/OND 第二章材料结构的基础知识 2.1概述 22原子结构 2.3元素周期表及其特性 24原子结合键 2.5结合能与材料性能 26原子排列方式 27晶体的显微组织 2020年9月 复旦大学材料科学系
2 第二章 材料结构的基础知识 2.1 概述 2.2 原子结构 2.3 元素周期表及其特性 2.4 原子结合键 2.5 结合能与材料性能 2.6 原子排列方式 2.7 晶体的显微组织 2020年9月 复旦大学材料科学系 月
/OND 21概述「 ●新材料从设计、研发到应用,研究步骤大致如下: 成分(组成)一制备一结构一性能一应用 ●也可以以用途为目的,依据材料的力学、物理、化 学等性能,选择材料化学成分,设计相应的微结构和制 备工艺,而材料的微结构是与化学成分与制备工艺密切 相关。 例如,单质碳元素(C)材料的化学成分是相同的, 但因制备工艺不同,可以获得四种不同微结构的同素异 构体材料:C。o(零维)、纳米碳管(一维)、石墨 烯(单层)或层状石墨(二维)、金刚石(三维),其 性能与用途则有很大的不同
3 ● 新材料从设计、研发到应用，研究步骤大致如下： 成分(组成)－制备－结构－性能－应用 ● 也可以以用途为目的，依据材料的力学、物理、化 学等性能，选择材料化学成分，设计相应的微结构和制 备工艺，而材料的微结构是与化学成分与制备工艺密切 相关。 例如，单质碳元素（C）材料的化学成分是相同的， 但因制备工艺不同，可以获得四种不同微结构的同素异 构体材料： C60 （零维） 、纳米碳管（一维）、 石墨 烯（单层）或层状石墨（二维）、金刚石（三维），其 性能与用途则有很大的不同。 2.1 概述
/OND 就聚合物材料而言,通用塑料聚乙烯(PE)和超高 分子量聚乙烯( UHMWPE)的化学成分完全相同,但 因分子量、结晶度、取向度等微结构的不同,其强度差 异很大,这也是由制备工艺引起的。 因此,成分相同的材料,由于制备工艺不同,形成 不同的微结构,材料性能差别很大。这个微结构通常是 指以下四个微结构: (1)原子结构 (2)原子键合 (3)原子排列 (4)显微组织
4 就聚合物材料而言，通用塑料聚乙烯(PE) 和超高 分子量聚乙烯（UHMWPE）的化学成分完全相同，但 因分子量、结晶度、取向度等微结构的不同，其强度差 异很大, 这也是由制备工艺引起的。 因此，成分相同的材料，由于制备工艺不同，形成 不同的微结构，材料性能差别很大。这个微结构通常是 指以下四个微结构: （1）原子结构 （2）原子键合 （3）原子排列 （4）显微组织
/OND 22原子结构 1.原子结构发现简史 400BC希腊 Democritus认为物质是由看不见的原子粒子所组成; 1808年英国J. Dalton提出原子学说认为元素是由相同原子组成的 1897年英国J.J. Thomson发现电子,提出原子结构的布丁模型; 1905年德国A. Einstein提出微观粒子的光量子概念; 1909年美国R. Millikan测量电子的负电荷量,证明电子是粒子; 1911年新西兰E. Rutherford发现原子核,提出原子结构新模型; 1913年丹麦N.Bohr发现原子的多层电子壳层,即原子是由原子 核和绕核旋转的电子所组成,提出合理的原子结构模型; 1913年英国H. Moseley分析元素的X射线标识谱,建立原子序数; 1923年法国 L de broglie提出微观粒子具有波粒二象性的物质波; 1925年德国W. Heisenberg提出微观粒子运动的测不准理论; 1925年奥地利W. Pauli提出电子轨道排布的不相容理论; 1926年奥地利E. Schrodinger建立微观粒子运动的波动力学方程; 1932年英国 J. Chadwick用a粒子轰击Be原子核,发现了中子
5 400BC 希腊 Democritus认为物质是由看不见的原子粒子所组成； 1808年 英国J. Dalton 提出原子学说,认为元素是由相同原子组成的； 1897年 英国 J. J. Thomson 发现电子，提出原子结构的布丁模型； 1905年 德国A. Einstein 提出微观粒子的光量子概念； 1909年 美国 R. Millikan 测量电子的负电荷量, 证明电子是粒子； 1911年 新西兰 E. Rutherford发现原子核，提出原子结构新模型； 1913年 丹麦 N. Bohr 发现原子的多层电子壳层，即原子是由原子 核和绕核旋转的电子所组成，提出合理的原子结构模型； 1913年 英国H. Moselev 分析元素的X射线标识谱，建立原子序数； 1923年 法国L. de Broglie提出微观粒子具有波粒二象性的物质波； 1925年 德国 W. Heisenberg 提出微观粒子运动的测不准理论； 1925年 奥地利 W. Pauli 提出电子轨道排布的不相容理论； 1926年 奥地利 E. Schrodinger 建立微观粒子运动的波动力学方程； 1932年 英国 J. Chadwick 用α粒子轰击Be原子核，发现了中子。 2.2 原子结构 1.原子结构发现简史
/OND 2.原子的电子结构 物质由元素组成,元素由原子组成。原子的电子 结构模型见图2-1。 卓(核 (a)原子结构 图2-1Na原子的电子结构模型
物质由元素组成，元素由原子组成。原子的电子 结构模型见图2-1。 图2-1 Na原子的电子结构模型 2. 原子的电子结构
/OND 原子由原子核和绕核旋转的电子组成。原子核由质 子和中子组成,它与原子半径的关系如图2-2所示。 (a)原子核及核外电子 (b)原子半径与原子核 图2-2原子核与电子的示意图
7 (a) 原子核及核外电子 (b) 原子半径与原子核 图2-2 原子核与电子的示意图 原子由原子核和绕核旋转的电子组成。原子核由质 子和中子组成，它与原子半径的关系如图2-2 所示
/OND ●原子核内质子带正电荷、中子不带电荷,原子核 外电子带负电荷。质子数和电子数相等,中子数可变, 故原子呈电中性。 质子带的正电荷数叫核电荷数。 原子体积很小,其直径约10-10m(A0),原子 核直径更小,仅1014m,如图2-2(b)所示。 原子核体积虽极其微小,但集中了原子质量的绝 大部分。质子质量约1.677×1024g、中子质量 1675×1024g、电子质量约9.11×1028g,质子和 中子质量之和是电子质量的1800倍之多
8 ● 原子核内质子带正电荷、中子不带电荷，原子核 外电子带负电荷。质子数和电子数相等，中子数可变， 故原子呈电中性。 ● 质子带的正电荷数叫核电荷数 。 原子体积很小，其直径约 10-10 m（A0）, 原子 核直径更小，仅10-14 m， 如图2-2(b) 所示。 原子核体积虽极其微小，但集中了原子质量的绝 大部分。质子质量约1.677×10-24 g、中子质量 1.675×10-24 g 、电子质量约9.11×10-28g，质子和 中子质量之和是电子质量的1800倍之多
/OND 3.电子结构的两个重要原理 量子力学研究发现:电子是一种微观粒子,具有波 粒二象性,但绕核旋转的电子运动轨道不是随意的, 它在空间某一位置的出现呈概率分布。 (1)海森堡测不准原理(W. Heisenberg) ●同时能精确确定原子中电子的位置及动量,原则 上是不可能的。 这就是说,电子的位置及动量的确切值是不能同 时精确测定的,即一个量测量到任何的准确度,必然 会降低另一个量测量的精确度。由此,位置Ax与动量 △p及能量核AE与时间△t的关系都是量子化的
9 量子力学研究发现: 电子是一种微观粒子，具有波 粒二象性，但绕核旋转的电子运动轨道不是随意的， 它在空间某一位置的出现呈概率分布。 （1）海森堡测不准原理（W. Heisenberg) ● 同时能精确确定原子中电子的位置及动量，原则 上是不可能的。 这就是说，电子的位置及动量的确切值是不能同 时精确测定的，即一个量测量到任何的准确度，必然 会降低另一个量测量的精确度。由此，位置Δx与动量 Δp及能量核ΔE与时间Δt的关系都是量子化的。 3. 电子结构的两个重要原理
/OND 它们的相互关系是: h △x△D≈ 九 2 (2-2) h △E△t≈ (23) 其中,h为普朗克常数 Planck),数值为6624×1034J.s 该原理表明,只能从大量宏观测量中得到微观粒子的 概率分布,但不能确定某一物理量的确切值,这与连续 经典力学之间有本质的不同
10 2 2 h E t h x p 其中, h为普朗克常数(Planck), 数值为6.624×10-34J.s。 ● 该原理表明，只能从大量宏观测量中得到微观粒子的 概率分布，但不能确定某一物理量的确切值，这与连续 经典力学之间有本质的不同。 它们的相互关系是： （2-2） （2-3）
/OND (2)薛定谔波动方程( E Schrodinger) 电子具有波动性,故只能谈论电子在某一时刻在 某处出现的概率,可以用电子云来描述单个电子在空 间某处出现的概率。 薛定谔采用位置、时间的函数,即波函数y(r,O,,1) 描述核外电子在空间的运动状态,其函数方程式是: (r,O,,t) +U(,.a,,t)(2-4) 2丌ot 2m 其中,U是电子的势能,m是粒子质量, 是拉普拉斯算子
11 （2）薛定谔波动方程（E.Schrodinger） 电子具有波动性，故只能谈论电子在某一时刻在 某处出现的概率，可以用电子云来描述单个电子在空 间某处出现的概率。 薛定谔采用位置、时间的函数，即波函数 描述核外电子在空间的运动状态, 其函数方程式是: （2－4） 其中，U是电子的势能，m是粒子质量， 是拉普拉斯算子。 (r, , , ) 2 (r, , , ) 2 2 2 U t m t π t ih (r,,,t) 2 2 2 2 x y z