材料的微觀結(jié)構(gòu)（MicrostructureofMaterials）了解物質(zhì)由原子組成，而組成材料的各元素的原子結(jié)構(gòu)和原子間的鍵合是確定材料性能的重要因素。

確定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的內(nèi)在因素：組成材料各元素原子結(jié)構(gòu)，原子間相互作用和相互結(jié)合，原子或分子在空間的排列（晶體），運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及原子集合體的形貌特征第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合

AtomicStructureandInteratomicBonding2023/3/11《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克物質(zhì)(Substance)是由原子（atom）組成在材料科學(xué)中，最為關(guān)切原子的電子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)干脆影響原子間的結(jié)合方式;原子的電子結(jié)構(gòu)—原子間鍵合本質(zhì)原子結(jié)構(gòu)---確定材料分類：金屬非金屬陶瓷高分子---確定材料性能：物理化學(xué)力學(xué)※1原子結(jié)構(gòu)（AtomicStructure）2023/3/12《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克一、物質(zhì)的組成（SubstanceConstruction）物質(zhì)由多數(shù)微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：?jiǎn)为?dú)存在保存物質(zhì)化學(xué)特性dH2O=0.2nmM(H2)為2M（protein）為百萬(wàn)原子（Atom）：化學(xué)變更中最小微粒量子力學(xué)中，原子還可以再分-聚變和裂變（聚變一般是指氘和氚聚變成氦的過(guò)程，常見裂變有鈾、钚等的裂變）E=mC22023/3/13《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克二、原子的結(jié)構(gòu)1879年J.J湯姆孫發(fā)覺(jué)電子（electron),揭示了原子內(nèi)部隱私1911年E.盧瑟福提出原子結(jié)構(gòu)有核模型1913年玻爾將Bohratomicmodel

2023/3/14《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)（quantumnumbers）表示三、原子的電子結(jié)構(gòu)2023/3/15《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克核外電子的排布遵循的三個(gè)原則沒(méi)有狀態(tài)相同的電子(4個(gè)量子)保證能量最低—穩(wěn)定2023/3/16《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克四、元素周期表（PeriodicTableofElements)元素（Element）：具有相同核電荷的同一類原子總稱，共116種，核電荷數(shù)是劃分元素的依據(jù)同位素（Isotope）：具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的同一元素的原子

元素有兩種存在狀態(tài)：游離態(tài)和化合態(tài)（FreeState&CombinedForm)2023/3/17《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克7個(gè)橫行（Horizontalrows)周期（period）按原子序數(shù)（AtomicNumber)遞增的依次從左至右排列18個(gè)縱行（column）16族（Group），7個(gè)主族、7個(gè)副族、1個(gè)第Ⅷ族、1個(gè)零族（InertGases）最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的依次從上而下排列。2023/3/18《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克原子序數(shù)＝核電荷數(shù)周期序數(shù)＝電子殼層數(shù)主族序數(shù)＝最外層電子數(shù)零族元素最外層電子數(shù)為8（氦為2）價(jià)電子數(shù)（Valenceelectron）2023/3/19《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克※2原子間的鍵合

(Bondingtypewithotheratom)結(jié)合鍵：原子結(jié)合形成分子或固體時(shí)，原子間產(chǎn)生的相互作用力，稱為結(jié)合力，也叫結(jié)合鍵。結(jié)合力從本質(zhì)上講都起源于原子核和電子間的靜電交互作用（庫(kù)倫力）。

2023/3/110《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克一、金屬鍵（Metallicbonding）典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)電子（valenceelectron）極易擺脫原子核之束縛而成為自由電子（Freeelectron），形成電子云（electroncloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵特點(diǎn)：電子共有化，既無(wú)飽和性又無(wú)方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好配位數(shù)：金屬晶體多實(shí)行配位數(shù)為12的密積累，少數(shù)金屬為體心立方結(jié)構(gòu)，配位數(shù)為8。第Ⅰ族堿金屬、第Ⅱ族堿土金屬及過(guò)渡元素晶體都是典型的金屬晶體。過(guò)渡金屬兼有金屬鍵和共價(jià)鍵，前者供應(yīng)良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，后者供應(yīng)強(qiáng)度。2023/3/111《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克二、離子鍵（Ionicbonding)特點(diǎn)：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列，且無(wú)方向性（得失電子位置不確定），無(wú)飽和性性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體，膨脹系數(shù)小配位數(shù)：離子晶體中最大的配位數(shù)為8。氯化鈉(配位數(shù)為6)，氯化銫(配位數(shù)為8)。實(shí)質(zhì)：金屬原子帶正電的正離子（Cation）非金屬原子帶負(fù)電的負(fù)離子（anion）e多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物2023/3/112《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克氯化鈉氯化銫硫化鋅堿金屬-鹵族堿土金屬-氧族ⅠA-ⅦBⅡA-ⅥBⅡB-ⅥB鋅族-氧族典型離子晶體結(jié)構(gòu):氯化鈉、氯化銫、硫化鋅（閃鋅礦）等礦物、硅酸鹽、陶瓷等2023/3/113《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克三、共價(jià)鍵（covalentbonding）特點(diǎn)：共用電子對(duì)；配位數(shù)較小；有方向性、飽和性。有飽和性：一個(gè)原子只能形成確定數(shù)目的共價(jià)鍵有方向性（s電子除外）：原子只能在特定方向上形成共價(jià)鍵物理性質(zhì)：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高（缺陷少）、質(zhì)硬脆（方向性確定）、導(dǎo)電實(shí)力差Si-C,Ni-AlSi-Si包括亞金屬（C、Si、Sn、Ge），高分子聚合物和無(wú)機(jī)非金屬材料（碳化物、氧化物等）實(shí)質(zhì)：由二個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子間通過(guò)共用電子對(duì)而成，如氫分子、金剛石、單晶硅2023/3/114《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克金剛石結(jié)構(gòu)示意圖金剛石、硅/鍺的單晶中都有這種正四面體成鍵方式2023/3/115《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克四、范德華力（Vanderwaalsbonding)包括：靜電力、誘導(dǎo)力和色散力（概念，及與溫度、距離的關(guān)系）屬物理鍵，系次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度變更材料性質(zhì)，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等。比如肥皂泡相互吸引。。。。高分子材料以范德華力為主，化學(xué)鍵為輔—故沒(méi)有氣態(tài)，只有液態(tài)、固態(tài)。如有機(jī)玻璃、環(huán)氧樹脂。2023/3/116《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克五、氫鍵（Hydrogenbonding）

氫鍵為極性分子鍵，存在于HF、H2O、NH3等分子間，可視為特殊的范德華力。氫鍵是冰中水分子之間主要的相互作用。在高分子中占重要地位，有機(jī)物、生物體中，分子和高分子靠氫鍵連接。DNA復(fù)制和其他生命過(guò)程可視為氫鍵的鍵開與鍵合（酶的參與）。氫原子同時(shí)與兩個(gè)負(fù)電性較大，而原子半徑較小的原子(O、F、N等)結(jié)合，構(gòu)成氫鍵。本質(zhì)：分子間電偶極距相互作用。氫原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價(jià)鍵結(jié)合），袒露原子核將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引——?dú)錁驓滏I具有飽和性和方向性。2023/3/117《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克18

各種結(jié)合鍵主要特點(diǎn)的比較類型作用力來(lái)源鍵強(qiáng)形成晶體的特點(diǎn)離子鍵

原子得、失電子后形成負(fù)、正離子，正負(fù)離子間的庫(kù)侖引力

最強(qiáng)

無(wú)方向性和飽和性、高配位數(shù)、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導(dǎo)電、熔態(tài)離子導(dǎo)電

共價(jià)鍵

相鄰原子價(jià)電子各處于相反的自旋狀態(tài)，原子核間的庫(kù)侖引力

強(qiáng)

有方向性和飽和性、低配位數(shù)、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、即使在熔態(tài)也不導(dǎo)電

、絕緣

金屬鍵

自由電子氣與正離子實(shí)之間的庫(kù)侖引力

較強(qiáng)

無(wú)方向性和飽和性、結(jié)構(gòu)密堆、配位數(shù)高、塑性較好、有光澤、良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性

分子鍵

原子間瞬時(shí)電偶極矩的感應(yīng)作用

最弱

無(wú)方向性和飽和性、結(jié)構(gòu)密堆氫鍵

氫原子核與極性分子間的庫(kù)侖引力

弱

有方向性和飽和性

2023/3/118《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克1.

原子中一個(gè)電子的空間位置和能量可用哪四個(gè)量子數(shù)來(lái)確定？2.

在多電子的原子中，核外電子的排布應(yīng)遵循哪些原則？3.

鉻的原子序數(shù)為24，它共有四種同位素：4.31%的Cr原子含有26個(gè)中子，83.76%含有28個(gè)中子，9.55%含有29個(gè)中子，且2.38%含有30個(gè)中子。試求鉻的相對(duì)原子質(zhì)