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1、材材 料料 的的 微微 观观 结结 构构（Microstructure Microstructure of of MaterialsMaterials）了了解解物物质质由由原原子子组组成成，而而组组成成材材料料的的各各元元素素的的原原子子结结构构和和原原子子间间的的键键合合是是确确定定材材料料性性能能的的重重要要因素。因素。确定材料性质最为本质的内在因素：确定材料性质最为本质的内在因素：组组成成材材料料各各元元素素原原子子结结构构，原原子子间间相相互互作作用用和和相相互互结结合合，原原子子或或分分子子在在空空间间的的排排列列（晶晶体体），运动规律，以及原子集合体的形貌特征运动规律，以及原子集合
2、体的形貌特征 第一章第一章 原子结构与键合原子结构与键合Atomic Structure and Interatomic Bonding2022/11/41材料科学基础CAI课件-李克p物质(Substance)是由原子（atom）组成p在材料科学中，最为关切原子的电子结构p原子结构干脆影响原子间的结合方式;原子的电子结构原子间键合本质p原子结构p-确定材料分类：金属 非金属 陶瓷 高分子p-确定材料性能：物理 化学 力学1 1 原子结构原子结构 （Atomic Structure Atomic Structure）2022/11/42材料科学基础CAI课件-李克一、物质的组成（一、物质的组成
3、（一、物质的组成（一、物质的组成（Substance ConstructionSubstance Construction）物质由多数微粒（物质由多数微粒（物质由多数微粒（物质由多数微粒（ParticlesParticles）聚集而成）聚集而成）聚集而成）聚集而成分分分分子子子子（MoleculeMolecule）：单单单单独独独独存存存存在在在在 保保保保存存存存物物物物质质质质化化化化学学学学特特特特性性性性 dH2O=0.2nm dH2O=0.2nm M(H2)M(H2)为为为为 2 2 MM（proteinprotein）为百万）为百万）为百万）为百万原子（原子（原子（原子（AtomA
4、tom）：）：）：）：化学变更中最小微粒化学变更中最小微粒化学变更中最小微粒化学变更中最小微粒量量量量子子子子力力力力学学学学中中中中，原原原原子子子子还还还还可可可可以以以以再再再再分分分分-聚聚聚聚变变变变和和和和裂裂裂裂变变变变（聚聚聚聚变变变变一一一一般般般般是是是是指指指指氘氘氘氘和和和和氚氚氚氚聚聚聚聚变变变变成成成成氦氦氦氦的的的的过过过过程程程程，常常常常见见见见裂裂裂裂变变变变有有有有铀、钚等的裂变）铀、钚等的裂变）铀、钚等的裂变）铀、钚等的裂变）E=mC2 E=mC22022/11/43材料科学基础CAI课件-李克二、原子的结构二、原子的结构n18791879年年 J.J
5、J.J 汤姆孙汤姆孙 发觉电子（发觉电子（electron),electron),揭示了原子内部隐私揭示了原子内部隐私n19111911年年 E.E.卢瑟福提出原子结构有核模型卢瑟福提出原子结构有核模型n19131913年年 玻尔将玻尔将 nBohr atomic modelBohr atomic modeln 2022/11/44材料科学基础CAI课件-李克l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、原子的电子结构三、原子的电子结构2022/11/45材料科学基础CAI课件-李克n核外电子的排布遵循的三个原则没有状态相同的电子没有状态相同的电子(
6、4个量子个量子)保证能量最低保证能量最低 稳定稳定2022/11/46材料科学基础CAI课件-李克四、元素周期表（四、元素周期表（Periodic Table of Elements)n元素元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，种，核电荷数是划分元素的依据核电荷数是划分元素的依据n同位素同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子的原子 n元素有两种存在状态元素有两种存在状态：游离态和化合态（：游离态和化合态（Free State&Combined Form)
7、2022/11/47材料科学基础CAI课件-李克7个横行（个横行（Horizontal rows)周期（周期（period）按原子序数（）按原子序数（Atomic Number)递增的依次从左至右排列递增的依次从左至右排列18个纵行（个纵行（column）16族（族（Group），），7个主族、个主族、7个副族、个副族、1个第个第族、族、1个零族（个零族（Inert Gases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的依次从）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的依次从上而下排列。上而下排列。2022/11/48材料科学基础CAI课件-李克原子序数核电荷数原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数周期
8、序数电子壳层数主族序数最外层电子数主族序数最外层电子数 零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为8（氦为（氦为2）价电子数价电子数（Valence electron）2022/11/49材料科学基础CAI课件-李克n2 2 原子间的键合原子间的键合 (Bonding type with other atom)Bonding type with other atom)结合键：原子结合形成结合键：原子结合形成分子或固体分子或固体时，原子间产生的相互作用力，时，原子间产生的相互作用力，称为结合力，也叫结合键。称为结合力，也叫结合键。结合力从本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用（库结合力从
9、本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用（库伦力）。伦力）。2022/11/410材料科学基础CAI课件-李克一、金属键（Metallic bonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence valence electronelectron）极易摆脱原子核之束缚而成为自由电子（）极易摆脱原子核之束缚而成为自由电子（Free Free electronelectron），形成电子云（），形成电子云（electron cloudelectron cloud）金属中自由电子与金）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属
10、键属正离子之间构成键合称为金属键l特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构l性质：良好导电、导热性能，延展性好l配位数：金属晶体多实行配位数为12的密积累，少数金属为体心立方结构，配位数为8。l第族碱金属、第族碱土金属及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。过渡金属兼有金属键和共价键，前者供应良好的导电性和导热性，后者供应强度。2022/11/411材料科学基础CAI课件-李克二、离子键（Ionic bonding)l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（得失电子位置不确定），无饱和性l性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体，膨胀系数小l配位数：离子晶
11、体中最大的配位数为8。氯化钠(配位数为6)，氯化铯(配位数为8)。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 多数盐类、碱类和金属氧化物2022/11/412材料科学基础CAI课件-李克氯化钠氯化钠 氯化铯氯化铯 硫化锌硫化锌碱金属碱金属-卤族卤族 碱土金属碱土金属-氧族氧族 A-BA-BB-B锌族锌族-氧族氧族 典型离子晶体结构典型离子晶体结构:氯化钠、氯化铯、硫化锌（闪锌矿）等氯化钠、氯化铯、硫化锌（闪锌矿）等矿物、硅酸盐、陶瓷等矿物、硅酸盐、陶瓷等2022/11/413材料科学基础CAI课件-李克三、共价键（covalent bonding）
12、l特点：共用电子对；配位数较小；有方向性、饱和性。l有饱和性：一个原子只能形成确定数目的共价键l有方向性（s电子除外）：原子只能在特定方向上形成共价键l物理性质：结构稳定、熔点高（缺陷少）、质硬脆（方向性确定）、导电实力差Si-C,Ni-AlSi-Si包括亚金属（C、Si、Sn、Ge），高分子聚合物和无机非金属材料（碳化物、氧化物等）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，如氢分子、金刚石、单晶硅2022/11/414材料科学基础CAI课件-李克金刚石结构示意图金刚石结构示意图金刚石、硅金刚石、硅/锗的单晶中都有这种正四面体成键方式锗的单晶中都有这种正四面体成键方式2022/
13、11/415材料科学基础CAI课件-李克 四、范德华力（Van der waals bonding)l包括：静电力、诱导力和色散力（概念，及与温度、距离的关系）l属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度变更材料性质，l如熔点、沸点、溶解度等。比如肥皂泡相互吸引。l高分子材料以范德华力为主，化学键为辅故没有气态，只有液态、固态。l如有机玻璃、环氧树脂。2022/11/416材料科学基础CAI课件-李克五、氢键（Hydrogen bonding）氢键为极性分子键，存在于HF、H2O、NH3等分子间，可视为特殊的范德华力。氢键是冰中水分子之间主要的相互作用。在高分子中占重要地位，有机物、生物
14、体中，分子和高分子靠氢键连接。DNA复制和其他生命过程可视为氢键的键开与键合（酶的参与）。氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小的原子(O、F、N等)结合，构成氢键。本质：分子间电偶极距相互作用。氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），袒露原子核将与近邻分子的负端相互吸引氢桥氢键具有饱和性和方向性。2022/11/417材料科学基础CAI课件-李克1818 各种结合键主要特点的比较各种结合键主要特点的比较类类类类 型型型型 作用力来源作用力来源作用力来源作用力来源 键强键强键强键强 形成晶体的特点形成晶体的特点形成晶体的特点形成晶体的特点 离子键原子得、失电子后形成负、正离子，正
15、负离子间的库仑引力最强无方向性和饱和性、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电共价键相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力强有方向性和有方向性和饱和性和性、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电、绝缘金属键自由电子气与正离子实之间的库仑引力较强无方向性和饱和性、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性分子键原子间瞬时电偶极矩的感应作用最弱无方向性和饱和性、结构密堆氢键氢原子核与极性分子间的库仑引力弱有方向性和有方向性和饱和性和性2022/11/418材料科学基础CAI课件-李克1.原子
16、中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来确定？2.在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？3.铬的原子序数为24，它共有四种同位素：4.31%的Cr原子含有26个中子，83.76%含有28个中子，9.55%含有29个中子，且2.38%含有30个中子。试求铬的相对原子质量。4.铜的原子序数为29，相对原子质量为63.54，它共有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的同位素之含量百分比。5.锡的原子序数为50，除了4f亚层之外其它内部电子亚层均已填满。试从原子结构角度来确定锡的价电子数。第一章第一章 课外习题课外习题(这些习题要求同学们自己练习这些习题要求同学们自己练习,属于属于不须要上交的作业不须要上交的作业)可到网络教学平台下载！可到网络教学平台下载！2022/11/419材料科学基础CAI课件-李克