材料中的原子排列
第一章材料中的原子排列
第一节原子的结合方式
1 原子结构
2 原子结合键
（1）离子键与离子晶体
原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；
离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体
原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；
原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体
原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；
金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体
原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O
（4）混合键。如复合材料。
3 结合键分类
（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式
（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列
一晶体学基础
1 空间点阵与晶体结构
（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。图1-5
特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：
空间点阵中的点－阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6
（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：
a 能够充分反映空间点阵的对称性；
b 相等的棱和角的数目最多；
c 具有尽可能多的直角；
d 体积最小。
（3）形状和大小
有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
（4）晶胞中点的位置表示（坐标法）。
3 布拉菲点阵图1－7
14种点阵分属7个晶系。
4 晶向指数与晶面指数
晶向：空间点阵中各阵点列的方向。
晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。
国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。
（1）晶向指数的标定
a 建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。
b 求坐标。u’,v’,w’。
c 化整数。u,v,w.
d 加[ ]。[uvw]。
说明：
a 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。
b 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。
c 晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用
数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。
（2）晶面指数的标定
a 建立坐标系：确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。
b 量截距：x,y,z。
c 取倒数：h’,k’,l’。
d 化整数：h,k,k。
e 加圆括号：(hkl)。
说明：
a 指数意义：代表一组平行的晶面；
b 0的意义：面与对应的轴平行；
c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；
d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面。用{hkl}表示。
e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;
f 若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。
（3）六方系晶向指数和晶面指数
a 六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系（等价晶面不具有等价指数）。
b 晶面指数的标定
标法与立方系相同(四个截距)；用四个数字(hkil)表示；i=-(h+k)。
c 晶向指数的标定
标法与立方系相同(四个坐标)；用四个数字(uvtw)表示；t=-(u+w)。
依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。
坐标换算法：[UVW]~[uvtw]
u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。
（4）晶带
a ――：平行于某一晶向直线所有晶面的组合。
晶带轴晶带面
b 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面//晶带轴；
hu+kv+lw=0
c 晶带定律
凡满足上式的晶面都属于以[uvw]为晶带轴的晶带。推论：
(a)由两晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶带轴[uvw]：
u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。
(b)由两晶向[u1v1w1][u2v2w2]求其决定的晶面(hkl)。
H=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。
（5）晶面间距
a ――：一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。
b 计算公式（简单立方）：
d=a/(h2+k2+l2)1/2
注意：只适用于简单晶胞；对于面心立方hkl不全为偶、奇数、体心立方h+k+l=
奇数时，d(hkl)=d/2。
二典型晶体结构及其几何特征
1三种常见晶体结构
面心立方（A1, FCC）体心立方（A1, BCC）密排六方（A3, HCP）
晶胞原子数 4 2 6
点阵常数a=2/2r a=4/3/3r a=2r
配位数12 8（8＋6）12
致密度0.74 0.68 0.74
堆垛方式ABCABC.. ABABAB.. ABABAB..
结构间隙正四面体正八面体四面体扁八面体四面体正八面体
（个数）8 4 12 6 12 6
（r B/r A）0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414
配位数（CN）：晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。
致密度（K）：晶体结构中原子体积占总体积的百分数。K=nv/V。
间隙半径（r B）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。
2 离子晶体的结构
（1）鲍林第一规则（负离子配位多面体规则）：在离子晶体中，正离子周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于正负离子半径之和，正离子的配位数取决于正负离子的半径比。
（2）鲍林第二规则（电价规则含义）：一个负离子必定同时被一定数量的负离子配位多面体所共有。
（3）鲍林第三规则（棱与面规则）：在配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性。
3 共价键晶体的结构
（1）饱和性：一个原子的共价键数为8-N。
（2）方向性：各键之间有确定的方位
（配位数小，结构稳定）
三多晶型性
元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质。
四影响原子半径的因素
（1）温度与应力
（2）结合键的影响
（3）配位数的影响（高配位结构向低配位结构转变时，体积膨胀，原子半径减小减缓体积变化。
（4）核外电子分布的影响（一周期内，随核外电子数增加至填满，原子半径减小至一最小值。
第三节原子的不规则排列
原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。
晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。
（晶体缺陷可分为以下三类。）
点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。
线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。
面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。
一点缺陷
1 点缺陷的类型图1－31
（1）空位：
肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。
弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。
（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。
（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。
2 点缺陷的平衡浓度
（1）点缺陷是热力学平衡的缺陷－在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低－具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，这一因素又使自由能降低。其结果是在G-n曲线上出现了最低值，对应的n值即为平衡空位数。）
（2）点缺陷的平衡浓度
C=Aexp(-?Ev/kT)
3 点缺陷的产生及其运动
（1）点缺陷的产生
平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。
过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。
（2）点缺陷的运动
（迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）
4 点缺陷与材料行为
（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）
（2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）
力学性能（屈服强度提高。）
二线缺陷（位错）
位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。
意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）
位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级）。
1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。
1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。
1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。
1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。
之后，用TEM直接观察到了晶体中的位错。
1 位错的基本类型
（1）刃型位错
模型：滑移面/半原子面/位错线（位错线┻晶体滑移方向，位错线┻位错运动
方向，晶体滑移方向//位错运动方向。）
分类：正刃型位错（┻）；负刃型位错（┳）。
（2）螺型位错
模型：滑移面/位错线。（位错线//晶体滑移方向，位错线┻位错运动方向，晶
体滑移方向┻位错运动方向。）
分类：左螺型位错；右螺型位错。
（3）混合位错
模型：滑移面/位错线。
2 位错的性质
（1）形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。
（2）是已滑移区和未滑移区的边界。
（3）不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。
3 柏氏矢量
（1）确定方法 (避开严重畸变区)
a 在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。
b 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。
c 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为――。
（2）柏氏矢量的物理意义
a 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。
b 表示晶体滑移的方向和大小。
c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的柏氏矢量。
d 判断位错的类型。
（3）柏氏矢量的表示方法
a 表示: b=a/n[uvw] （可以用矢量加法进行运算）。
b 求模：/b/=a/n[u2+v2+w2]1/2。
4 位错密度
（1）表示方法：ρ＝K/V
ρ＝n/A
（2）晶体强度与位错密度的关系（τ-ρ图）。
（3）位错观察：浸蚀法、电境法。
5 位错的运动
（1）位错的易动性。
（2）位错运动的方式
a 滑移：位错沿着滑移面的移动。
刃型位错的滑移：具有唯一的滑移面
螺型位错的滑移：具有多个滑移面。
位错环的滑移：注重柏氏矢量的应用。
b 攀移：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。
机制：原子面下端原子的扩散――位错随半原子面的上下移动而上下运动。
分类：正攀移（原子面上移、空位加入）/负攀移（原子面下移、原子加入）。
应力的作用：（半原子面侧）压应力有利于正攀移，拉应力有利于负攀移。
（3）作用在位错上的力（单位距离上）
滑移：f=τb；
攀移：f=σb。
6 位错的应变能与线张力
（1）单位长度位错的应变能：W=αGb2。
（α＝0.5~1.0, 螺位错取下限，刃位错取上限。）
（2）位错是不平衡的缺陷。
（商增不能抵销应变能的增加。）
（3）位错的线张力：T=αGb2。
（4）保持位错弯曲所需的切应力：τ＝Gb/2r。
7 位错的应力场及其与其它缺陷的作用
（1）应力场
螺位错：τ＝Gb/2πr。（只有切应力分量。）
刃位错：表达式（式1－9）
晶体中：滑移面以上受压应力，滑移面以下受拉应力。
滑移面：只有切应力。
（2）位错与位错的交互作用
f=τ b ，f=－σb （刃位错）。
同号相互排斥，异号相互吸引。（达到能量最低状态。）
（3）位错与溶质原子的相互作用
间隙原子聚集于位错中心，使体系处于低能态。
柯氏气团：溶质原子在位错线附近偏聚的现象。
（4）位错与空位的交互作用
导致位错攀移。
8 位错的增殖、塞积与交割
（1）位错的增殖：F-R源。
（2）位错的塞积
分布：逐步分散。
位错受力：切应力作用在位错上的力、位错间的排斥力、障碍物的阻力。
（3）位错的交割
位错交割后结果：按照对方位错柏氏矢量（变化方向和大小）。
割阶：位错交割后的台阶不位于它原来的滑移面上。
扭折：――――――――位于―――――――――。
对性能影响：增加位错长度，产生固定割阶。
9 位错反应
（1）位错反应：位错的分解与合并。
（2）反应条件
几何条件：∑b前=∑b后；反应前后位错的柏氏矢量之和相等。
能量条件：∑b2前>∑b2后; 反应后位错的总能量小于反应前位错的总能量。
10 实际晶体中的位错
（1）全位错：通常把柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错或单位位错。
（实际晶体中的典型全位错如表1－7所示）
（2）不全位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错。
（实际晶体中的典型不全位错如表1－7所示）
（3）肖克莱和弗兰克不全位错。
肖克莱不全位错的形成：原子运动导致局部错排，错排区与完整晶格区的边界线即为肖克莱不全位错。（结合位错反应理解。可为刃型、螺型或混合型位错。）弗兰克不全位错的形成：在完整晶体中局部抽出或插入一层原子所形成。（只能攀移，不能滑移。）
（4）堆垛层错与扩展位错
堆垛层错：晶体中原子堆垛次序中出现的层状错排。
扩展位错：一对不全位错及中间夹的层错称之。
三面缺陷
面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。
1 晶界
（1）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。
（2）分类
大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。其结构为几个原子范围
内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。
小角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位错列，又分
为对称倾侧晶界和扭转晶界。
亚晶界：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。为位错结构。
孪晶界：两块相邻孪晶的共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。
2 相界
（1）相界：相邻两个相之间的界面。
（2）分类：共格、半共格和非共格相界。
3 表面
（1）表面吸附：外来原子或气体分子在表面上富集的现象。
（2）分类
物理吸附：由分子键力引起，无选择性，吸附热小，结合力小。
化学吸附：由化学键力引起，有选择性，吸附热大，结合力大。
4 界面特性
（1）界面能会引起界面吸附。
（2）界面上原子扩散速度较快。
（3）对位错运动有阻碍作用。
（4）易被氧化和腐蚀。
（5）原子的混乱排列利于固态相变的形核。
第二章固体中的相结构
合金与相
1 合金
（1）合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。
（2）组元：组成合金最基本的物质。（如一元、二元、三元合金〕
（3）合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。
2 相
（1）相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。（如单相、两相、多相合金。）（2）相的分类
固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。含溶剂和溶质。
中间相（金属化合物）：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同的相。
第一节固溶体
按溶质原子位置不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体。
按固溶度不同，可分为有限固溶体和无限固溶体。
按溶质原子分布不同，可分为无序固溶体和有序固溶体。
1 置换固溶体
（1）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。
（2）影响置换固溶体溶解度的因素
a 原子尺寸因素
原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。
△r=(r A-r B)/r A
当△r<15%时，有利于大量互溶。
b 晶体结构因素
结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。
c 电负性因素
电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。
d 电子浓度因素
电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，与溶剂晶体结构有关。一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48。
（上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属与合金的电子理论。）
2 间隙固溶体
（1）影响因素：原子半径和溶剂结构。
（2）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。
3 固溶体的结构
（1）晶格畸变。
（2）偏聚与有序：完全无序、偏聚、部分有序、完全有序。
4 固溶体的性能
固溶体的强度和硬度高于纯组元，塑性则较低。
（1）固溶强化：由于溶质原子的溶入而引起的强化效应。
（2）柯氏气团
（3）有序强化
第二节金属间化合物
中间相是由金属与金属，或金属与类金属元素之间形成的化合物，也称为金属间化合物。
1 正常价化合物
（1）形成：电负性差起主要作用，符合原子价规则。
（2）键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。
（3）组成：AB或AB2。
2 电子化合物（电子相）
（1）形成：电子浓度起主要作用，不符合原子价规则。
（2）键型：金属键（金属－金属）。
（3）组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学式表示，可形成以化合物为基的固溶体。
3 间隙化合物
（1）形成：尺寸因素起主要作用。
（2）结构
简单间隙化合物（间隙相）：金属原子呈现新结构，非金属原子位于其间隙，结
构简单。
复杂间隙化合物：主要是铁、钴、铬、锰的化合物，结构复杂。
（3）组成：可用化学式表示，可形成固溶体，复杂间隙化合物的金属元素可被置换。
4 拓扑密堆相
（1）形成：由大小原子的适当配合而形成的高密排结构。
工程材料中的原子排列
工程材料中的原子排列 本章介绍了决定材料性能的两个根本性问题：原子间的结合键和晶体结构。 原子结合成分子或固体时，原子间产生的相互作用力，称为结合键。根据电子围绕原子的分布方式不同，可将结合键分为5类：离子键、共价键、金属键、分子键及氢键。重点讨论了前四种键的特性及他们和材料性能间的关系。根据结合键的不同，我们通常把工程材料分为金属材料、高分子（聚合物）材料及陶瓷材料3类。 除结合键外，晶体结构是决定材料性能的又一根本性问题。在晶体材料的理想状态中，原子有着规则性的排列。因此，首先建立了晶体结构与空间点阵、晶格、晶胞等概念；并讨论了晶体中晶面和晶向的概念及其表示方法；指出了金属中常见的bcc，fcc，hcp三种典型的晶格类型，陶瓷中常见的氯化钠型结构和金刚石型结构。 但是，实际晶体中的结构远远不是理想的，而是存在好多类型不同的缺陷，尽管这些缺陷很少，可能在1010个原子中只有1个脱离其平衡位置，但这些缺陷极为重要。按照几何特征，晶体中的缺陷可分为点缺陷（包括空位和间隙原子）、线缺陷（错位）和面缺陷（包括晶界、亚晶界等）。 点缺陷是热力学上一种稳定的缺陷。任何温度下，都有一定浓度的点缺陷存在；但过饱和的点缺陷，可使材料的屈服强度升高。点缺陷是扩散及与扩散有关的塑性形变、化学热处理、相变等过程的基础。 位错是晶体缺陷中极为重要的一种缺陷。主要讨论了错位的特征（分类）、柏氏矢量的性质、作用在位错上的力及位错的运动、位错周围的应力场与应变能、位错的增殖、交割等。对于实际晶格中的位错，以面心立方点阵晶体为例进行了分析。 在面缺陷中，主要是认识晶界的结构和特性，因为晶界对材料的力学、腐蚀、冶金性能等影响很大。 基本要求： . 认识材料的3大类别（金属、聚合物、陶瓷）及其分类的基础。 . 建立单位晶胞的概念，用以想象原子的空间排列。 . 熟悉常见晶体中原子的规则排列形式，特别是bcc，fcc和hcp；还有NaCl结构和金刚石结构。 . 掌握晶面、晶向指数的标定方法。若给出晶体中具体的晶向、晶面时会标注“指数”；若给出具体的“指数”时，能在三维空间图上找出其位置。 . 认识晶体缺陷的基本类型、基本特征、基本性质。注意位错线和柏氏矢量，位错线移动方向、晶体滑移方向与外加切应力之间的关系。 . 了解位错应力场的特点及应变能的计算；位错的增殖、塞积和交割。 . 了解晶界的特性和分类。
材料中的原子排列
第一章材料中的原子排列 第一节原子的结合方式 1 原子结构 2 原子结合键 （1）离子键与离子晶体 原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性； 离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。 （2）共价键与原子晶体 原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性； 原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。如高分子材料。 （3）金属键与金属晶体 原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性； 金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。 金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。 （3）分子键与分子晶体 原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。 分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。 氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O （4）混合键。如复合材料。 3 结合键分类 （1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。 （2）二次键（物理键）：分子键和氢键。 4 原子的排列方式 （1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。 （2）非晶体：――――――――――不规则排列。长程无序，各向同性。 第二节原子的规则排列 一晶体学基础 1 空间点阵与晶体结构 （1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。图1-5 特征：a 原子的理想排列；b 有14种。 其中： 空间点阵中的点－阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。 描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。 空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。 （2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。 特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。 2 晶胞图1－6 （1）――－：构成空间点阵的最基本单元。 （2）选取原则： a 能够充分反映空间点阵的对称性； b 相等的棱和角的数目最多； c 具有尽可能多的直角； d 体积最小。 （3）形状和大小 有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。 （4）晶胞中点的位置表示（坐标法）。 3 布拉菲点阵图1－7 14种点阵分属7个晶系。 4 晶向指数与晶面指数 晶向：空间点阵中各阵点列的方向。 晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。 国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。
1、1~36号元素电子排布式、排布图-1到36原子 排布式
【1--36号元素电子排布式】氢：1s1 氦：1s2 锂：1s22s1 铍：1s22s2 硼：1s22s22p1 碳：1s22s22p2 氮：1s22s22p3 氧：1s22s22p4 氟：1s22s22p5 氖：1s22s22p6 钠：1s22s22p63s1 镁：1s22s22p63s2 铝：1s22s22p63s23p1
硅：1s22s22p63s23p2 磷：1s22s22p63s23p3 硫：1s22s22p63s23p4 氯：1s22s22p63s23p5 氩：1s22s22p63s23p6 钾：1s22s22p63s23p64s1钙：1s22s22p63s23p64s2 钪：1s22s22p63s23p63d14s2钛：1s22s22p63s23p63d24s2矾：1s22s22p63s23p63d34s2铬：1s22s22p63s23p63d54s1锰：1s22s22p63s23p63d54s2铁：1s22s22p63s23p63d64s2 钴：1s22s22p63s23p63d74s2
镍：1s22s22p63s23p63d84s2铜：1s22s22p63s23p63d104s1锌：1s22s22p63s23p63d104s2镓：1s22s22p63s23p63d104s24p1锗：1s22s22p63s23p63d104s24p2 砷：1s22s22p63s23p63d104s24p3 硒：1s22s22p63s23p63d104s24p4溴：1s22s22p63s23p63d104s24p5氪：1s22s22p63s23p63d104s24p6 1--36号元素轨道排布图
固体中的原子键合习题+答案
第七章 《固体中的原子键合》习题 1． 是否有与库仑力无关的晶体结合类型？ [解答] 共价结合中，电子虽然不能脱离电负性大的原子，但靠近的两个电负性大的原子可以各出一个电子，形成电子共享的形式，即这一对电子的主要活动范围处于两个原子之间，通过库仑力，把两个原子连接起来。离子晶体中，正离子与负离子的吸引力就是库仑力。金属结合中，原子实依靠原子实与电子云间的库仑力紧紧地吸引着。分子结合中，是电偶极矩把原本分离的原子结合成了晶体。电偶极矩的作用力实际就是库仑力。氢键结合中，氢先与负性大的原子形成共价结合后，氢核与负电中心不在结合，迫使它通过库仑力再与另一个电负性大的原子结合。可见，所有晶体结合类型都与库仑力有关。 2． 如何理解库仑力是原子结合的动力？ [解答] 晶体结合中，原子间的排斥力是短程力，在原子吸引靠近的过程中，把原本分离的原子拉近的动力只能是长程力，这个长程吸引力就是库仑力。所以，库仑力是原子结合的动力。 3． 晶体的结合能，晶体的内能，原子间的相互作用势能有何区别？ [解答] 自由粒子结合成晶体过程中释放出的能量，或者把晶体拆散成一个个自由粒子所需要的能量，称为晶体的结合能。 原子的动能与原子间的相互作用势能之和为晶体的内能。 在OK 时，原子还存在零点振动能。但零点振动能与原子间的相互作用势能的绝对值相比小得多。所以，在OK 时原子间的相互作用势能的绝对值近似等于晶体的结合能。 4． 原子间的排斥作用取决于什么原因？ [解答] 相邻的原子靠得很近，以至于它们内层闭合壳层的电子云发生重叠时，相邻的原子间便产生巨大排斥力。也就是说，原子间的排斥作用来自相邻原子内层闭合层壳电子云的重叠。 5． 原子间的排斥作用和吸引作用有何关系？起主导的范围是什么？ [解答] 在原子由分散无规则的中性原子结合成规则排列的晶体过程中，吸引力起了主要作用。在吸引力的作用下，原子间的距离缩小到一定程度，原子间才出现排斥力。当排斥力与吸引力相等时，晶体达到稳定结合状态。可见，晶体要达到稳定结合状态，吸引力与排斥力缺一不可。设此时相邻原子间的距离为0r ，当相邻原子间的距离0r r > 时，吸引力起主导作用；当相邻原子间的距离0r r <时，排斥力起主导作用。 6． 共价结合为什么有“饱和性”和“方向性”？ [解答] 设N 为一个原子的价电子数目，对于ⅣA ，ⅤA ，ⅥA ，ⅦA 族元素，价电子壳层一共有8个量子态，最多能接纳（8—N ）个电子，形成（8—N ）个共价键，这就是共价结合的“饱和性”。 共价键的形成只在特定的方向上，这些方向是配对电子波函数的对称轴方向，在这个方向上交迭的电子云密度最大。这就是共价结合的“方向性”。 7． 共价结合，两原子电子云交叠产生吸引，而原子靠近时，电子云交叠会产生巨大的排斥力，如何解释？ [解答] 共价结合，形成共价键的配对电子，它们的自旋方向相反，这两个电子的电子云交迭使得体系的能量降低，结构稳定。但当原子靠得很近时，原子内部满壳层电子的电子云交迭，量子态相同的电子产生巨大的排斥力，使得系统的能量急剧增大。 8． 试解释一个中性原子吸收一个电子一定要放出能量的现象。
固体中原子及分子运动
第4章固体中原子及分子的运动 物质的迁移可通过对流和扩散两种方式进行。在气体和液体中物质的迁移一般是通过对流和扩散来实现的。但在固体中不发生对流，扩散是唯一的物质迁移方式，其原子或分子由于热运动不断地从一个位置迁移到另一个位置。扩散是固体材料中的一个重要现象，诸如金属铸件的凝固及均匀化退火，冷变形金属的回复和再结晶，陶瓷或粉末冶金的烧结，材料的固态相变，高温蠕变，以及各种表面处理等等，都与扩散密切相关。要深入地了解和控制这些过程，就必须先掌握有关扩散的基本规律。研究扩散一般有两种方法： ①表象理论一根据所测量的参数描述物质传输的速率和数量等； ②原子理论一扩散过程中原子是如何迁移的。 本章主要讨论固体材料中扩散的一般规律、扩散的影响因素和扩散机制等内容。 固体材料涉及金属、陶瓷和高分子化合物三类； 金属中的原子结合是以金属键方式； 陶瓷中的原子结合主要是以离子键结合方式为主； 而高分子化合物中的原子结合方式是共价键或氢键结合，并形成长链结构，这就导致了三种类型固体中原子或分子扩散的方式不同，描述它们各自运动方式的特征也是本章的主要目的之一。 4.1表象理论 4.1.1菲克第一定律 当固体中存在着成分差异时，原子将从浓度高处向浓度低处扩散。如何描述原子的迁移速率，阿道夫·菲克（Adolf Fick）对此进行了研究，并在1855年就得出：扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比，即 该方程称为菲克第一定律或扩散第一定律。式中，J为扩散通量，表示单位时间内通过垂直于扩散方向x的单位面积的扩散物质质量，其单位为kg/(m2s)；D为扩散系数，其单位为m2/s；而r是扩散物质的质量浓度，其单位为kg/m3。式中的负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度 4.2扩散的热力学分析 菲克第一定律描述了物质从高浓度向低浓度扩散的现象，扩散的结果导致浓度梯度的减小，
复旦大学材料科学导论课后习题答案(搭配：石德珂《材料科学基础》教材)
材料科学导论课后习题答案 第一章材料科学概论 1.氧化铝既牢固又坚硬且耐磨，但为什么不能用来制造榔头？ 答：氧化铝脆性较高，且抗震性不佳。 2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物和复合材料进行分类： 黄铜、环氧树脂、混泥土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅锡焊料、橡胶、纸杯答：金属：黄铜、镁合金、铅锡焊料；陶瓷：碳化硅；聚合物：环氧树脂、沥青、橡胶、纸杯；复合材料：混泥土、玻璃钢 3.下列用品选材时，哪些性能特别重要？ 答：汽车曲柄：强度，耐冲击韧度，耐磨性，抗疲劳强度； 电灯泡灯丝：熔点高，耐高温，电阻大； 剪刀：硬度和高耐磨性，足够的强度和冲击韧性； 汽车挡风玻璃：透光性，硬度； 电视机荧光屏：光学特性，足够的发光亮度。 第二章材料结构的基础知识 1.下列电子排列方式中，哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金属？ (1) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2 (2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 (3) 1s2 2s2 2p5 (4) 1s2 2s2 2p6 3s2 (5) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2 (6) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 答：惰性元素：(2)；卤族元素：(3)；碱族：(6)；碱土族：(4)；过渡金属：(1),(5) 2.稀土族元素电子排列的特点是什么？为什么它们处于周期表的同一空格内？ 答：稀土族元素的电子在填满6s态后，先依次填入远离外壳层的4f、5d层，在此过程中，由于电子层最外层和次外层的电子分布没有变化，这些元素具有几乎相同的化学性质，故处于周期表的同一空格内。 3.描述氢键的本质，什么情况下容易形成氢键？ 答：氢键本质上与范德华键一样，是靠分子间的偶极吸引力结合在一起。它是氢原子同时与两个电负性很强、原子半径较小的原子（或原子团）之间的结合所形成的物理键。当氢原子与一个电负性很强的原子（或原子团）X结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳层上；分子的氢变成一个裸露的质子，对另外一个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力，与Y之间形成氢键。 4.为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体高？
固体物理-期末考试
一、概念、简答 1.晶体，非晶体，准晶体；(p1,p41,p48) 答:理想晶体中原子排列十分规则,主要体现是原子排列具有周期性,或称为长程有序,而非晶体则不具有长程的周期性.,因此不具有长程序,但非晶态材料中原子的排列也不是杂乱无章的,仍保留有原子排列的短程序.准晶态:具有长程序的取向序而没有长程序的平移对称序;取向序具有晶体周期性所不能容许的点群对称性,沿取向序对称轴的方向具有准周期性,有两个或两个以上的不可公度特征长度按着特定的序列方式排列. 2. 布拉菲格子；(p11) 答:布拉菲格子是一种数学上的抽象,是点在空间中周期性的规则排列,实际晶格可以看成在空间格子的每个格点上放有一组原子,它们相对位移为r,这个空间格子表征了晶格的周期性叫布拉菲格子. 3.原胞，晶胞；(p11) 答:晶格的最小周期性单元叫原胞.晶胞:为了反映晶格的对称性,选取了较大的周期单元,我们称晶体学中选取的单元为单胞. 4.倒格子，倒格子基矢；（p16） 4 5. 独立对称操作：m、i、1、2、3、4、6、 6.七个晶系、十四种布拉伐格子；（p35） 答:
7.第一布里渊区:倒格子原胞 答：在倒格子中取某一倒格点为原点，做所有倒格矢G 的垂直平分面，这些平面将倒格子空间分成许多包围原点的多面体，其中与原点最近的多面体称为第一布里渊区。 8.基矢为 的晶体为何种结构；若 又为何种结构？ 解：计算晶体原胞体积： 由原胞推断，晶体结构属体心立方结构。 若 则 由原胞推断，该晶体结构仍属体心立方结构。 9.固体结合的基本形式及基本特点。（p49p55、57p67p69 答：离子型结合以离子而不是以原子为结合的单位，共价结合是靠两个原子各贡献一个电子，形成所谓的共价键，具有饱和性和方向性。金属性结合的基本特点是电子的共有化，在晶体内部一方面是由共有化电子形成的负电子云，另一方面是侵在这个负电子云中的带正点的各原子实。范德瓦尔斯结合往往产生于原来有稳固电子结构的原子或分子间，是一种瞬时的电偶极矩的感应作用。 10.是否有与库仑力无关的晶体结合类型？ 答：共价结合中，电子虽然不能脱离电负性大的原子，但靠近的两个电负性大的原子可以各出一个电子，形成电子共享形式，通过库仑力把两个原子连接起来。离子晶体中，正负离子的吸引力就是库仑力。金属结合中，原子依靠原子实与电子云间的库仑力紧紧地吸引着。分子结合中，是电偶极矩把原本分离的原子结合成晶体，电偶极矩的作用力实际上就是库仑力。氢键结合中，氢先与电负性大的原子形成共价结合后，氢核与负电中心不再重合，迫使它通过库仑力再与另一个电负性大的原子结合。可见，所有晶体结合类型都与库仑力有关。 11.为什么许多金属为密堆积结构？ 答：金属结合中，受到最小能量原理的约束要求原子实与共有电子电子云间的库仑能要尽可能的低（绝对值尽可能的大原子实越紧凑，原子实与共有电子电子云靠的越紧密，库仑能越低，因此，许多金属结构为密积结构。 12.引入玻恩——卡门条件的理由是什么? 答：由原子运动方程可知，除原子链两端的两个原子外其他任一个原子的运动都与相邻的两个原子运动相关，原子链两端的两个原子只有一个相邻原子，其运动方程同其他原子不同，引入玻恩——卡门条件方便于求解运动方程。 并且引入玻恩——卡门条件后 ，实验测得的振动谱与理论相符的事实说明玻恩——卡门边界条件是目前较好的一个边界条件。 13.长光学支格波与长声学支格波本质上有何差别？ 答：长光学支格波的特征是每个原胞内的不同原子作相对振动，振动频率较高，它包含了晶格振动频率最高的振动模式。长声学支格波的特征是原胞内的不同原子没有相对位移，原胞作整体运动，振动频率较低，他包含了晶格振动频率最低的振动模式，波速是一常数。任何晶体都存在声学支格波，但简单晶格晶体不存在光学支格波。 i a a =1j a a =2)(23k j i a a ++=i a k j a a 2 3)(23++=22 22000 0)(3 321a a a a a a a a a ==??=Ω i a k j a a 23)(23++=222230000)(3 321a a a a a a a a a = =??=Ω
第一章 原子排列
第一章原子排列 本章需掌握的内容： 材料的结合方式：共价键，离子键，金属键，范德瓦尔键，氢键；各种结合键的比较及工程材料结合键的特性； 晶体学基础：晶体的概念，晶体特性（晶体的棱角，均匀性，各向异性，对称性），晶体的应用 空间点阵：等同点，空间点阵，点阵平移矢量，初基胞，复杂晶胞，点阵参数。 晶系与布拉菲点阵：种晶系，14种布拉菲点阵的特点； 晶面、晶向指数：晶面指数的确定及晶面族，晶向指数的确定及晶向族，晶带及晶带定律 六方晶系的四轴座标系的晶面、晶向指数确定。 典型纯金属的晶体结构：三种典型的金属晶体结构：fcc、bcc、hcp； 晶胞中原子数、原子半径，配位数与致密度，晶面间距、晶向夹角 晶体中原子堆垛方式，晶体结构中间隙。 了解其它金属的晶体结构：亚金属的晶体结构，镧系金属的晶体结构，同素异构性 了解其它类型的晶体结构：离子键晶体结构：MgO陶瓷及NaCl，共价键晶体结构：SiC陶瓷，As、Sb 非晶态结构：非晶体与晶体的区别，非晶态结构 分子相结构 1. fcc结构的密排方向是，密排面是，密排面的堆垛顺序是，致密度为，配位数是,晶胞中原子数为，把原子视为刚性球时，原子的半径r与点阵常数a的关系是；bcc结构的密排方向是，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为，原子的半径r与点阵常数a的关系是；hcp结构的密排方向是，密排面是，密排面的堆垛顺序是，致密度为，配位数是,，晶胞中原子数为，原子的半径r与点阵常数a的关系是。 2.Al的点阵常数为0.4049nm，其结构原子体积是，每个晶胞中八面体间隙数为，四面体间隙数为。 3.纯铁冷却时在912 发生同素异晶转变是从结构转变为结构，配位数，致密度降低，晶体 体积，原子半径发生。 4.在面心立方晶胞中画出晶面和晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的f 方向。在hcp晶胞的（0001）面上标出晶面和晶向。 5.求和两晶向所决定的晶面。 6 在铅的（100）平面上，1mm2有多少原子？已知铅为fcc面心立方结构，其原子半径 R=0.175×10-6mm。 1. 填空 1. fcc结构的密排方向是_______，密排面是______，密排面的堆垛顺序是_______致密度为___________配位数是________________晶胞中原子数为___________，把原子视为刚性球时，原子的半径是____________；bcc结构的密排方向是_______，密排面是_____________致密度为___________配位数是________________ 晶胞中原子数为___________，原子的半径是____________；hcp结构的密排方向是_______，密排面是______，密排面的堆垛顺序是_______，致密度为___________配位数是________________，晶胞中原子数为___________，
固体材料的结构
1.Write the relation formula about micro-particle duality A: contact micro-particle duality formula is:h h λ== P mu λ-Wavelength，P-Momentum，h-Planck’s constant，m-Quality，u-Velocity 2.讨论波函数的意义与其电子云的关系。 答：波函数是为了定量地描述电子的状态和出现在某处的几率而引入的一个复函数，既有实数部分又有虚数部分，且各部分都可根据欧拉公式写成正余弦函数形式，但这两部分合起来就不再是简单正余弦了，它本身并无实际意义，但它平方后得到的新函数可表示粒子在空间各点出现的概率密度（但其图相并不表示粒子轨道）。 电子云是电子在核外空间出现的几率密度分布的形象化描述，几率密度分布也就是波函数和其共轭的乘积，乘积是一个实数，也就是波函数和其共轭模相乘，所以说是模的平方。 3.定性讨论四个量子数的意义。 答：主量子数n主要表示电子距离原子核“平均距离”的远近，是决定能量的主要参数。当n=1，2，3，4，5，6，7 电子层符号分别为K，L，M，N，O，P，Q。当主量子数增大，电子出现离核的平均距离也相应增大，电子的能量增加。 轨道角量子数l确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。电子绕核运动，不仅具有一定的能量，而且也有一定的角动量M，它的大小同原子轨道的形状有密切关系，决定了轨道角动量的大小。对于给定的n值，量子力学证明l 只能取小于n的正整数：l=0，1，2，3…(n-1)。 轨道磁量子数m决定了轨道角动量在外磁场方向的投影值，即原子轨道在空间的取向。某种形状的原子轨道，可以在空间取不同方向的伸展方向，从而得到几个空间取向不同的原子轨道。这是根据线状光谱在磁场中还能发生分裂，显示出微小的能量差别的现象得出的结果。磁量子数可以取值：m=0,+/-1,+/-2……+/-l。 自旋磁量子数m s决定了自旋角动量在外磁场方向的投影值，正负号表示投影方向与磁场方向相同或相反。
原子核外电子排布规律
原子核外电子排布规律 1、Pauli不相容原理：每个轨道最多只能容纳两个电子，且自旋相反配对 2、能量最低原理：电子尽可能占据能量最低的轨道 3、Hund规则：简并轨道（能级相同的轨道）只有被电子逐一自旋平行地占据后，才能容纳第二个电子 另外：等价轨道在全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的，亦即下列电子结构是比较稳定的： 全充满---p6或d10 或f14 半充满----p3或d5或f7 全空-----p0 或d0或f0 还有少数元素（如某些原子序数较大的过渡元素和镧系、锕系中的某些元素）的电子排布更为复杂，既不符合鲍林能级图的排布顺序，也不符合全充满、半充满及全空的规律。而这些元素的核外电子排布是由光谱实验结构得出的，我们应该尊重光谱实验事实。 对于核外电子排布规律，只要掌握一般规律，注意少数例外即可。 处于稳定状态的原子，核外电子将尽可能地按能量最低原理排布，另外，由于电子不可能都挤在一起，它们还要遵守保里不相容原理和洪特规则，一般而言，在这三条规则的指导下，可以推导出元素原子的核外电子排布情况，在中学阶段要求的前36号元素里，没有例外的情况发生。 1．最低能量原理 电子在原子核外排布时，要尽可能使电子的能量最低。怎样才能使电子的能量最低呢？比方说，我们站在地面上，不会觉得有什么危险；如果我们站在20层楼的顶上，再往下看时我们心理感到害怕。这是因为物体在越高处具有的势能越高，物体总有从高处往低处的一种趋势，就像自由落体一样，我们从来没有见过物体会自动从地面上升到空中，物体要从地面到空中，必须要有外加力的作用。电子本身就是一种物质，也具有同样的性质，即它在一般情况下总想处于一种较为安全（或稳定）的一种状态（基态），也就是能量最低时的状态。当有外加作用时，电子也是可以吸收能量到能量较高的状态（激发态），但是它总有时时刻刻想回到基态的趋势。一般来说，离核较近的电子具有较低的能量，随着电子层数的增加，电子的能量越来越大；同一层中，各亚层的能量是按s、p、d、f的次序增高的。这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p…… 2．保里不相容原理 我们已经知道，一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述，即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在，这就是保里不相容原理所告诉大家的。根据这个规则，如果两个电子处于同一轨道，那么，这两个电子的自旋方向必定相反。也就是说，每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子。这一点好像我们坐电梯，每个人相当于一个电子，每一个电梯相当于一个轨道，假设电梯足够小，每一个电梯最多只能同时供两个人乘坐，而且乘坐时必须一个人头朝上，另一个人倒立着（为了充分利用空间）。根据保里不相容原理，我们得知：s亚层只有1个轨道，可以容纳两个自旋相反的电子；p亚层有3个轨道，总共可以容纳6个电子；f亚层有5个轨道，总共可以容纳10个电子。我们还得知：第一电子层（K 层）中只有1s亚层，最多容纳两个电子；第二电子层（L层）中包括2s和2p两个亚层，总共可以容纳8个电子；第3电子层（M层）中包括3s、3p、3d三个亚层，总共可以容纳
材料科学基础考研讲义 第一章 固体结构
第一章固体结构 1、结合键 离子键：正负离子间的库仑力—键合很强，无方向性。 一次键共价键：核间库仑力—方向性，饱和性。 金属键：正离子与自由电子间库仑力—无方向性，无饱和性。 氢键：氢原子核与极性分子间的库仑引力—方向性，饱和性。 二次键 结合键 范德瓦尔斯键：原子瞬时电偶极矩的感应作用—无方向性。 确定键类型因素：电负性，电负差值。 离子键：硬度大，强度大，脆性大 不同键的性能共价键：硬度大，强度大，脆性大 金属键：塑韧性好，强韧性高，导电导热性好 二次键：强硬度低 考点1：键的概念 【例题1-1-1】 （1）金属键：_____ 。(大连理工大学2011,北京工业大学2016,合工大2013,厦门大学2013) （2）化学键与金属键：_____。（哈尔滨工程大学2016） （3）辨析金属键与共价键：_____。 (南京航空航天2013) 解析： （1）金属正离子与自由电子之间的相互作用所构成的金属原子间的结合键称为金属键。 （2）化学键是纯净物分子内或晶体内相邻两个或多个原子（或离子）间强烈的相互作用力的统称。使离子相结合或原子相结合的作用力通称为化学键。金属键同上。 （3）异：电子公用范围不同，金属键中电子属所有原子共用，共价键中属若干原子共用。同：成键方式为电子共用。 【练习题1-1-2】 （1）主要化学键：金刚石_____；镍_____；MgO_____；聚乙烯_____；SiO2_____ （四川大学2016） （2）什么是金属键?金属为什么具有良好的导电性和导热性?（山东大学2014）
（3）下列对金属键描述正确的是（）。（浙工大2013） A、无方向性和饱和性 B、有方向性和饱和性 C、有方向性无饱和性 D、无方向性有饱和性 【练习题1-1-3】简述共价键的特性，并说明多原子分子体系中以杂化轨道形成的共价键与材料晶体结构的关系。(北京工业大学2013) 【练习题1-1-4】 （1）共价键的特点是以原子的形式_____，具有_____性和_____性。(郑州大学2013) （2）氢键是何种类型的键?常见于何种物质、材料之中?对材料的性能会有什么影响? （北京工业大学2014） （3）高分子材料中的化学键有哪几种?(湖南大学2013) 考点2：结合键 【例题1-1-5】固体材料中有几种原子结合键，哪些为一次键，哪些为二次键?(南京航空航天2013) 解析： 材料的许多性能在很大程度上取决于原子结合键。根据结合力的强弱可把结合键分为两大类。一次键：结合力较强（依靠外壳层电子转移或共享而形成稳定的电子壳层），包括离子键、共价键和金属键。二次键：结合力较弱（依靠原子之间的偶极吸引力结合而成），包括分子键和氢键。 【练习题1-1-6】 （1）原子间的结合键共有几种?各自的特点如何?（中国海洋大学2014） （2）从结合键和晶体结构上比较金刚石、石墨、石墨烯、碳纳米管、富勒烯。 （清华大学2015） 【练习题1-1-7】简述一次键和二次键的本质特点，并从结合键的角度讨论金属的力学特征。 （湖南大学2012） 【练习题1-1-8】 （1）试从结合键的角度分析金属材料的塑性或延展性优于无机非金属材料的原因。 （湖南大学2013，西北工业大学2013） （2）比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料在结合键上的差别。（华南理工大学2016） 考点3：键与性能的关系
固体物理试题库
一、名词解释 1.晶态--晶态固体材料中的原子有规律的周期性排列，或称为长程有序。 2.非晶态--非晶态固体材料中的原子不是长程有序地排列，但在几个原子的围保持着有序性，或称为短程有序。 3.准晶--准晶态是介于晶态和非晶态之间的固体材料，其特点是原子有序排列，但不具有平移周期性。 4.单晶--整块晶体原子排列的规律完全一致的晶体称为单晶体。 5.多晶--由许多取向不同的单晶体颗粒无规则堆积而成的固体材料。 6.理想晶体（完整晶体）--在结构完全规则的固体，由全同的结构单元在空间无限重复排列而构成。 7.空间点阵（布喇菲点阵）--晶体的部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地做周期性无限重复排列，这些点子的总体称为空间点阵。 8.节点（阵点）--空间点阵的点子代表着晶体结构中的相同位置，称为节点（阵点）。 9.点阵常数（晶格常数）--惯用元胞棱边的长度。 10.晶面指数—描写布喇菲点阵中晶面方位的一组互质整数。 11.配位数—晶体中和某一原子相邻的原子数。 12.致密度—晶胞原子所占的体积和晶胞体积之比。 13.原子的电负性—原子得失价电子能力的度量；电负性＝常数（电离能＋亲和能） 14.肖特基缺陷—晶体格点原子扩散到表面，体留下空位。 15.费仑克尔缺陷--晶体格点原子扩散到间隙位置，形成空位－填隙原子对。 16.色心--晶体能够吸收可见光的点缺陷。 17.F心--离子晶体中一个负离子空位，束缚一个电子形成的点缺陷。 18.V心--离子晶体中一个正离子空位，束缚一个空穴形成的点缺陷。 19.近邻近似--在晶格振动中，只考虑最近邻的原子间的相互作用。 20.Einsten模型--在晶格振动中，假设所有原子独立地以相同频率ωE振动。 21.Debye模型--在晶格振动中，假设晶体为各向同性连续弹性媒质,晶体中只有3支声学波，且ω=vq 。 22.德拜频率ωD── Debye模型中g(ω)的最高频率。 23.爱因斯坦频率ωE──Einsten模型中g(ω)的最可几频率。 24.电子密度分布--温度T时，能量E附近单位能量间隔的电子数。 25.接触电势差--任意两种不同的物质A、B接触时产生电荷转移，并分别在A和B上产生电势V A、V B，这种电势称为接触电势，其差称为接触电势差。 25.BLoch电子费米气--把质量视为有效质量→ m，除碰撞外相互间无互作用，遵守费米分布的 Bloch电子的集合称为BLoch电子费米气。 26.惯用元胞（单胞）：既能反映晶格周期性，又能反映其对称性的结构单元。 27.简谐近似：晶体中粒子相互作用势能泰勒展开式中只取到二阶项的近似。 28.杜隆-伯替定律：高温下固体比热为常数。 29.晶体的对称性：经过某种对称操作后晶体能自身重合的性质。 30.格波的态密度函数（振动模式密度）：在ω附近单位频率间隔的格波总数。 31.晶体结合能：原子在结合成晶体过程中所释放出来的能量。 32.倒格矢：
固体材料结构
第一章固体材料地结构 Chapter 1. The Structure of Materials 本章要讨论地主要问题是： (1) 为什么原子能结合成固体？ (2) 材料中存在哪几种键合方式？ (3) 决定键合方式地主要因素有哪些？ (4) 材料地哪些性能和其键合方式有密切地关系？ (5) 如何描述晶体中原子地排列？ (6) 金属晶体有哪些常见地晶体结构？ Questions for Chapter 1 1.What is crystal structure? 2.What is crystal lattice? 3.How many types of bonding between atoms? What are the most important factors in determining the types of bonds? 4.What is the relationship between bonds and properties of materials? 5.How to describe the atom arrangement in crystalline? 6.What are the most met al’s crystal st ructures? 1-1 几何晶体学地基本知识 Sec.1.1 The Fundamentals of Geometric Crystallology The most important aspect of any engineering material is its structure, because its properties are closely related to this feature. To be successful, a materials engineer must have a good understanding of this relationship between structure and properties. 1、原子之间地键合The types of bonds Atomic scale structure: By atomic structure we mean (1) The types of atoms present; (2) The types of bonding between the atoms; (3) The way the atoms are packed together. The two major classes of atomic bonds are primary and secondary bonds. Primary bonds are generally one or more orders of magnitude stronger than secondary bonds. The three major types of primary bonds are ionic, covalent and metallic bonds. All primary bonds involve either the transfer of electrons from one atom to another or the sharing of electrons between atoms. One of the important factors in determining the type of band that an atom will form is its electronegativity. （1）离子键与离子晶体Ionic bonding The most common type of bond in a compound containing both electropositive and electronegative elements is the Ionic bonds. This bond involves electron transfer from the electropositive atom to the electronegative atom. 原子结合：电子转移,结合力大,无方向性和饱和性； 离子晶体：硬度高,脆性大,熔点高、导电性差.如氧化物陶瓷.