2008材料科学基础教案第一章

描述原子中一个电子的空间位置和能量，可用四个量子数 （quantum numbers）表示
1).主量子数n 2).轨道角量子数li 3).磁量子数mi 4).自旋角量子数si
描述原子中一个电子的空间位置和能量，可用四个量子数 （quantum numbers）表示
1).主量子数n
决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。
Bohr atomic model
原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。
中子——电中性 质子——带正电荷 电子——带负电荷 一个质子的正电荷量=一个电子的负电荷量
e=1.6022×10-19C
在中性原子中，电子数=质子数，原子呈电中性。
原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为 10-15m数量级。然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。 每个质子和中子的质量大致为1.67X10-24g， 而电子的质量约为9.11X10-28g，仅为质子的1/1836。
主量子数 ni=1, 2, 3, 4 (正整数)
量子壳层 =K, L, M, N
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
2).轨道角动量量子数li
给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）,与电子 运动的角动量有关。
li：0, 1, 2, 3, 4…n-1
最低的壳层，只有当这些壳层布满后，电子才一次进入能量较高的壳层。
壳层：K
Biblioteka Baidu
L
M
N
亚层：s
p
d
f
[2]泡利(pauli)不相容原理
每个Li下的磁量子数的总数为2Li+1.
举例： Li =2，则2×2+1=5，mi=-2，-1，0，+1，+2
如果把在一定的量子壳层上具有一定形状和伸展方向的电子云所占据的空间称 为一个轨道，那么s,p,d,f四个亚层就分别有1，3，5，7个轨道。
N=4(N壳层), Li=0,1,2,3 能级=s,p,d,f Mi=2Li+1=1,3,5,7
第一章原子结构和键合 Atomic Structure and Interatomic Bonding
第一节 原子结构
第二节 原子间的键合
第三节 高分子链
材料的微观结构（Microstructure of Materials）
决定材料性质最为本质的内在因素： 组成材料各元素原子结构； 原子间相互作用、相互结合； 原子或分子在空间的排列和运动规律； 以及原子集合体的形貌特征。
能级：s, p, d, f, g 亚层电子能量递增
不同电子亚层的电子云形状不同
S亚层电子云： 以原子核为中心的球形 P亚层电子云：纺锤形
例如：主量子数n=2，则l1=0, l2=1.
即在L壳层中，根据电子能量差别，还包含两个电子亚层。
3).磁量子数mi
给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数，决定了电子云的空间取向。
原子（atom) rH = 3.7 10-2 nm rAl = 1.43 10-1nm
原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电
质子（proton）：正电荷m＝1.6726×10 -27 kg 中子（neutron）：电中性m＝1.6748×10 -27 kg
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）
物质(Substance)是由原子（atom）组成，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。 在材料科学中，最为关心原子结构中的电子结构。 原子的电子结构—原子间键合本质 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 决定材料性能：物理 化学 力学
※1原子结构 （Atomic Structure ）
二、原子的结构
1879年 1911年 1913年
J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密
E.Rutherford提出原子结构有核模型
N.Bohr将 RMu.tPhlearnfko和rdA.E原in子st有ei核n量模子型论
原子结构的量子理论
Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n2

Hund原则（Hund'
全充满 Rule)半充满
全空
自旋方向相同
[1]能量最低原理(Minimum Energy principle)
电子的排布总是尽可能使体系的能量最低，电子总是先占据能量
4).自旋角量子数si
反映电子不同的自旋方向。
Si=+1/2和-1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，
核外电子的排布（electron configuration)规律
能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层

1s - 2s - 2p - 3s - 3p - 4s - 3d - 4p - 5s - 4d - 5p -

m＝9.1095 10-31 kg，约为质子的1/1836

三、原子的电子结构
电子在原子核外空间做高速旋转运动，就像带负电荷的云雾 笼罩在原子核周围，故形象的称为电子云。
粒子性 电子
波粒二象性
波动性
电子运动没有固定的轨道，可根据电子能量的高低，用统计方法判断其 在核外空间某一区域内出现几率的大小。 能量低——在离核近的区域运动 能量高——在离核远的区域运动 在量子力学中，反映微观粒子运动的基本方程为薛定谔方程，它的解称 为波函数。 电子的状态和在某处的出现几率可用波函数来描述。
一、物质的组成（Substance Construction） 物质由无数微粒（Particles）按一定方式聚集而成。 这些微粒可能是分子、原子或离子。 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性
质量有大有小 体积很小 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万 原子（Atom）：并不是物质的最小微粒，而是化学变化中最小微粒。 在化学变化中，分子可以再分成原子，而原子却不能再分。 原子结构直接影响原子间的结合方式。