173 0.173 0.104
注：表中圆圈大小，表示原子半径相对大小
1.1.4 元素周期表
分元素的依据。
同位素：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子
C ，C ，C
原子序数＝核电荷数 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）
12 6
13 6
14 6
元素有两种存在状态：游离态和化合态 周期序数＝电子壳层数
1.1.4 元素周期表
元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素 之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个 元素的原子结构和一定的性质。 元素（Element）：共116种，核电荷数是划分元素的依据
2、核外电子排布遵循的规律
（1）泡利不相容原理：
一山不容二虎 除非一公一母
在多电子的原子中核外电子的排布规律遵循以下原则：
一个原子轨道最多只能容纳二个电子，且这二个电子自旋方 向必须相反，这就是泡利不相容原理。 其实质就是一个原子中不可能有两个电子具有完全相同的运 动状态，也就是不可能有两个电子具有完全相同的四个量子 数。对于一个原子轨道来说，n、l和m都是相同的，因此这 个轨道中的各个电子其ms必须不相同，所以这一轨道中最 多只能容纳自旋方向相反的两个电子。 因此，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。
同一周期元素具有相同原子核外 电子层数，但从左→右，核电荷 依次增多，原子半径逐渐减小， 电离能增加，失电子能力降低， 得电子能力增加，金属性减弱， 非金属性增强； 同一主族元素核外电子数相同， 但从上→下，电子层数增多，原 子半径增大，电离能降低，失电 子能力增加，得电子能力降低， 金属性增加，非金属性降低。
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。
N 4s
M L 2s K 1s
3p 3s
2p
2.当角量子数l相同时，轨道能量随着主 量子数n值的增大而升高，即： E1s<E2s<E3s
1s
3. 同一原子，不同电子亚层有能级交错现象 如 E5s< E4d< E5p
1.1.3 原子的结构
（3）洪德定则：电子在等价轨道中（即在同一亚层 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，当电子排布为全充满、半充 满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。
为此我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织
状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。
第一节 原子结构
1.1.1 物质的组成
一切物质都是由无数微粒按一定的
方式聚集而成的。这些微粒可能是分 子、原子或离子。 分子是能单独存在、且保持物质化 学特性的一种微粒。
原子是化学变化中的最小微粒。
第二节 原子间的键合
结合键的定义：所谓结合键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。 根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化 学键和物理键。 化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键 合后不再仅仅属于原来的原子 )。
原子结构直接影响原子间的结合方 式。
比利时原子球
1.1.2 原子的结构
原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)
和核外电子(带负电荷)构成。
原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，
原子核的密度很大。
1.1.3 原子的电子结构
电子具有波粒二象性，既然具有波动性，电子运动就没有固 定的状态，就不可能位于某确定半径的平面轨道上，而是有
1.1.3 原子的结构
磁量子数（轨道数）mi：给出每个轨道角动量量子
数的能级数或轨道数。
mi =2li +1 取向。 磁量子数决定了电子云的空间
自旋角动量子数（自旋方向）si：反映电子不同的 自旋方向。规定取值+1/2 和 -1/2，为顺时针和逆时 针两种自旋方向，通常用“↑”和“↓”表示。
1.1.3 原子的结构
1.1.4 元素周期表
IA
碱金属
IIA
碱土金属 非金属 重稀土金属
VIIB
过渡元 素
稀有气 体 贵金属
IB IIB IIIA IVA VA VI A VI IA
0
1 2
H Li
主族金属 轻稀土金 属
IIB IVB VB VIB VIIB
He Ne Ar Kr Xe Rn
Be M g Ca Sr Ba Ra
鲍林(L．Pauling)根据光谱实验结果，总结出了多电子原子
的原子轨道近似能级图，如下图所示。
1.1.3 原子的结构
P 6s
O 5s 6p 5p 4p
5d
4d 3d 3p 3s 2p 2s
4f
5p 4d 5s 4p 3d 4s
6p 5d 4f 6s
1.当主量子数n相同时， 轨道能量随着角量子数l 值的增大而升高，即 Ens< Enp< End< Enf 此现象称为能级分裂
B Al Ga In Tl
C Si Ge Sn Pb
N P As Sb Bi
O S Se Te P o
F C l
3 Na 4 K
Sc Y L a A c
Ti Zr Hf Rf
V Nb Ta Db
Cr Mo W Sg
Mn Tc Re Bh
Fe Ru Os Hs
Co Rh Ir Mt
Ni Pd Pt Uu n
1.1.4 元素周期表
电离能(ionization energy)
气态原子失去一个电子成为一价正离子所需要 的最低能量称为第一电离能。从一价正离子失去一个电子成为二价正离子 所需要的最低能量称为第二电离能。依此类推。电离能 的大小可以反映原 子失去电子的难易程度。
25 20
He Ne
电 15 子 伏 特 10
分子中吸引电子的能力。电负性大，表示原子吸引电子 能力强； 反之，电负性小，表示原子吸引电子的能力。
鲍林标度：指定最活泼的非金属元素F的电负性值为4.0，
然后通过计算得到其它元素原子的电负性值。
一般金属元素（Au和Pt等除外）的电负性小于2.0，而
非金属元素（Si除外）大于2.0。
周期-增，主族-减
1.1.4 元素周期表
同一周期自左至右 电负性逐渐增大，
4
O 相 对 电 负 性
F
同一主族自上至下 电负性逐渐减小，
Cl Br Ru I S P Si Al Mg
3
H
N C
2
B Be
Cu
As Zn Sc Mn Ca K Rb In Y Sr Cs Ba
1
Li
Na
0
0
10
20
原子序数
30
40
50
60
可能出现在位于核外空间的任何地方，只是在不同位置出现
的概率不同（就像射箭）。 电子在原子核外空间作高速旋转 运动，就好像带负电荷的云雾笼
罩在原子核周围，故形象地称它
为电子云，后来就用电子云来代 替轨道表示单个电子出现的概率。
1.1.3 原子的结构
1. 量子力学中反映微观粒子运动的基本方程称为薛定谔方程， 它的解称为波函数，电子的状态和出现在某处的概率我们可 以用波函数来描述，既原子中一个电子的空间位置和能量可 用四个量子数来确定。(quantum number) 主量子数n（电子层）决定原子中电子能量以及与核的平均距离，
N O Be Mg B P S
Ar Kr Zn As
同周期总趋势： 自左至右增大,与原子半径减小的趋势一 致 同族总趋势： 自上至下减小,与原子半径增大的趋势一致
Xe Cd Hg
5 0
Li
Al Na
Ga
In Rb Cs
K
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
原子序数
1.1.4 元素周期表
电负性(electronegativity) 电负性表示一个元素的原子在
化学键（主价键）有：离子键、共价键、金属键。
物理键（次价键）有：范德华力，氢键。
1.2.1 金属键
（1）金属键的定义 典型金属原子结构：最外层电子数很少，且属于各个原子
1.1.3 原子的结构
（2）能量最低原理： 自然界有一条普遍的规律：体 系能量越低的状态相对越稳定。 这一规律也适用于原子结构。
电子总是占据能量最低的壳层，
电子先排满能量最低的，再进 入能量较高的壳层，而在同一
电子亚层中，电子则依次按s、p、
d、f、g的顺序排列。当然，前 提是不违背泡利不相容原则。
1.1.3 原子的结构
（2）能量最低原理： 在氢原子中，原子轨道的能级只与主量子数n有关，n越大的 轨道能级越高，n相同的轨道能级相同。所以各轨道的能级 顺序应为：1s＜2s＝2p＜3s＝3p＝3d＜4s。
但在多电子原子中，各轨道的能级不仅与主量子数有关，还
与角量子数l有关。其原因是由于存在着电子间的相互作用。