材料科学导论第二章原子键
材料科学基础基础知识点总结
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式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1－714种点阵分属7个晶系。
材料科学导论
第1 章原子结构与键合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，原子集合体的形貌特征等。
物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的。
原子结构中的电子结构——决定了原子键合的本身。
1.1 原子结构1.1.1 物质的组成一切物质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。
分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒。
分子的体积很小，如H2O分子的直径约为0.2 nm。
而分子的质量则有大有小：H2分子是分子世界中最小的，它的相对分子质量只有2，而天然高分子化合物——蛋白质可高达几百万。
分子是由一些更小的微粒——原子所组成的。
在化学变化中，分子可以再分成原子，而原子却不能再分，原子是化学变化中的最小微粒。
量子力学中，原子并不是物质的最小微粒。
它具有复杂结构。
原子结构直接影响原子间的结合方式。
1.1.2 原子的结构原子由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成。
原子的体积很小，原子直径约为10–10 m 数量级，原子核直径为10–15 m 数量级。
原子的质量主要在原子核内。
每个质子和中子的质量大致为1.67×10–24 g，电子的质量约为9.11×10–28 g，为质子的1/1836。
原子呈电中性。
原子核带正电（质子带正电，中子不带电），电子带负电（1.6022×10–19 C），电子和质子数目相等。
原子核与电子的结合力为静电力。
1.1.3 原子的电子结构电子云：电子在原子核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围。
电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。
电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。
能量低的，通常在离核近的区域（壳层）运动；能量高的，通常在离核远的区域运动。
2材料导论第二章原子键
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
r0 or a0:平衡距离
FIGURE 2.11 Force vs. separation distance for a pair of oppositely charged ions. The equilibrium interionic separation distance a0 is reached when the force between the ions is zero
宏观组织和显微组织结构
晶体结构
晶 体：原子排列长程有序，有周期
非晶体：原子排列短程有序，无周期 准晶体：原子排列长程有序，无周期
组织结构
定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征
相图特征
匀晶型组织 共晶型组织
包晶型组织
结构特征 组合特征
马氏体组织 奥氏体组织
贝氏体组织 …...
…...
单相组织
材料科学导论
Introduction to Materials Science
Fu maosheng
Department of Environmental and Chemical Engineering, Nanchang Hangkong university
Chapter 2/ Atomic structure and interatomic bonding
教学方法与手段
授课方式：讲课、讲座、课堂讨论、自学 教学手段：多媒体授课
课时安排： 2
主要讲述内容
2.1、Atomic structure 原子结构 2.2、Interatomic bonding 原子间结合键
第二章材料的微观结构
密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
1 原子半径 ：r a 2 原子个数：6
配位数： 12
致密度：0.74
常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
四、晶体中的晶面和晶向
(1)基本概念 晶面：晶体中不同方位的原子面（通过原 子中心的平面）称为晶面。 晶向：晶体中不同方向的原子列（通过原 子中心的方向）称为晶向。
来所形成的三维空间
格架。直线的交点 （原子中心）称结点。
由结点形成的空间点
的阵列称空间点阵。
⑵ 晶胞：晶体中有代表性的最小的几何单元，称为 晶胞。
⑶ 晶格常数：晶胞 的三个棱边的尺寸 a、b、c。用埃（Å）
表示：
各棱间的夹角用、
、表示。
⑷ 晶胞类型 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶 系。晶体中用以描述原子排列几何方式 的晶胞有14种。 分别为
度（键角），即共价键之间有固定的方向关系。 正因为如此，共价键结合的材料不象金属键那样，在
受外力作用时可以产生位移变形。共价键的电子不能自由
运动）。但共价键的结合力大，所以共价晶体的强度 大，硬度高，熔点高，沸点高，结构也比较稳定。
四、 范德瓦尔键 (分子键，Van der Waals bonding)
（1）简单立方 （2）面心立方 （3）体心立方 （4）简单立方 （5) 体心四方 （6）密排六方 （7）简单正交 （8）体心正交 （9）底心正交 （10）面心正交 （11）菱形 （12）简单三斜 （13）底心单斜（14）三斜
立方
六方
四方 菱方
正交
单斜
三斜
•现代X射线结构分析表明， 90%的金属元素属于立方晶系 和六方晶系。 立方晶系：a=b=c，===90 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，=120
材料科学导论02
He coined the terms alpha and beta radiation during his investigation of radioactivity. He became the first person to transmute one element into another when he converted nitrogen into oxygen.
Expectations from plum pudding model
7
The electrons are light and the mass of the atom is spread out uniformly over the whole sphere Nothing there to seriously deflect the high energy alpha particles
Suppose we cut a bar of copper into two, take one and cut that in half, and so on ... Question: Is there any limit to the number of times we can divide the bar in this way? Leucippus & Democritus: “splitting stops when it reaches indivisible particles and Leucippus does not go on infinitely.” They postulated (~first half of the existence of “atoms” 5th century BC) In Greek, the prefix "a" means "not" and the word "tomos" means cut. Atom comes from atomos, a Greek word meaning uncuttable
材料科学与工程基础__第二章
2.3 原子之间相互作用和结合
• 稳定的电子结构：“八电子层”结构（s2p6) • 基本结合（化学结合）：结合力较强，包括离
子键、共价键和金属键。 • 派生结合（物理结合）：结合力较弱，包括范
德华键和氢键。
2.3.1基本结合（化学键合）
➢离子键合
当两类原子结合时，金属原子的外层电子很可能 转移到非金属原子外壳层上，使两者都得到稳 定的电子结构，从而降低体系的能量，此时金 属原子和非金属原子分别形成正离子和负离子 ，正负离子间相互吸引，使原子结合在一起， 这就是离子键。（如NaCl）
• 自旋量子数——ms=+1/2，–1/2，表示在每个状 态下可以存在自旋方向相反的两个电子。
主量子 次量子数 数壳层 亚壳层状 磁量子数 序号 态
1 (K)
1s
1
2s
1
2 (L)
2p
3
3s
1
3p
3
3 (M)
3d
5
考虑自旋 量子数后 的状态数目
2 2 6
2 6 10
各壳层 总电子数 2（=2×12） 8（=2×22）
➢晶胞、晶系和空间点阵型式
晶胞(Unit Cell)：代表晶体内部结构的基本重复单位 （平行六面体）
晶胞的基本要素： A．大小和形状 B．各原子坐标位置
晶格常数 (Lattice parameters) a， b，c 和 α，β，γ
晶胞中原子的坐标可由原点指向原子的向量表示:
r=xa+yb+zc
• 配位数：一个原子周围近邻原子的数目。 • 影响因数：共价键数；
原子的有效堆积
2.4 多原子体系中电子的相互作用与稳定性
2.4.1 杂化轨道和分子轨道理论 2.4.2 费米能级 2.4.3 固体中的能带
2材料科学基础课件原子结构与排列
成分 加工工艺
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1.1 原子结构及其周期性
原子核 + 电子
一、核外电子分布
核外电子的运动状态，由四个量子数决定。 • 主量子数 n = 1、2、3… • 角量子数 l = 0、1、2… • 磁量子数 m = 0、 1 、 2 … • 自旋量子数 ms =
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ⅠA〜ⅧA
• 分别填入外层s、p电子（2+6=8），原子的电负性和化 学性质由此呈周期变化。
• 活泼金属→非金属→惰性元素。
• 以半金属元素ⅣA为中心，可作为材料使用；性质活泼 的元素不宜用作材料。
2019/1/26
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3、副族元素
ⅢB〜ⅡB
• 分别填入d内层电子（共10个）。 • 由于外层s电子为1、2个，几乎相同，化学性质变化不
• 空间点阵中的最小单位单元称为晶胞。
• 空间点阵中的几何点称为阵点。
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例：Cu晶体的抽象操作
晶胞 阵点
Cu
晶体结构
2019/1/26
Cu原子
＝ 结构单元 ＋
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f.c.c
空间点阵
例：NaCl晶体的抽象操作
Na
-
＋
Cl
NaCl晶体
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NaCl分子
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f.c.c
距核远近、能量高低。 电子云形状、能量高低。 电子轨道空间取向 电子自旋方向
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1 2
电子轨道
将不同组合的量子数代入薛定谔方程求解， 得到四种电子分布的波函数 — 电子轨道
• s — 一种组态（球对称） • p — 三种组态（轴对称） • d — 五种组态 • f — 七种组态
大连理工大学 材料科学导论 第二章 材料“四要素”是材料研究与应用的共性基础答案
第二章材料科学与工程的四个基本要素作业一第一部分填空题（10个空共10分，每空一分）1．材料科学与工程有四个基本要素，它们分别是：使用性能、材料的性质、结构与成份和合成与加工。
2．材料性质的表述包括力学性质、物理性质和化学性质。
3．强度可以用弹性极限、屈服强度和比例极限等来表征。
4．结构材料三类主要的失效形式分别是：断裂、磨损和腐蚀。
5．材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。
6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、非晶体和准晶体。
7．化学分析、物理分析和谱学分析是材料成分分析的三种基本方法。
8．材料的强韧化手段主要有固溶强化、加工强化、弥散强化、第二相强化和相变增韧。
第二部分判断题（10题共20分，每题2分）1．材料性质是功能特性和效用的描述符，是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。
（√）2．疲劳强度是材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。
（√）3．硬度是指材料在表面上的大体积内抵抗变形或破裂的能力。
（错）4．性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；性质则是材料本身特征的体现。
（√）5．晶体是指原子排列短程有序，有周期。
（错）6．材料的热处理是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。
（√）7．材料表面工程包括表面改性和表面保护两个方面。
（错）8．材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。
（√）9．材料合成与加工过程是在一个不限定的空间，在给定的条件下进行的。
（错）10．材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。
（√）第三部分简答题（4题共40分，每题10分）1．材料性能的定义是什么？答：在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。
2．金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而是迅速增大，原因有哪两点？答：1）按统计学原理计算单位面积上的位错缺陷数目，由于截面减小而不能满足大样本空间时，这个数值不再恒定；2）晶体结构越来越接近无缺陷理想晶体，强度值也就越接近于理论强度值。
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晶体结构
晶 体：原子排列长程有序，有周期
非晶体：原子排列短程有序，无周期 准晶体：原子排列长程有序，无周期
组织结构
定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征
相图特征
匀晶型组织 共晶型组织
包晶型组织
结构特征 组合特征
马氏体组织 奥氏体组织
贝氏体组织 …...
…...
单相组织
材料科学导论
Introduction to Materials Science
Fu maosheng
Department of Environmental and Chemical Engineering, Nanchang Hangkong university
Chapter 2/ Atomic structure and interatomic bonding
Characteristic of covalent bond
Directional Saturational. Covalent bond may be very strong, as in diamond; or they maybe very weak, as with bismuth. Materials are electrically and thermally insulative, because of none production of electrons moving easily.
Pauli Exclusion Principle
Hund law
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
Electron configuration for sodium
Na1s22s22p63s1
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
To determine the manner in which electrons states are filled with electrons outside of nucleus, three principles are followed
the lowest possible energy law
2. COVALNET BONDING 共价键
In covalent bonding stable electron configurations are assumed by the sharing of electrons between adjacent atoms. Two atoms that are covalently bonded will each contribute at least one electron to the bond, and the shared electrons may be considered to belong to both atoms. Covalent bonding is schematically illustrated in Figure 2.10 for a molecule of methane (CH4).
Learning objectives：
Why can the atoms bond together and comprise a solid? How many bonding types are there in materials？ What are the close interrelationships between properties of materials and their bonding types
薛定谔方程schrodinger equation方程中 引入波函数的概念，以取代经典物理中的圆 形的固定轨道，解得的波函数（习惯上又称 原子轨道）描绘了电子在核外空间各处的位 置出现的几率，相当于给出了电子运动的 “轨道”。
量子数
每一个电子的能级可由四个量子数确定
2
ATOMIC STRUCTURE AND INTERATOMIC BONDING
2.1 Atomic Structure
原子结构
决定着材料绝大部分性能的最小因素
2
ATOMIC STRUCTURE AND INTERATOMIC BONDING
1）Bohr atomic classical model玻尔模型
优点： 能定性地解释原子的稳
定性即定态规则（定态的存 在）和线状原子光谱
波动性:电子某一 瞬时在某一位置 的几率(即可能性 Probability)
图2.3 玻尔模型和波动力学 模型比较
2
ATOMIC STRUCTURE AND INTERATOMIC BONDING
Atomic structure——electron arrangement
科学的描述体系 物理模型（物理参数）
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
Gold: FCC
用扫描在扫描隧道显微镜下，在硅（111）表面直接取出原子 而“刻写”出平均线宽为2纳米的字体。
2
ATOMIC STRUCTURE AND INTERATOMIC BONDING
教学方法与手段
授课方式：讲课、讲座、课堂讨论、自学 教学手段：多媒体授课
课时安排： 2
主要讲述内容
2.1、Atomic structure 原子结构 2.2、Interatomic bonding 原子间结合键
材料的结构
原子结构 键合结构 晶体结构 组织结构
原子中的电子结构
原子间的结合键结构
原子或分子排列结构
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
价键理论
共价键
数个原子共享部分电子，有方向性
分 子 轨 道 理 论
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
2s22p5 (share 1p)
2s22p4 (share 2p)
2s22p3 (share 3p)
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
两相组织
多相组织
结构分析
检测仪器 体视显微镜 光学显微镜 电子扫描显微 透射电镜 场离子显微镜 隧道扫描显微镜
分辨率
mm(毫米)--μ m（微米） μ m（微米） 微米--纳米（nm）达 0.7nm 观察到原子排列面，达 0.2nm 形貌观察 0.2--0.3nm 观察到原子结构 0.05--0.2nm
Fnet = Fattractive + Frepulsive
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
r0 or a0:平衡距离
FIGURE 2.11 Force vs. separation distance for a pair of oppositely charged ions. The equilibrium interionic separation distance a0 is reached when the force between the ions is zero
Classification of interatomic bonds
2.2.2.1 Primary interatomic bonds 主原子结合键
2.2.2.2 Secondary bonding or Van der Waals bonding
次原子间结合键
2
ATOMIC STRUCTURE AND INTERATOMIC BONDING
the periodic stable of elements
2.2、 Interatomic bonding 原子间结合键
2.2.1 Bonding forces and energies
The net force between a pair of oppositely charged ions is equal to the sum of the attractive and repulsive forces.
2） Wave-Mechanics model 波动力学模型
电子和一切微观粒子都具有二象性， 即既具有粒子性(particle-like) ，又具 有波动性(wavelike )。
2
ATOMIC STRUCTURE AND INTERATOMIC BONDING
2、Wave-Mechanics model
Four quantum numbers
1
主量子数 (Principal quantum number) n表示电子所处的量子壳层shell，为正整数1，2，3，。。。 n值是确定电子离核远近和能级的主要参数
l=0, 1, 2, …, n-1. n为主量子数。 例如： n=2, l=0, 1 角量子数往往用字母表示，l=0 s 能级 l=1 p 能级 l=2 d 能级 l=3 f 能级
缺点： 它不能解释电子衍射现
象,因为它仍然是将电子视为 服从牛顿力学的经典粒子。
1.Electron orbitals 2.Quantized energy
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
2
ATOMIC STRUCTURE AND INTERATOMIC BONDING
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
r0 or a0:平衡距离
Their magnitude of FN , FA , FR vary with the distance
2 ATOMIC STRUCTURE AND BONDING
2.2.2 interatomic bond types
原子间距及结合能