原子結(jié)構(gòu)和鍵合教學(xué)課件

1、第2章 材料科學(xué)基礎(chǔ) 材料不是力學(xué)意義上的連續(xù)介質(zhì)，而是具有豐富多彩的不同層次結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。而且，從微觀到宏觀，各個層次上的結(jié)構(gòu)都具有不同的特征，它們均在不同程度上和不同的范圍內(nèi)影響著材料的行為與性能。近百年來，經(jīng)過幾代人不斷地試驗(yàn)與研究、探索與歸納，已經(jīng)就不同結(jié)構(gòu)層次上材料的特征與行為而總結(jié)出許多規(guī)律來，建立了相應(yīng)的概念、原理，它們共同組成材料科學(xué)的基本理論。 本章依次介紹其主要理論框架：材料的原子結(jié)構(gòu)和鍵合作用；材料的原子排列特征；材料的結(jié)構(gòu)缺陷；材料中的原子擴(kuò)散；材料的相圖與相變；材料的強(qiáng)化與韌化等。 第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)和鍵合Atomic Structure and Interatomic B

2、onding物質(zhì)(Substance)是由原子（atom）組成在材料科學(xué)中，最為關(guān)心原子的電子結(jié)構(gòu)原子的電子結(jié)構(gòu)原子間鍵合本質(zhì)決定材料分類：金屬 陶瓷 高分子 材料性能：物 化 力學(xué)材料的微觀結(jié)構(gòu)（Microstructure of Materials）決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的內(nèi)在因素：組成材料各元素原子結(jié)構(gòu)，原子間相互作用，相互結(jié)合，原子或分子在空間的排列，運(yùn)動規(guī)律，以及原子集合體的形貌特征 人類認(rèn)識原子歷史回顧1原子結(jié)構(gòu) （Atomic Structure ）一、物質(zhì)的組成（Substance Construction）物質(zhì)由無數(shù)微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：單

3、獨(dú)存在 保存物質(zhì)化學(xué)特性 dH2O=0.2nm M(H2)為2 M（protein）為百萬原子（Atom）： 化學(xué)變化中最小微粒1879年 J.J Thomson 發(fā)現(xiàn)電子（electron),揭示了原子內(nèi)部秘密1911年 E.Rutherford提出原子結(jié)構(gòu)有核模型1913年 N.Bohr將 Bohr atomic model 二、原子的結(jié)構(gòu)核外電子的排布（electron configuration)規(guī)律描述原子中一個電子的空間和能量，可用四個量子數(shù)（quantum numbers）表示鎂(原子序數(shù)12)原子結(jié)構(gòu)中K,L和M量子殼層的電子分布狀況 1.能量最低原理基態(tài)原子核外電子的排布力求

4、使整個原子的能量處于最低狀態(tài)。填充順序：構(gòu)造原理2.泡利不相容原理基態(tài)多電子原子中不可能同時存在4個量子數(shù)完全相同的電子?；颍涸谝粋€軌道里最多只能容納2個電子，它們的自旋方向相反。3.洪特規(guī)則基態(tài)多電子原子的電子總是首先自旋平行地、單獨(dú)地填入簡并軌道。三、元素周期表（periodic Table of the Elements)元素（Element）：具有相同核電荷的同一類原子總稱，共116種，核電荷數(shù)是劃分元素的依據(jù)同位素（Isotope）：具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的同一元素的原子 元素有兩種存在狀態(tài)：游離態(tài)和化合態(tài)（Free State& Combined Form)7個橫行（Hori

5、zontal rows)周期（period）按原子序數(shù)（Atomic Number)遞增的順序從左至右排列18個縱行（column）16族（Group），7個主族、7個副族、1個族、1個零族（Inert Gases）最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的順序從上而下排列。原子序數(shù)核電荷數(shù) 周期序數(shù)電子殼層數(shù)主族序數(shù)最 外 層 電 子 數(shù) 零族元素最外層電子數(shù)為8（氦為2） 價電子數(shù)（Valence electron）2原子間的鍵合 ( Bonding type with other atom)一、金屬鍵（Metallic bonding）典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價電子（valen

6、ce electron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Free electron），形成電子云（electron cloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵特點(diǎn)：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好二、離子鍵（Ionic bonding) 多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物 特點(diǎn)：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列，且無方向性，無飽和性 性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體 實(shí)質(zhì)： 金屬原子 帶正電的正離子（Cation） 非金屬原子 帶負(fù)電的負(fù)離子（anion） e NaCl離子鍵三、共價鍵（covalent

7、bonding） 亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和無機(jī)非金屬材料實(shí)質(zhì)：由二個或多個電負(fù)性差不大的原子間通過共用電子對而成 特點(diǎn)：飽和性 配位數(shù)較小 ，方向性（s電子除外）性質(zhì)：熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差四、范德華力（Van der waals bonding)包括：靜電力(electrostatic)、誘導(dǎo)力(induction)和色散力(dispersive force)屬物理鍵 ，系次價鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度改變材料性質(zhì) 五、氫鍵（Hydrogen bonding） 極性分子鍵 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位， 氫 原子中唯一的電子被其它原子所共有

8、（共價鍵結(jié)合），裸露原子核 將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引氫橋 介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性離子晶體共價晶體高分子晶體（線型高聚物）高分子晶體（體型高聚物）工程材料的鍵性工程上使用的材料，有的是單純一種鍵，但更多的是幾種鍵的結(jié)合。根據(jù)鍵性可以大致估計(jì)出材料的性能。 金屬材料 金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵，也有以共價鍵（如灰錫為共價鍵、白錫為金屬鍵）和離子鍵（如金屬間化合物Mg3Sb2、CuGe、MgSi2等）為主的。過渡族金屬及其合金也不是典型的金屬鍵，現(xiàn)代觀點(diǎn)認(rèn)為是不飽和共價鍵，因而結(jié)合力強(qiáng)、熔點(diǎn)高、彈性模量大，而導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如簡單金屬（如堿金屬）。鋼鐵等過渡族金屬及合金為重要結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)

9、。 無機(jī)非金屬材料（陶瓷材料） 形成穩(wěn)定無機(jī)晶體的主要作用力是正、負(fù)離子間的靜電引力（如 NaCl），以及原子間共有電子對形成的共價結(jié)合。陶瓷材料的結(jié)合鍵是離子鍵和共價鍵，多以離子鍵為主，所以陶瓷材料有高的熔點(diǎn)和很高的硬度，但脆性較大。有些陶瓷材料，它們由性質(zhì)相差不大的非金屬元素或類金屬元素構(gòu)成，如SiC和硅酸鹽，還有某些這類元素的單質(zhì)，如金剛石、單晶硅和砷等，這些材料完全或主要是共價鍵結(jié)合。共價鍵本身是很強(qiáng)的，但是以這種方式結(jié)合起來的材料，其延展性和導(dǎo)電性都很差。 高分子材料（高聚物） 只含有非金屬元素的材料可通過共有電子而形成大分子，成為工程上的高分子材料，這類材料是非金屬化合物。高分子材

10、料的結(jié)合鍵是共價鍵和分子鍵，即大分子鏈內(nèi)的原子鍵合（如碳與氫、碳與碳）是共價鍵，而大分子鏈與鏈之間是弱的分子鍵。由于高分子材料的分子量很大，所以大分子間的作用力也達(dá)到相當(dāng)大程度，因而也具有一定的力學(xué)特性。 顯然，復(fù)合材料一般更是多種結(jié)合鍵的組合。材料的導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性金屬鍵形成之后，一般金屬具有外層未填滿的能帶，價電子是自由的，可以導(dǎo)電；而非金屬則具有較內(nèi)層的滿帶和外層的空帶，故為絕緣體（又稱為介電體）；如果以上能帶之間的間隔（稱能隙）較?。sleV，而絕緣體則約為6eV），因而在不很高的溫度下，滿帶中的部分電子受熱運(yùn)動的 影響，能夠被熱激發(fā)而越過禁帶，進(jìn)入到上面的空帶成為自由電子，從而產(chǎn)生導(dǎo)

11、 電能力，便是半導(dǎo)體。材料在一定溫度以下，其電阻為零和排斥磁力線（即完全抗磁性）的現(xiàn)象稱為材料的超導(dǎo)電現(xiàn)象。在一定溫度下具有零電阻、超導(dǎo)電現(xiàn)象的材料，稱為超導(dǎo)體。3高分子鏈（High polymer Chain)近程結(jié)構(gòu)（short-range Structure)一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成（the Chemistry of mer unito)1.碳鏈高分子 聚乙烯主鏈以C原子間共價鍵相聯(lián)結(jié) 加聚反應(yīng)制得如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯雜鏈高分子 滌綸主鏈除C原子外還有其它原子如O、N 、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯

12、醚、聚酚等3.元素有機(jī)高分子 硅橡膠 主鏈中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素與O組成，其側(cè)鏈則有機(jī)基團(tuán)，故兼有無機(jī)高分子和有機(jī)高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠4.無機(jī)高分子 二硫化硅 聚二氯氮化磷主鏈既不含C原子，也不含有機(jī)基團(tuán)，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解二、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式（bonding tape）1.均聚物結(jié)構(gòu)單元鍵接順序 單烯類單體中 除乙烯分子是完全對稱的，其結(jié)構(gòu)單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）

13、：頭頭尾尾頭尾雙烯類高聚物中，則更復(fù)雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同 2.共聚物的序列結(jié)構(gòu)（Copolymers） 按結(jié)構(gòu)單元在分子鏈內(nèi)排列方式的不同分為三、高分子鏈的結(jié)構(gòu)（structure）不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化便不能改變形狀熱固性（thermosetting） 四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecular configurations）鏈的構(gòu)型系指分子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過化學(xué)鍵斷裂才行旋光異構(gòu)體（stereoisomerism）由烯烴單體合成的高聚物 在其結(jié)構(gòu)單元中有一不對稱C原子，故存在兩種旋光異構(gòu)單元 ，有三種排列方式幾何異構(gòu)（Geome

14、trical isomerism） 雙烯類單體定向聚合時，可得到有規(guī)立構(gòu)聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵不能旋轉(zhuǎn)，從而每一雙就可能有 順式 反式 兩種異構(gòu)體之分，對于大分子鏈而言就有稱為幾何異構(gòu)二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（Long-range Structure)一、高分子的大小（Molecular Size）高分子的相對分子質(zhì)量M不是均一的，具有多分散性平均相對分子質(zhì)量高分子鏈中重復(fù)單元數(shù)目稱為聚合度不僅影響高分子溶液和熔體的流變性質(zhì)，對加工和使用也有很大影響 。數(shù)均相對分子量每鏈節(jié)的質(zhì)量對力學(xué)性能起決定作用，二、高分子的形狀（Molecular shape）主鏈以共價鍵聯(lián)結(jié)，有一定

15、鍵長 d和鍵角，每個單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)（Chain twisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1( m為每個單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目)統(tǒng)計(jì)學(xué)角度高分子鏈取 伸直（straight）構(gòu)象幾率極小，呈卷曲（zigzag）構(gòu)象幾率極大高分子鏈的總鏈長 均方根三、影響高分子鏈柔性的主要因素（the main influencing factors on the molecular flexibility）高分子鏈能改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱為柔性（Flexibility） 人類認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)的簡單歷史關(guān)于世界本原的看法，早在古希臘有多種。泰勒斯認(rèn)為是水，畢達(dá)哥拉斯派認(rèn)為是數(shù)，赫拉克利特認(rèn)為是火，巴門尼

16、德認(rèn)為是無限的一和中國的道家看法類似，恩培多克勒認(rèn)為是土、氣、火、水四種元素和中國的陰陽五行說類似，原子論者認(rèn)為是原子?，F(xiàn)代自然科學(xué)證明，原子論的觀點(diǎn)最為科學(xué)。 John Dalton約翰道爾頓 公元1766公元1844 1787年，道爾頓 原子 一切物質(zhì)都是由不可見的、不可再分割的原子組成。英國物理學(xué)家。世界著名的卡文迪什研究所所長。1891年用法拉第管開始了原子核結(jié)構(gòu)的理論研究。他研究了陰極射線在磁場和電場中的偏轉(zhuǎn)，作了比值e/m（電子的電荷與質(zhì)量之比）的測定，結(jié)果他從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了電子的存在。他把電子看成原子的組成部分，用原子內(nèi)電子的數(shù)目和分布來解釋元素的化學(xué)性質(zhì)。提出了原子模型，把原子看

17、成是一個帶正電的球，電子在球內(nèi)運(yùn)動。他還進(jìn)一步研究了原子的內(nèi)部構(gòu)造和陽極射線。1912年與阿斯頓共同進(jìn)行陽極射線的質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)了氖的同位素。1906年他因在氣體導(dǎo)電研究方面的成就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。 1940年8月30日湯姆生在劍橋逝世 分子學(xué)說的創(chuàng)立者阿佛加德羅 1811年，阿佛加德羅 分子 原子不能獨(dú)立存在，相互結(jié)合在一起形成分子才能獨(dú)立存在?；瘜W(xué)家阿佛加德羅（Avogadro，A.1776-1856 ）是意大利都靈市人，出生于一位著名的律師家庭。歲時取得了法學(xué)士學(xué)位，歲時獲得法學(xué)博士學(xué)位，并當(dāng)了幾年的律師。他厭倦律師工作，從歲起他開始對數(shù)學(xué)、物理學(xué)發(fā)生了濃厚的興趣。阿佛加德羅學(xué)習(xí)認(rèn)真

18、，工作負(fù)責(zé)。盡管他懂法文、英文和德文，可是他的科學(xué)理論除意大利外，外國很少有人知道。年都靈科學(xué)院推選他當(dāng)通訊院士，年才正式選為科學(xué)院院士。年被聘為都靈大學(xué)數(shù)學(xué)、物理學(xué)教授，一直在這里教學(xué)和科研多年。他一生發(fā)表了多篇論文，內(nèi)容十分豐富，還有最重要的著作可度量物體物理學(xué)共大卷。阿佛加德羅生前沒有獲得任何榮譽(yù)稱號。死后才贏得人們的崇敬。年為紀(jì)念阿佛加德羅定律提出周年，意大利在都靈建立了阿佛加德羅紀(jì)念像，出版了他的選集，頒發(fā)了紀(jì)念章。 十九世紀(jì)中期 原子分子論 原子不可再分。在1860年以前的近半個世紀(jì)里，由于不承認(rèn)分子是單質(zhì)或化合物在游離狀態(tài)下獨(dú)立存在的最小質(zhì)點(diǎn)，不承認(rèn)分子是由原子組成的這一正確假說

19、，世界各國化學(xué)家們對原子和分子的認(rèn)識就很混亂。每個化學(xué)家各有各的一套元素符號和化學(xué)式的寫法，以至于在著名化學(xué)家凱庫勒編寫的教科中，醋酸的化學(xué)式競達(dá)19個之多。為了結(jié)束這一混亂局面，統(tǒng)一大家對元素符號、原子量、化合價、化學(xué)式的認(rèn)識，凱庫勒等人發(fā)起召開一次國際化學(xué)家大會。會議于1860年9月3日至5日在德國的卡爾斯魯厄舉行、主要來自歐洲各國的140名化學(xué)家出席了會議。會下散發(fā)了一本名叫化學(xué)哲學(xué)教程提要的小冊子，化學(xué)家們終于明白承認(rèn)阿佛加德羅的分子假說是扭轉(zhuǎn)這一混亂局面的唯一鑰匙。這本小冊子的作者就是意大利化學(xué)家康尼查羅。 為確立原子分子論立功的康尼查羅Stanislao Cannizzaro 18

20、26一1910康尼查羅在熱那亞講授理論化學(xué)時，發(fā)現(xiàn)了由于不承認(rèn)阿佛加德羅分子假說所造成的混亂。面對這一困境，他首先研究了道爾頓的原子論、阿佛加德羅的分子假說及其實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過這一歷史的考察，他認(rèn)識到爭論的癥緒。 康尼查羅的合理闡述，把原子論和分子假說整理成一個協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，原子一分子論因此才為廣大化學(xué)家們接受。原子一分子論的確立，直接導(dǎo)致化學(xué)元素周期律的發(fā)現(xiàn)和有機(jī)化學(xué)系統(tǒng)的建立?？的岵榱_對化學(xué)發(fā)展的巨大貢獻(xiàn)，使他在全世界享有很高的聲望。 1895年，物理學(xué)家倫琴在探索陰極射線本性的研究中，意外發(fā)現(xiàn)了X光。X光的發(fā)現(xiàn)，不僅揭開了物理學(xué)革命的序幕，也給醫(yī)療保健事業(yè)帶來了新的希望。倫琴因此成為第一個諾

21、貝爾物理學(xué)獎得主。在對X光的研究中，物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)只要有鈾元素存在，就有貫穿輻射產(chǎn)生，由此證明，發(fā)射這種射線是鈾原子自身的作用。放射性的發(fā)現(xiàn)，引起人們對原子核內(nèi)部的研究的深入。學(xué)入原子內(nèi)部和分裂原子從此，成為世紀(jì)之交時期科學(xué)領(lǐng)域中最振奮人心的口號。1903年，貝克勒爾與皮埃居里和居里夫人因發(fā)現(xiàn)放射線榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。X光、天然放射性和陰極射線的發(fā)現(xiàn)，預(yù)示了科學(xué)會發(fā)生巨大的變革，它把人類帶入到一個科學(xué)的新天地 安東尼亨利貝克勒爾（Antoine Henri Becquerel ，18521908年），法國物理學(xué)家。因發(fā)現(xiàn)天然放射性，與皮埃爾居里（Pierre Curie 18591906

22、年）和瑪麗居里（Marie Curie 18671934年）夫婦因在放射學(xué)方面的深入研究和杰出貢獻(xiàn)，共同獲得了1903年度諾貝爾物理學(xué)獎。1897年，湯姆遜 發(fā)現(xiàn)電子 提出原子結(jié)構(gòu)模型 原子是由帶正電的連續(xù)體和在其內(nèi)部運(yùn)動的負(fù)電子構(gòu)成的。葡萄干面包模型土星型模型太陽系模型電子殼層模型電子云模型1911年， 盧瑟福 散射 1）原子內(nèi)絕大部分空間是空的； 2）原子內(nèi)帶正電的連續(xù)體實(shí)際上是一個很小的核； 3）原子內(nèi)帶負(fù)電的電子受核吸引繞核旋轉(zhuǎn)。1909至1911年，英國物理學(xué)家盧瑟福（18711937）和他的合作者們做了用。粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn) 。1913年，玻爾原子模型1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾在

23、盧瑟福所提出的核模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合原子光譜的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，應(yīng)用普朗克于1900年提出的量子假說，和愛因斯坦于1905年提出的光子假說，提出了原子所具有的能量形成不連續(xù)的能級，當(dāng)能級發(fā)生躍遷時，原子就發(fā)射出一定頻率的光的假說。為以后各種物理量的量子化打開了大門，提出了新的原子結(jié)構(gòu)原子殼層模型理論。 玻爾因此而獲1922年諾貝爾物理學(xué)獎。玻爾的假設(shè)能夠說明氫原子光譜等某些原子現(xiàn)象，初次成功地建立了一種氫原子結(jié)構(gòu)理論。建立玻爾理論是原子結(jié)構(gòu)和原子光譜理論的一個重大進(jìn)展，但對原子問題作進(jìn)一步的研究時，卻顯示出這種理論的缺點(diǎn)，因此只能把它視為很粗略的近似理論。 1924年，德布羅意提出微觀粒子具有波粒二象性

24、的假設(shè)，以后的觀察證明，微觀粒子具有波的性質(zhì)。德布羅意 (Louis Victor de Broglie, 1892-1987)法國著名理論物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，波動力學(xué)的創(chuàng)始人，物質(zhì)波理論的創(chuàng)立者，量子力學(xué)的奠基人之一。 1926年薛定諤在此基礎(chǔ)上建立了波動力學(xué)。薛定諤（18871961） 奧地利物理學(xué)家。波動力學(xué)的創(chuàng)始人 。1887年8月12日生于維也納 ，1961 年1 月4日卒于奧地利的阿爾卑巴赫山村。 1926年薛定諤提出用波動方程描述微觀粒子運(yùn)動狀態(tài)的理論，后稱薛定諤方程，奠定了波動力學(xué)的基礎(chǔ)，因而與P.A.M.狄拉克共獲1933 年諾貝爾物理學(xué)獎 。 同時，其他學(xué)者，如海森伯、玻恩、狄拉克等人，從另外途徑建立了等效的理論，這種理論就是現(xiàn)在所說的量子力學(xué)，它能很好地解釋原子現(xiàn)象。海森伯（19011976）Heisenberg，Werner Karl德國物理學(xué)家。1901年12月5日生于維爾茲堡，1976年2月1日卒于慕尼黑。1923年在慕尼黑大學(xué)A.索末菲的指導(dǎo)下獲博士學(xué)位，同年赴格丁根隨N.玻爾研究3年。1927