材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamental課件

1、材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamentalFundamentals of Material Science and Engineering材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding1. Atomic Structure and Interatomic Bonding2.1 Introduction: Atomic structure2.2 Fundamental Concepts2.3 Electrons in Atoms2.4 The Periodic Tabel

2、2.5 Bonding Forces and Energies2.6 Primary Interatomic Bonds2.7 Secondary Bonding or Van Der Waals Bonding2.8 Molecules材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding2.3 Electrons in Atoms原子核：原子核：atomic nucleus中子：中子：neutron電子：電子：electron 核外高速旋轉(zhuǎn)，帶負(fù)電，按能量高低排列，核外高速旋轉(zhuǎn)，帶負(fù)電，按能量高低排列，電子

3、云電子云質(zhì)子：質(zhì)子：proton一、一、 原子的組成原子的組成材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding 量子力學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，電子的旋轉(zhuǎn)軌道不是任意的，它量子力學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，電子的旋轉(zhuǎn)軌道不是任意的，它的確切的途徑也是測(cè)不準(zhǔn)的。的確切的途徑也是測(cè)不準(zhǔn)的。p 薛定諤方程薛定諤方程(Schrodinger Equation)(Schrodinger Equation)： 方程中引入了方程中引入了波函數(shù)波函數(shù)(wave function)(wave function)的概念，以取代的概念，以取代經(jīng)典物理中

4、圓形的固定軌道，解得的波函數(shù)（習(xí)慣上又稱經(jīng)典物理中圓形的固定軌道，解得的波函數(shù)（習(xí)慣上又稱原子軌道原子軌道Atomic orbitAtomic orbit）描述了）描述了電子在核外空間各處位置電子在核外空間各處位置出現(xiàn)的幾率，相當(dāng)于給出了電子運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)的幾率，相當(dāng)于給出了電子運(yùn)動(dòng)的“軌道軌道”。這一軌。這一軌道是由四個(gè)量子數(shù)所確定。道是由四個(gè)量子數(shù)所確定。材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bondingp 主量子數(shù)主量子數(shù)(Main quantum number)(Main quantum number)

5、 主量子數(shù)主量子數(shù)n n決定原子軌道的能量，它的取值為決定原子軌道的能量，它的取值為1 1、2 2、33。n n越大，電子離原子核的距離越遠(yuǎn)，電子的能量越越大，電子離原子核的距離越遠(yuǎn)，電子的能量越高高。在一個(gè)原子中，常稱在一個(gè)原子中，常稱 n n 相同的電子為一個(gè)電子層。相同的電子為一個(gè)電子層。當(dāng)當(dāng) n n1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7 時(shí)，分別稱為第一、二、時(shí)，分別稱為第一、二、三、四、五、六、七電子層，相應(yīng)地用符號(hào)三、四、五、六、七電子層，相應(yīng)地用符號(hào) K K、L L、M M、N N、O O、P P、Q Q 表示。表示。 二、四個(gè)量子數(shù)二、四個(gè)量子數(shù)材料科學(xué)與工程基

6、礎(chǔ)fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bondingp 角量子數(shù)角量子數(shù) (azimuthal quantum number)(azimuthal quantum number) 角量子數(shù)角量子數(shù) l 決定原子軌道的形狀決定原子軌道的形狀，它的取值為，它的取值為 0 0、1 1、2 2 n n1 1。在多電子原子中，。在多電子原子中，當(dāng)當(dāng)n n相同而相同而l不同時(shí)不同時(shí), ,電子的能量還有差電子的能量還有差別別，故將一個(gè)電子層分為幾個(gè)亞層（，故將一個(gè)電子層分為幾個(gè)亞層（Subshell)Subshell)。當(dāng)。當(dāng)l l0 0

7、、1 1、2 2、3 3 時(shí)，稱為時(shí)，稱為 s s、p p、d d、f f亞層。亞層。 n n1 1 時(shí)，時(shí)，l 0 0，K K 層只有層只有 s s 亞層；亞層； n n2 2 時(shí)，時(shí)，l 0 0、1 1，L L 層有層有 s s、p p 亞層；亞層； n n3 3 時(shí)，時(shí)，l 0 0、1 1、2 2，M M 層有層有 s s、p p、d d 亞層亞層; ; 。材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bondingp 磁量子數(shù)（磁量子數(shù)（Magnetic quantum number)Magnetic qua

8、ntum number) l l 0 0 時(shí)，時(shí)，m m只能取只能取 0 0，s s 亞層只有亞層只有 1 1 個(gè)軌道；個(gè)軌道； l l 1 1 時(shí)，時(shí)，m m可取可取 1 1、0 0、1 1，p p 亞層有亞層有3 3個(gè)軌道。個(gè)軌道。 磁量子數(shù)磁量子數(shù)m m 決定原子軌道在空間的取向決定原子軌道在空間的取向。它的取值為。它的取值為0, 0, 1, 1, 2, 2, l 因此因此有有 2 2l + 1 + 1 種取向種取向。 同理，同理，d d 亞層有亞層有 5 5 個(gè)軌道，個(gè)軌道，f f 亞層有亞層有7 7個(gè)軌道。個(gè)軌道。n n 和和l l 相同，但相同，但m m不同的各原子軌道的能量相不同

9、的各原子軌道的能量相 同，稱為簡(jiǎn)并軌道同，稱為簡(jiǎn)并軌道或等價(jià)軌道。或等價(jià)軌道。材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bondingp 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) ( Spin quantum number) 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)ms描述電子的自旋方向描述電子的自旋方向，它的取值為，它的取值為 +1/2 和和 -1/2，常用箭號(hào)，常用箭號(hào) 和和 表示電子的兩種自旋方向。表示電子的兩種自旋方向。 ms不能從求解不能從求解薛定諤方程得到，它是后來實(shí)驗(yàn)和理論進(jìn)一步研究中引入的。薛定諤方程得到，它是后來實(shí)驗(yàn)和理論進(jìn)一步研究中

10、引入的。 綜上所述，綜上所述，n、 l 、m 三個(gè)量子數(shù)可以確定一個(gè)原子軌道，三個(gè)量子數(shù)可以確定一個(gè)原子軌道，而而 n、 l、m 、 ms 四個(gè)量子數(shù)可以確定電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。四個(gè)量子數(shù)可以確定電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding n電子層l電子亞層m軌道數(shù) 1K 0 1s 0 12 L 0 1 2s 2p 0 1,0,+1 1 33M 0 1 2 3s 3p 3d 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 1 3 54N 0 1 2 3 4s 4p 4d 4f 0 -1

11、,0,+1 -2,-1,0,+1,+2-3,-2,-1,0,+1,+2,+3 1 3 5 7材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamentalChapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding三、原子的核外電子排布三、原子的核外電子排布（一）（一）泡利不相容原理泡利不相容原理( Pauli exclusive principle)( Pauli exclusive principle)：在一個(gè)原子中，不可能存在四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)在一個(gè)原子中，不可能存在四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子。由泡利不相容原理，可知一個(gè)原子軌道最多只能電子。由泡利不相容原理，可知

12、一個(gè)原子軌道最多只能容納兩個(gè)電子，而且這兩個(gè)電子的自旋必須相反。容納兩個(gè)電子，而且這兩個(gè)電子的自旋必須相反。原子的核外電子排布遵守原子的核外電子排布遵守: : 泡利不相容原理、能量最低原理泡利不相容原理、能量最低原理材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamental（二）（二）能量最低原理能量最低原理( Minimal energy principle )( Minimal energy principle )：在：在不違背泡利不相容原理的前提下，核外電子總是盡可能排不違背泡利不相容原理的前提下，核外電子總是盡可能排布在能量最低的軌道上，當(dāng)能量最低的軌道排滿后，電子布在能量最低的軌道上，當(dāng)能量最低的軌道

13、排滿后，電子才依次排布在能量較高的軌道上。才依次排布在能量較高的軌道上。 依據(jù)上述原理，電子從低的能量水平至高的能量水依據(jù)上述原理，電子從低的能量水平至高的能量水平，依次排列在不同的量子狀態(tài)下。決定電子能量水平平，依次排列在不同的量子狀態(tài)下。決定電子能量水平的主要因素是主量子數(shù)和次量子數(shù)、各個(gè)主殼層及亞殼的主要因素是主量子數(shù)和次量子數(shù)、各個(gè)主殼層及亞殼層的能量水平在圖層的能量水平在圖1-11-1中示意畫出中示意畫出Chapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamental圖圖1-1Chapter 2Atomic S

14、tructure and Interatomic Bonding材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamental 由圖可見，電子能量隨主量子數(shù)由圖可見，電子能量隨主量子數(shù)M M的增加而升高，同一殼的增加而升高，同一殼層內(nèi)各亞殼層的能量是按層內(nèi)各亞殼層的能量是按S S、P P、d d、f f 次序依次升高的。次序依次升高的。 值得注意的是相鄰殼層的能量范圍有值得注意的是相鄰殼層的能量范圍有重疊現(xiàn)象重疊現(xiàn)象，例如：，例如：4s的能量水平反而低于的能量水平反而低于3d；5S的能量也低于的能量也低于4d、4 f 這這樣，樣，電子填充時(shí)，有可能出現(xiàn)內(nèi)層尚未填滿前就先進(jìn)入電子填充時(shí)，有可能出現(xiàn)內(nèi)層尚未填滿前就先進(jìn)入外殼層的情況外殼層的情況。Chapter 2Atomic Structure and Interatomic Bonding材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)fundamental例題例題 ：試根據(jù)電子從低能到高能，依次排列在不同量子：試根據(jù)電子從低能到高能，依次排列在不同量子態(tài)的原理，寫出原子序數(shù)為態(tài)的原理，寫出原子序數(shù)為11的鈉的鈉(Na)原子以及原子序原子以及原子序數(shù)為數(shù)為20的鈣的鈣(La)原子中的電子排列方式。原子中的電子排列方式。