第一章 原子结构与键合

4. 自旋角量子数si
自旋量子数ms描述电子的自旋方向，它的取值
为 +1/2 和 -1/2，常用箭号 ↑和 ↓表示电子的两种
自旋方向。 ms不能从求解薛定谔方程得到，它是
后来实验和理论进一步研究中引入的。
综上所述，n、 l 、m 三个量子数可以确定一 个原子轨道，而 n、 l、m 、 ms 四个量子数可以 确定电子的运动状态。
处的量子壳层。它的取值为1、2、3…n 越大，电子离
原子核的距离越远，电子的能量越高。在一个原子中，
常称 n 相同的电子为一个电子层。当 n＝1、2、3、4、
5、6、7 时，分别称为第一、二、三、四、五、六、
七电子层，相应地用符号 K、 L、 M 、 N、 O、 P、 Q
表示。
2. 轨道角量子数li
角量子数 l 决定原子轨道的形状，它的取值为 0、 1、2….n-1。在多电子原子中，当 n 相同而 l 不同时,
电子的能量还有差别又常将一个电子层分为几个亚层。
当 l = 0、1、2、3 时，分别称为 s、p、d、f 亚层。 在多电子原子中， l 也决定着原子轨道的能量。 当 n 相同时，随 l 的增大，原子轨道的能量升高。
以自由运动，即呈现离子导电性。
构成物质：多数盐类、碱类和金属氧化物
实质：
金属原子 非金属原子
带正电的正离子（Cation） 带负电的负离子（anion）
特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负
离子相间排列，且无方向性，无饱和
性质：熔点和硬度均较高，
良好电绝缘体
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
它是属物理键，系一种次价键，没有方向性
和饱和性（图1.7）。比化学键的键能少1～2个
数量级。不同的高分子聚合物有不同的性能，分
子间的范德华力不同是一个重要因素。
实质：近邻原子相互作用→电荷位移→偶极子
(dipoles） 偶极矩的感作用
电应
范德华力 静电力(electrostatic) 诱导力(induction) 色散力(dispersive force)
金属键 无方向性，配位数 大，密度大 有各种强度，有塑 性 有各种熔点，导热 性好，液态的温度 范围宽 导电体 不透明，有金属光 泽
材 料 中 的 键
共价键
半导体 聚合物
金属键
范德瓦尔键（二次键）
金属
离子键
陶瓷和玻璃
1.3 高分子链（High polymer Chain )
高分子结构包括高分子链结构和聚集态结构两方
（covalent bonding）
物理键 （physical bonding)
次价键(Secondary bonding） 亦称Van der Waals bonding
氢键 （Hydrogen-bonding) 介于化学键和范德华力之间
一、金属键（Metallic bonding）
金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构 成键合称为金属键（图1.3-1.4）。金属键的基本特 点是电子的共有化。 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之间的相互 位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良 好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般 都具有良好的导电和导热性能。
结构特点 力学特点 热学特点
电学特点 光学特点
表 2-1 结合键的特性 离子键 共价键 无方向性或方向性不 方向性明显，配位数 明显，配位数大 小，密度小 强度高，膨胀系数小， 强度高，硬度大 劈裂性良好，硬度大 熔点高，膨胀系数小， 熔点高，膨胀系数 熔体中有离子存在 小，熔体中有的含有 分子 绝缘体，熔体为导体 绝缘体，熔体为非导 体 与各构成离子的性质 折射率大，同气体的 相同， 对红外线的吸收 吸收光谱很不同 强， 多是无色或浅色透 明的
大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方
式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子
为结合单元（图1.5）。 因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难
一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。
产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。
但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可
Foundations of Materials Science
上课班级：材料11级 主讲教师： 吴 菊 E-mail: lawuju@ QQ：584591352 2012-2013学年第二学期
（64学时，4学分）
第一章 原子结构与键合
1.1
1.2 1.3
原子结构
原子间的键合 高分子链
电子（electron）：核外高速旋转，带负电， 按能量高低排列，如电子云（electron cloud)， m ＝9 .11×10-31kg，约为质子的 1/1836

原子的体积很小，直径约为10-10 m数量级，而
-27 -27
其原子核直径更小，仅为10-15 m数量级。
） ´
-31
三、原子的电子结构
四、 元素周期表
具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。 元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反
映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位
置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。
元素周期表（图1.2）共有七个横行，每一横行为
一个周期，共有七个周期。元素在周期表中所属周期
数等于该元素基态原子的电子层数，也等于元素基态 原子的最外电子层的主量子数。 元素周期表中各周期所包含元素的数目，等于相 应能级组中的原子轨道所能容纳的电子总数。
图1.6 共价键与原子晶体
四、范德华力（Van der waals bonding) 分子中由于共价电子的非对称分布，使分子的 某一部分比其他部分更偏于带正电或带负电。一个 分子的带正电部分会吸引另一个分子的带负电部分，
这种结合力称为分子键或范德瓦耳力。
+ +
Atomic or molecular di决定原子轨道在空间的取向。它的 取 值为0,±1，±2,±3因此有2l+1种取向。
l =0时，m只能取0，s亚层只有1个轨道；
l =1时，m可取-1、0、+1，p亚层有3个轨道。
同理，d亚层有5个轨道，f亚层有7个轨道。n和l相同， 但m不同的各原子轨道的能量相同，称为简并轨道或 等价轨道。
（s电子除外） 性质：熔点高、质硬脆、脆性大。其导电性 取决于共价键的强弱。 弱共价键的Sn是导体，Si是半导体，金刚石 就是绝缘体。
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
延展性好
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
图1.3 金属键与金属晶体
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
图1.4 金属键与金属晶体
二、离子键（Ionic bonding ）
原子的核外电子排布: 原子的核外电子排布遵守：泡利不相容原理、能
量最低原理。
1. 泡利不相容原理：在一个原子中，不可能存在四
个量子数完全相同的两个电子。
由泡利不相容原理，可知一个原子轨道最多只能容
纳两个电子，而且这两个电子的自旋必须相反。
2.
能量最低原理：在不违背泡利不相容原理的前提
下，核外电子总是尽可能排布在能量最低的轨道上， 当能量最低的轨道排满后，电子才依次排布在能量较 高的轨道上。 依据上述原理，电子从低的能量水平至高的能量 水平，依次排列在不同的量子状态下。决定电子能量 水平的主要因素是主量子数和次量子数、各个主壳层 及亚壳层的能量水平在图1.1中示意画出。
分类
特点：属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能
很大程度改变材料性质；分子键结合力弱，使得材料熔点
和硬度都比较低，是良好的绝缘体材料。
五、氢键（Hydrogen bonding）
它是一种特殊的分子间作用力（图1.8）。它
是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较 小的原子（O，F，N等）相结合而产生的具有比 一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢 键在高分子材料中特别重要。
图1.2 元素周期表
1.2 原子间的键合( Bonding type with other atom)
金属键 （Metallic bonding） 化学键 （Chemical bonding）
离子键 （Ionic bonding） 共价键
，
主价键
primary interatomic bonds
一、物质的组成 一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集
而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。
原子结构直接影响原子间的结合方式。 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒
二 原子的结构
原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电
质子（proton):正电荷m＝1.6726×10-27kg 中子（neutron):电中性m＝1.6748×10-27kg
图1.5 离子键与离子晶体
三、共价键（covalent bonding）
两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子
对而形成的化学键就是共价键（图 1.6 ）。共价键键合
的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用
电子对”，有确定的方位，且配位数较小。
共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无 机非金属材料中均占有重要地位。共价键晶体中各个键 之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极 为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等