材料科学基础原子结构

1.1复习笔记一、原子结构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。

（1）分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒；（2）原子具有复杂的结构，其结构直接影响原子间的结合方式。

2．原子的结构（1）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；（2）原子核内的中子呈电中性，质子带有正电荷；（3）一个质子的正电荷量正好与一个电子的负电荷量相等，它等于－e（e＝1.6022×10－19C）。

3．原子的电子结构电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。

从薛定谔（SchrodingerE．）方程得到的波函数描述了电子的运动状态和在核外空间某处的出现几率，即原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：（1）主量子数n——决定原子中电子能量以及与核的平均距离；图1-1钠（原子序数为11）原子结构中K，L和M量子壳层的电子分布状况（2）轨道角动量量子数l i——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，取值为0，1，2，…，n－1。

在同一量子壳层里，亚层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的；（3）磁量子数m i——给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。

每个l i下的磁量子数的总数为2l i＋1。

磁量子数决定了电子云的空间取向。

（4）自旋角动量量子数s i——反映电子不同的自旋方向。

s i规定为＋1/2和－1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，通常用“↑”和“↓”表示。

在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：①能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低；②泡利（Pauli）不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子；③洪德（Hund）定则：在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。

合金的相结构一.基本概念Ø合金：以一种金属元素为基础，加入另一种或几种金属（非金属）元素组成的具有金属特性的物质。

Ø组元：组成合金的基本单元。

合金中的组元可以是金属元素和非金属元素，也可以是稳定化合物。

两个组元组成的合金称为二元合金，三个组元组成的合金称为三元合金。

合金的名称按其最主要的组元的名称命名，如铜合金、铝合金等。

也可以按主要合金元素的名称命名，如铁–碳合金、铜–锌合金等。

Ø相：合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开的、均匀的组成部分。

单相合金两相合金Ø显微组织：在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。

显微组织示意图固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类二.固溶体合金结晶时若组元相互溶解所形成固相的晶体结构与组成合金的某一组元相同，则这类固相称为固溶体。

固溶体中含量较多的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质，固溶体的晶格类型与溶剂组元的晶格类型相同。

按溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同间隙固溶体置换固溶体按溶质原子与溶剂原子的相对分布无序固溶体有序固溶体按固溶度无限固溶体有限固溶体1.置换固溶体金属元素之间一般都能形成置换固溶体，但固溶度往往相差很大。

如：Cu与Ni无限互溶，Zn在Cu中最大溶解度为39%，Pb几乎不溶解于铜。

原因：受元素间原子尺寸、化学亲和力、晶体结构类型等影响。

溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。

2.间隙固溶体特点：a.会引起点阵畸变；b.溶解度与原子大小和溶剂的晶格类型有关；c.间隙固溶体只能是有限固溶体。

当溶质与溶剂的原子半径之比小于0.59时，可能形成间隙固溶体(溶质元素均是原子半径小于0.1nm的非金属元素，溶剂元素则都是过渡族元素）溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。

如：溶质元素有C、N、O、H、B 等非金属小半径原子。

(1) 保持着溶剂的晶格类型；(3) 偏聚与（短程）有序(4) 有序固溶体（长程有序化）当固溶体发生偏聚或有序化时，强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。

838材料科学基础《材料科学基础》考试大纲一、考试的基本要求《材料科学基础》是材料学科的专业基础课，着重研究材料的成分、加工方法与材料的组织、性能之间的关系以及其变化规律，是发挥材料潜力、充分利用现有材料和研究开发新材料的理论基础，是考生学习后续相关材料课程和今后从事材料专业的工作基础课程。

要求考生比较系统地掌握材料科学的基本概念、基础理论及其应用。

系统地理解材料与成分、组织结构与性能内在联系，具备综合运用知识分析和解决工程实际问题的能力。

二、考试内容第1部分材料的原子结构和键合原子结构与原子的电子结构；原子结构：原子是由质子和中子以及原子核外的电子组成的原子核。

原子核中的中子是电中性的，质子带正电荷。

通过静电吸引，带负电荷的电子牢牢地束缚在原子核周围。

因为中性原子中电子和质子的数量相等，所以原子作为一个整体是电中性的。

原子的电子结构：电子在原子核外的空间进行高速旋转遥控。

电子在原子中的空间位置和能量可以由四个量子数决定，A.主量子数n；b、轨道角动量量子数L；c、磁量子数；d、自选角动量量子数原子结构、原子排列对材料性能的影响材料中键的类型和本质，以及每种键对材料性能的影响。

金属键：金属中的自由电子与金属正离子相互作用形成的键。

大多数金属以金属键的形式结合在一起。

它的基本特征是电子共享；当金属受力变形并改变原子间的相互位置时，不会破坏金属键，使金属具有良好的延展性。

此外，由于自由电子的存在，金属通常具有良好的导电性和导热性。

离子键：本质上，金属原子将其最外层的价电子给予非金属原子，使其自身带正电荷的正离子，而非金属原子获得价电子，使其自身带负电荷的负离子。

这样，正离子和负离子通过它们之间的静电结合。

特点：以离子为结合单元；一般离子晶体中正负离子静电引力强，结合牢固。

因此，其熔点和硬度相对较高。

难以产生自由遥控的电子是良好的绝缘材料，但在高温熔融状态下，正负离子在外电场的作用下可以自由移动。

此时，它们表现出离子导电性。

考研必备之《材料科学基础》学霸笔记材料科学基础笔记第⼀章原⼦结构与键合概述：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以及原⼦集合体的形貌特征等。

为此，我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的⽭盾性找出改善和发展材料的途径。

第⼀节原⼦结构1 物质的组成物质是由⽆数微粒按⼀定⽅式聚集⽽成的，这些微粒可能是原⼦、分⼦或离⼦；分⼦是能单独存在且保持物质化学特性的⼀种微粒；原⼦是化学变化中的最⼩微粒。

2 原⼦的结构（原⼦结构直接影响原⼦间的结合⽅式）3 原⼦的电⼦结构3.1电⼦既有粒⼦性⼜具有波动性，具有波粒⼆象性。

3.2电⼦的状态和在某处出现的机率可⽤薛定谔⽅程的解/波函数来描述，即原⼦中每个电⼦的空间位置和能量可⽤四个量⼦数来确定：a主量⼦数（n）：决定原⼦中电⼦的能量及与核的平均距离（⼀般能量低的趋向近轨道,r较⼩，反之则反），即表⽰电⼦所处的量⼦壳层。

如K、L、M…，n=1,2,3；b 轨道⾓动量量⼦数（l）：表⽰电⼦在同⼀壳层内所处的能级，与电⼦运动的⾓动量有关。

如s、p、d、f…（0，1，2，…n-1）；c 磁量⼦数（m）：给出每个轨道⾓动量量⼦数的能级数或轨道数，为2l+1,决定电⼦云的空间取向；d ⾃旋⾓动量量⼦数（s）：反映电⼦不同的⾃旋⽅向，其值可取*只有n,l决定能量和能级3.3能级和能级图把电⼦不同状态对应着相同能量的现象称为简并。

将所有元素的各种电⼦态（n，l）按能量⽔平排列成能级图。

3.4核外电⼦的排布规则a 能量最低原理：电⼦的排布总是尽可能使体系的能量最低；b Pauling不相容原理：在⼀个原⼦中，不可能有上述运动状态完全相同的两个电⼦，即不能有上述四个量⼦数都相同的两个电⼦；c 洪德Hund规则：在同⼀个亚层中的各个能级中，电⼦的排布尽可能分占不同的能级，⽽且⾃旋⽅向相同（尽可能保持⾃旋不成对）；3.5 元素周期表元素是具有相同核电荷数的同⼀类原⼦的总称；元素的外层电⼦结构随着原⼦序数的递增⽽呈周期性的变化规律称为元素周期律；元素周期表是元素周期律的表现形式；元素的性质、原⼦结构和该元素在周期表中的位置三者之间有着密切的关系。

胡赓祥《材料科学基础》第3版章节题库第1章原子结构与键合一、简答题1．何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答：在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然而它们的化学性质相同，这种物质称为同位素。

由于各同位素所含的中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素，总的相对原子质量不总为正整数。

2．S的化学行为有时像2价的元素，而有时却像4价元素。

试解释S这种行为的原因。

答：S的最外层电子为3s23p4。

S与H结合成H2S时，接受2个电子，故为2价；S 与O结合成SO2时，此时S供给4个电子，故为4价。

3．尽管HF的相对分子质量较低，试解释：为什么HF的沸腾温度（19.4℃）要比HCl的沸腾温度（－85℃）高？答：由于HF分子间结合力是氢键，而HCl分子间结合力是范德瓦耳斯力，氢键的键能高于范德瓦耳斯力的键能，因此HF的沸点要比HCl的高。

4．高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类，试从高分子链结构角度加以解释。

答：热塑性：具有线型和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工再成形；热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦定型后不能再改变形状，无法再生。

5．已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性的强弱。

答：1s22s22p63s23p63d104s24p2；第四周期；IVA族；亚金属Ge。

其处于周期表中金属区与非金属区的交界线上，金属性较弱。

6．图1-1中绘出3类材料——金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离的关系曲线，试指出它们各代表何种材料。

图1-1答：a：高分子材料；b：金属材料；c：离子晶体。

7．分别绘出甲烷（CH4）和乙烯（C2H4）的原子排列与键合。

答：见图1-2。

图1-2（a）CH 4分子呈四面体结构，每个C 有4个共价键，每个H 有1个共价键，分子间靠范德瓦耳斯力维系。

北京科技大学材料科学与工程专业814 材料科学基础主讲人：薛老师第一章 原子结构与键合典型例题讲解1.金属键（01,04年）答：解题思路：是什么？为什么？怎么样？（1）由金属中自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为为金属键。

其强弱和自由电子的多少、离子半径以及电子层结构等许多因素有关；（2）既无饱和性又无方向性，因而原子趋于与更多原子结合，形成低能量的密堆结构；（3）金属键在金属受外力时不易被破坏，因而使得金属具有良好的延展性；（4）公有化电子，且由于存在自由电子，因此金属导电、导热性良好；（5）密堆结构且相对原子质量大，因此金属密度较大。

2 离子键答：（1）金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样，正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起，这种结合力就是离子键。

（2）无饱和性、无方向性；（3）正负离子相间排列（4）大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键方式结合。

（5）离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固，因而导致离子晶体熔点和硬度较高；（6）离子晶体中很难产生自由电子，因此导热、导电性差3 结合键有哪几种？分别有什么特点？答：是由原子结合成分子或固体的方式以及结合力的大小。

结合键主要分为化学键和物理键两类。

（1）金属键。

特点：金属自由电子与正离子相互吸引；键能较强；无饱和性与方向性；导电导热性能好，熔点较高。

（2）离子键。

特点：正负离子相互吸引而成；键能很强；无饱和性与方向性；导电导热性能差，熔点、硬度很高。

（3）共价键。

特点：相邻原子的共用电子对结合而成；键能强，有饱和性和方向性；导电导热性差，熔点、硬度较高。

（4）范德瓦尔斯力。

特点：近邻原子间瞬时的电偶极矩作用；键能较弱，大小与相对分子质量有关；无饱和性和方向性；（5）氢键。

特点：氢原子核与相邻分子的引力作用；键能弱；有方向性和饱和性、是一种介于化学键和范德瓦尔斯力之间的键。

固体结构(一) 原子结构与键合原子结构(元素的核外电子分布)原子间的键合☆金属键：掌握金属的电子结构特征，金属键的特征，懂得用上述内容解释金属的特有的性能⊙金属键（Metallic bonding）(一次键)典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云（electron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构性质：良好导电、导热性能，延展性好☆离子键：键合特点和离子晶体的特点⊙离子键（Ionic bonding)(一次键)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，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体(熔融状态可导电)☆共价键：键合特点和共价晶体的特点⊙共价键（covalent bonding）(一次键)亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成特点：饱和性配位数较小，方向性（s电子除外）性质：熔点高、质硬脆、导电能力差(二) 固体结构☆晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序懂得下列名词的含义：☆空间点阵：这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。

☆阵点：为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。

☆晶胞：具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。

将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。

☆简单晶胞：晶胞中的阵点数为一。

☆复合晶胞：晶胞中的阵点数大于一。

晶体结构与空间点阵的关系：1.同一空间点阵可因选取晶胞的方式不同而得出不同的晶胞；2.○1空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14中类型；○2晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。

《材料科学基础》教学大纲四年制本科材料科学与工程专业用80 学时 4 学分一、课程性质和任务《材料科学基础》是材料科学方法与工程专业一级学科公共主干课，是介于一般基础课与专业课之间的专业基础课。

本课程将系统全面介绍材料科学的基础理论知识，诸如固体材料的结合键，材料的结构与性能，材料中的扩散，材料的相变，材料的塑性变形与强化，以及材料科学研究方法等，将金属材料、无机非金属材料、聚合物材料紧密地结合在一起，使学生更好地把握材料的属性，熟悉材料的共性，为后继课程的学习、进一步深造和从事科技工作奠定基础。

二、课程学习的目标和基本要求：1．对能力培养的要求通过学习，要求学生掌握材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，深入理解材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系，培养学生应用所学的知识，分析、解决材料研究、开发和使用中实际问题的能力。

初步掌握材料科学研究的思路和方法，为后续课程的学习和进一步深造奠定理论基础。

2 ．课程的重点和难点本课程重点是料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，如材料结构与缺陷，材料凝固与相图，塑性变形与强韧化等，并能应用所学的理论分析和解决实际问题。

难点是材料结构，位错理论，合金凝固，二元相图，三元相图，材料强韧化，晶体塑性变形等，3 ．先修课程及基本要求无机化学、物理化学、材料力学三、课程内容及学时分配•教学基本内容第一章材料的结构（ 22 学时）1.1 晶体学基础1.2 常见的晶体结构1.3 固溶体的晶体结构1.4 金属间化合物的晶体结构1.5 硅酸盐结构1.6 非晶态固体结构1.7固体的电子能带结构理论1.8 团簇与纳米材料结构1.9 准晶结构本章重点：•结晶学基础知识 (晶体的概念与性质、晶体宏观对称要素、晶体定向、•单位平行六面体的划分、配位数与配位多面体的概念、鲍林规则 )。

•常见材料的结构理论与模型（常见无机化合物的晶体结构、硅酸盐晶体结构分类及特征、固溶体晶体结构类型及影响因素、缺陷化学反应表示法、金属间化合物的结构类型及影响因素，玻璃的结构）。