《材料科学基础》笔记

材料科学基础笔记

第一章 原子结构与键合

概述：决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的 相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体 的形貌特征等。为此，我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态， 以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。

第一节 原子结构

1 物质的组成

物质是由无数微粒按一定方式聚集而成的，这些微粒可能是原子、分子或离子；分子是能单独存在且保持物质化学特性的一种微粒；原子是化学变化中的最小微粒。

2 原子的结构（原子结构直接影响原子间的结合方式）

3 原子的电子结构

3.1电子既有粒子性又具有波动性，具有波粒二象性。

3.2电子的状态和在某处出现的机率可用薛定谔方程的解/波函数来

描述，即原子中每个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：

a主量子数（n）：决定原子中电子的能量及与核的平均距离（一般能量低的趋向近轨道,r较小，反之则反），即表示电子所处的量子壳层。如K、L、M ，n=1,2,3；

b 轨道角动量量子数（l）：表示电子在同一壳层内所处的能级，与电子运动的角动量有关。如s、p、d、f （0，1，2， n-1）； c 磁量子数（m）：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数，为2l+1,决定电子云的空间取向；

d 自旋角动量量子数（s）：反映电子不同的自旋方向，其值可取

*只有n,l决定能量和能级 3.3能级和能级图

把电子不同状态对应着相同能量的现象称为简并。

将所有元素的各种电子态（n，l）按能量水平排列成能级图。 3.4核外电子的排布规则

a 能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低； b Pauling不相容原理：在一个原子中，不可能有上述运动状态完全相同的两个电子，即不能有上述四个量子数都相同的两个电子；

c 洪德Hund规则：在同一个亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同（尽可能保持自旋不成

对）； 3.5 元素周期表

元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称；元素的外层电子 结构随着原子序数的递增而呈周期性的变化规律称为元素周期律；元素周期表是元素周期律的表现形式；元素的性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间有着密切的关系。

元素的性质主要由外层价电子数目决定，而价电子数目是随原子序数周期性变化的，所以反映出元素性质的周期性变化。长周期元素性质的变化较为连续、逐渐过渡，而短周期元素性质差别较大，这是因为长周期过渡族元素的亚层电子数对元素性质也有影响造成的。

3.6 原子电离能规律（反映化学性质，也可用周期表规律说明） 电离能就是将原子的外层电子击出所需的最小能量，也叫电离电位。

a 中性原子电离电位最低；b （1S）2 比较稳定；

c 在其他因素相同的情况下，核电荷越大的元素，其同级电离电位也越高；

d 次外层电子对外层电子有屏蔽作用，及减弱核对外层电子的库伦引力，从而使后者的电离电位减少。

*重元素（过渡元素）（n S）2 电子也是稳定，而且n越大越稳定。

第二节 结合键

1 结合键

*结合力起源于原子核和电子间的静电交互作用（库仑力）无论任何键，键合后各原子的外层电子结构要成为稳定的结构，也就是惰性气体原子的外层电子结构，不同的结合键代表实现“八电子层”结构的不同方式。 1.1 金属键

由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称金属 键。（外层电子数很少，易挣脱，得不到八电子结构） 特性：电子共有化、既无饱和性又无方向性。

由于金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多 的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改 变原子间的相互位置时，不至于破坏金属键，这就使金属具有良好的 延展性，并且由于自由电子的存在，金属一般具有良好的导电和导热 性能。 1.2 离子键

离子键即转稳电子结构，靠正负离子间静电引力结合所谓离子型 化合物。

特性：无方向性和饱和性，决定其结构的因素是正负离子的电荷

及几何因素。

一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固，因此，其熔 点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但在熔融状态下，正负离子在外电场

作用下可以自由运动，此时呈现离子导电性。 1.3 共价键

原子间通过共用电子对而形成的化学键即为共价键。可分为极性 键和非极性键。

特点：有方向性（使电子云达到最大重叠）和饱和性。 共价晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数较小，共价键的 结合力极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。 由于束缚在相邻原子间的“共用电子对”不能自由运动，共价结合的 材料一般是绝缘体，导电能力较差。 1.4 范德瓦尔斯力

又称分子键，是电中性的原子间的长程作用力。

特点：次价键、无方向性、无饱和性。

*电荷运动导致瞬间正负电荷中心不重合而产生的电偶极矩。 1.5 氢键

属于极性分子键，是由氢原子同时与两个电负性很大的而原子半 径较小的原子（显著非金属元素）相结合而产生的比一般次价键大的

键力，存在于HF、H2O、NH3等分子间，有饱和性和方向性。

氢原子除去一个共价电子外剩下一个没有核外电子作屏蔽的原 子核（质子），会对相邻分子未共价的电子有较强的库仑力。

第三节 分子结构

1.分子与晶体是两个概念。

2.分子轨道能级（针对共价分子结构）——我们把这些由原子能级分裂而成的新的能级称为分子能级，它表示分子中价电子允许的能态。 3.分子能级与原子轨道不等价，分子能级由轨道磁量子数再一分为二，即分成成建和反键。（成键比原子能级低，反键高）

4.电子在成键，自旋必相反，在反键自旋力图保持平行（但若原轨道外层电子已经配成对，其不参加键合，而是形成杂化分子轨道）。 5.形成稳定的分子要在成键轨道上的电子的总数必须大于反键轨道上的电子，越多越稳。

第四节 晶体中的电子结构

1. 能带

形成共价键或金属键的价电子能级分裂成大量的相距甚近（即能力差甚小）的新能级。（只有共价键与金属键电子重新分级）（分子集团也有能带） 2.价带

通常把由价电子（即参加化学键合的电子）的原子能级展宽而成的带称为价带。 3.导带

由价电子能级以上的空能级（杂化轨道形成的）展宽而成的带称为导带。 4.禁带

价带和导带之间的能量间隔△Eg，称为能隙或禁带。 5．导体

（1）价电子浓度未填满价带，电子从低能级跃迁空能级； （2）价带与导带交叠，电子可进入导带。 6.绝缘体

在价带与导带间存在较大能隙△Eg，而价带电子填满 7.半导体

（1）△Eg非常小，热激活能可使价带到导带底部（本征半导体） （2）△Eg比较小，能隙中存在高价杂质元素能级，热激活能足以使电子从杂质能级跃迁到导带底部（N型半导体）

（3）同上，电子跃迁到杂质能级后不动，留下空穴（P型半导体） 8.晶体的结合能

由中性原子结合成晶体所释放的能量或将晶体拆散成中性原子所消耗的能量称为晶体的结合能或内聚能（等于升华热）。

第二章 固体结构

概述：物质聚集状态通常分为气态、液态 …… 此处隐藏：5671字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……