1-原子结构和键合概述

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章原子构造和键合Atomic Structure and Interatomic Bonding,物质(Substance)是由原子atom组成，而原子由质子和中子组成，以及核外的电子所构成。在材料科学中，最为关心原子的电子构造,原子的电子构造原子间键合本质。,预备材料分类：金属 陶瓷 高分子,材料性能：物 化 力学,材料的微观构造Microstructure of Materials,预备材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子构造，,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。,1原子构造 Atomic Structure,一、物质的组成Substance Construction,物质由很多微粒Particles聚拢而成,分子Molecule：单独存在 保存物质化学特性,dH2O=0.2nm M(H2)为2 Mprotein为百万,原子Atom：化学变化中最小微粒,二、原子的构造,1897年 J.J Thomson 觉察电子electron),提示了原子内部隐秘,1911年 E.Rutherford提出原子构造有核模型,1913年 N.Bohr将,Bohr atomic model,核外电子的排布electron configuration)规律,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,三、元素周期表periodic Table of the Elements),元素Element：具有一样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：具有一样的质子数和不同中子数的同一元素的原子,元素有两种存在状态：游离态和化合态Free State&Combined Form),7个横行Horizontal rows)周期period按原子序数Atomic Number)递增的挨次从左至右排列,18个纵行column16族Group，7个主族、7个副族、1个族、1个零族Inert Gases最外层的电子数一样，按电子壳层数递增的挨次从上而下排列。,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,2原子间的键合,(,Bonding type with other atom),一、金属键Metallic bonding,典型金属原子构造：最外层电子数很少，即价电子valence electron极易 摆脱原子核之束缚而成为自由电子Free electron，形成电子云electron cloud金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键,特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆构造,性质：良好导电、导热性能，延展性好,二、离子键Ionic bonding),多数盐类、碱类和金属氧化物,特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性。,性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体,三、共价键covalent bonding,亚金属C、Si、Sn、Ge，聚合物和无机非金属材料,实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成,特点：饱和性、配位数较小，方向性s电子除外。,性质：熔点高、质硬脆、导电力气差,实质：金属原子 带正电的正离子Cation,非金属原子 带负电的负离子anion,e,四、范德华力Van der waals bonding),包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force),属物理键，系一种次价键，不如化学键强大，但能很大程度转变材料性质,五、氢键Hydrogen bonding,极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，,氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有共价键结合，暴露原子核,将与近邻分子的负端相互吸引氢桥,介于化学键与物理键之间，具有饱和性,4 结合键的本质及原子间距,不管何种类型的结合键，固体原子间总存,在两种力：一是吸引力，来源于异类电荷间的静,电吸引；二是同种电荷间的排斥力。,当两个原子无限远时，原子间不发生作用，,作用能可视为零。当距离在吸引力作用下靠近时，,体系的位能渐渐下降，到达平衡距离，位能最低；,当原子距离进一步靠近，就必需抑制反向排斥力，,使作用能重新上升。,R0：平衡距离，称原子间距。,E0：平衡距离楼下的作用能定义为原子的结合能。,结合能数据是利用测定固体的蒸发热而得到,的，又称结合键能。,5 结合键与性能,1.物理性能,熔点的凹凸代表了材料稳定性的程度。,2.力学性能,1 晶体与非晶体,固体原子依据原子或原子团、分子的排列可分为两大类：晶体与非晶体。,晶体：原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规章重复排列。而非晶体内部原子的排列是无序的。晶体由于其空间不同方向上原子排列特征不同，因而沿着不同方向所测得的性能数据不同，称为各向异性；而非晶体在各个方向上的原子排列可视为一样，因此沿任何方向测得的性能是全都的，故表现为各向同性。,通常，金属与合金、大局部陶瓷如氧化物，碳化物，氮化物等以及少数高分子材料等是晶体；而多数高分子材料及玻璃等原子或分子构造较为简洁的材料则为非晶体，常也把玻璃态作为非晶态的代名词。,三、原子排列方式,2 原子排列的争论方法,材料争论中承受X射线或是电子束来进展争论，其原理就是光学中的干预和衍射。这就是著名的布拉格定律。,1 组织的显示与观看,所谓材料的组织就是指各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量，尺寸大小，外形及分布等特征。,能用肉眼观看到，称为组织为宏观组织，而更多的状况下则要用金相显微镜或是电子显微镜才能观看到内部的组织，故又称显微组织或是金相组织。,首先对观看的试样部位进展反复的磨光和抛光，以获得平坦而光滑的外表，然后经化学浸蚀。化学的目的是将晶界显示出来。,三、晶体材料的组织,2.单相组织,具有单一相的组织为单相组织，即全部晶粒的化学组成一样，晶体构造也一样。描述单相组织特征的主要有晶粒尺寸及外形。,等轴晶、柱状晶。,3.多相组织,归纳为，所谓组织就是指材料中两个相或多相的体积分数为多少，各个相的尺寸、外形及分布特征如何。,第五节 材料的稳态构造与亚稳态构造,材料最终得到什么构造必需综合考虑构造形成的热力学条件和动力学条件。所谓的动力学条件，是指构造形成时必需沿着能量降低的方向进展，或是构造转变必需存在一个推动力，只有这样，过程才能自发进展。,热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，热力学并不能答复，以为它并不考虑过程的速度，而过程是否发生还依靠于动力学条件，即反响速度。,此外，体系最终得到的构造还取,决转变过程的外界条件，如温度、,压力、冷却速度等。,