下载文档原格式
第1章 原子结构与键合一、简答题1．固体材料中，内层电子状态通常用哪些量子数描述？外层电子状态通常使用的量子数有哪些？答：固体材料中内层电子状态通常用主量子数n、角（动量）量子数l、磁量子数m 和自旋量子数m s来描述。
固体材料中外层电子状态通常用电子波矢（k x，k y，k z）和自旋量子数m s来描述。
2．原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定？答：主量子数n、轨道角动量量子数l i、磁量子数m i和自旋角动量量子数s i。
3．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？答：能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。
4．在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？它的性质如何递变？答：同一周期元素具有相同原子核外电子层数，但从左→右，核电荷依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强；同一主族元素最外层电子数相同，但从上→下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增加，非金属性降低。
5．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6．原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？答：7．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。
8．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HCI的沸腾温度（－85℃）高？答：由于HF分子间结合力是氢键，而HCI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HCI的高。
第10章 材料的功能特性一、简答题1．提高钢材耐蚀性的主要方法有哪些？为什么说Cr 是不锈钢中最重要的合金元素？答：（1）提高钢材耐蚀性的主要方法有：在表面形成致密氧化膜、提高基体电极电位、形成单相组织。
（2）Cr 可形成表面致密氧化膜Cr 2O 3，可提高电极电位，可形成单相铁素体。
2．对能带理论与量子自由电子理论所给出的固体材料中外层电子状态特点进行比较，指出其异同点。
答：（1）相同点。
外层电子的波矢都是量子化的，具有相同的允许取值条件：123n ,n ,n 1232π2π2π,,k n n n LL L ⎛⎫= ⎪⎝⎭因此能量也都是量子化的。
（2）不同点。
量子自由电子理论给出的电子能级，对于宏观材料时准连续的能级，能量与波矢之间的关系为。
而根据能带理论，电子的能级之间可能产生相对于电222k mηε=子的相邻能级间隔来说很宽的禁带（发生于相邻的布里渊区边界上），而电子能级的能量与电子波矢之间的关系通常都偏离抛物线关系。
二、计算题1．面心立方结构的金属Cu （按正一价计算）的晶格常数为0.361nm ，依据量子自由电子理论计算其自由电子的费米能、费米波矢，给出0K 下自由电子的平均动能以及所对应的运动速度大小。
解：自由电子的体积密度为：283v 93418.510m (0.36110)e N --⨯==⨯⨯费米能：234222/32282/318F v 31(1.0510)(3π)(3π8.510) 1.1210J 7.02eV 229.110e N m ηε---⨯=⋅=⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯费米波矢：1/231181/2101F F 2342(29.110 1.1210) 1.3610m 1.0510m k εη----⎛⎫⨯⨯⨯⨯===⨯ ⎪⨯⎝⎭0K 下，自由电子的平均动能为费米能的3/5，故为4.2eV ；相对应的运动速度为：1/26F 2 1.5710m/s v m ε⎛⎫===⨯ ⎪⎝⎭2．8mol% 222材料，请写出两种可能发生的固溶反应式及相应的固溶体化学式。
第4章 固体中原子及分子的运动一、选择题1．由纯A 和A-B 固溶体形成的互扩散偶（柯肯达尔效应），以下表述正确的是（ ）。
[上海交通大学2005研]A ．俣野面两侧的扩散原子其化学势相等：，A A A AB μμ-=B B A A Bμμ-=B ．该扩散为上坡扩散C ．空位迁移方向与标记面漂移方向一致【答案】C2．有一级稀的fcc 结构的间隙固溶体，设a 0为晶格常数，为间隙原子延扩散方向ν的振动频率，为从平衡位置到势垒顶点的自由能改变量，则扩散系数可与表示为（rn G ∆）。
[浙江大学2007研]A ．2rn 0exp G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭B ．2rn 01exp 6G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭C ．2rn 02exp GD a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭【答案】A3．下列有关固体中扩散的说法中，正确的是（ ）。
[东南大学2006研]A ．原子扩散的驱动力是存在着浓度梯度B ．空位扩散是指间隙固溶体中的溶质原子从一个间隙跳到另一个间隙C ．晶界上点阵畸变较大，因而原子迁移阻力较大，所以比晶内的扩散系数要小D ．成分均匀的材料中也存在着扩散【答案】D4．912℃下的晶胞体积为0.02464nm ，而转变为晶胞晶体为Fe α-Fe γ-0.0486nm ，在该温度单位质量转变为时，其体积（ ）。
[哈尔滨工业大学Fe γ-Fe α-2007研]A ．膨胀B ．收缩C ．不变D ．不能确定【答案】A二、填空题1．扩散系数与温度的关系式是_________。
在高温阶段和低温阶段，扩散系数较大的是_________。
[天津大学2010研]【答案】；低温阶段0exp(/)D D Q RT =-2．线性高分子可反复使用，称为________塑料；交联高分子不能反复使用，称为________塑料。
[北京工业大学2009研]【答案】热塑性；热固性3．从F -R 源模型考虑，金属沉淀强化后的屈服强度与沉淀相粒子平均间距L 的关s σ系为_______。
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。
第4章 固体中原子及分子的运动一、选择题1．影响扩散速率的最主要因素是（ ）。
A ．固溶体类型B ．晶体结构C ．温度【答案】C2．菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随（ ）变化。
A ．距离B ．时间C ．温度【答案】B二、判断题扩散的驱动力是浓度梯度，所有扩散系统中，物质都是由高浓度处向低浓度处扩散。
【答案】×【解析】扩散的驱动力是化学势梯度，扩散也可以从低浓度向高浓度进行。
三、简答题1．试分析高分子的分子链柔顺性和分子量对黏流温度的影响。
答：由链段与能垒（势垒）差的关系可知：分子链柔顺性越好，链内旋转的势垒（△ε）越低，流动单元链段也越短。
按照高分子流动的分段移动机理，此时柔性分子链流动所需要的自由体积空间小，因而在比较低的温度下就可能发生黏性流动。
当相对分子质量越小时，分子链之间的内摩擦阻力越小，分子链的相对运动更容易些，因而黏流温度就降低。
2．已知聚乙烯的玻璃化转变温度T g ＝－68℃，聚甲醛的T g ＝－83℃，聚二甲基硅氧烷的T g ＝－128℃，试分析高分子链的柔顺性与它们的T g 的一般规律。
答聚乙烯的重复单元结构为：—CH2—CH 2—；聚甲醛的重复单位结构为：—CH 3—O—，聚二甲基硅氧烷的重复单元结构为：因Si—O 键的内旋转C—O 比键容易，而C—O 键的内旋转又比C—C 键容易，内旋转越容易，分子链柔顺性越好。
由此可知随着柔顺性的提高，温度T g 就降低。
3．50%结晶高分子的模量与随温度的变化，如图4-1所示。
（1）在图中粗略画出不同模量范围内的玻璃态、皮革态、橡胶态和黏流态的位置，并说明原因。
（2）在该图上粗略画出完全非晶态和完全晶态的模量曲线，并说明原因。
图4-1答：（1）不同模量对应高分子不同的状态，如图4-2（a）所示：在低温端，50%的非晶区，链段不能开动，表现为刚性，模量高；随着温度的提高，链段可运动，随之模量下降，高分子显示出晶区的强硬和非晶区的部分柔顺的综合效应，即又硬又韧的皮革态；当非晶区随温度进一步提高而链段可动性更大时，柔顺性更好，显示高弹性（即橡胶态）。
第4章固体中原子及分子的运动一、选择题1．由纯A 和A-B 固溶体形成的互扩散偶（柯肯达尔效应），以下表述正确的是（）。
[上海交通大学2005研]A．俣野面两侧的扩散原子其化学势相等：A A A A B μμ-=，B B A A B μμ-=B．该扩散为上坡扩散C．空位迁移方向与标记面漂移方向一致【答案】C2．有一级稀的fcc 结构的间隙固溶体，设a 0为晶格常数，ν为间隙原子延扩散方向的振动频率，rn G ∆为从平衡位置到势垒顶点的自由能改变量，则扩散系数可与表示为（）。
[浙江大学2007研]A．2rn 0exp G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭B．2rn 01exp 6G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭C．2rn 02exp G D a RT ν∆⎛⎫=- ⎪⎝⎭【答案】A3．下列有关固体中扩散的说法中，正确的是（）。
[东南大学2006研]A．原子扩散的驱动力是存在着浓度梯度B．空位扩散是指间隙固溶体中的溶质原子从一个间隙跳到另一个间隙C．晶界上点阵畸变较大，因而原子迁移阻力较大，所以比晶内的扩散系数要小D．成分均匀的材料中也存在着扩散【答案】D4．912℃下Fe α-的晶胞体积为0.02464nm，而转变为Fe γ-晶胞晶体为0.0486nm，在该温度单位质量Fe γ-转变为Fe α-时，其体积（）。
[哈尔滨工业大学2007研]A．膨胀B．收缩C．不变D．不能确定【答案】A二、填空题1．扩散系数与温度的关系式是_________。
在高温阶段和低温阶段，扩散系数较大的是_________。
[天津大学2010研]【答案】0exp(/)D D Q RT =-；低温阶段2．线性高分子可反复使用，称为________塑料；交联高分子不能反复使用，称为________塑料。
[北京工业大学2009研]【答案】热塑性；热固性3．从F -R 源模型考虑，金属沉淀强化后的屈服强度s σ与沉淀相粒子平均间距L 的关系为_______。
4.1复习笔记一、表象理论1．菲克第一定律扩散中原子的通量与质量浓度梯度成正比，即该方程称为菲克第一定律或扩散第一定律，描述了一种稳态扩散，即质量浓度不随时间而变化。
根据扩散通量的定义，可得：由菲克第一定律可得：由此解得：2．菲克第二定律大多数扩散是非稳态扩散过程，某一点的浓度是随时间而变化的，这类过程可以由第二定律来描述，其表达式：如果假定扩散系数D与浓度无关，则上式可简化为：菲克第二定律三维表达式为：（1）化学扩散：扩散是由于浓度梯度所引起的，这样的扩散称为化学扩散；（2）自扩散：不依赖浓度梯度，而仅由热振动而产生的扩散称为自扩散，由Di表示。
3．扩散方程的解（1）两端成分不受扩散影响的扩散偶初始条件：边界条件：图4-1扩散偶的成分-距离曲线若焊接面右侧棒的原始质量浓度ρ为零，则：而界面上的浓度等于ρ2/2。
（2）一端成分不受扩散影响的扩散体初始条件：边界条件：假定渗碳一开始，渗碳源一端表面就达到渗碳气氛的碳质量浓度ρ，可得：如果渗碳零件为纯铁（ρ0＝0），可得：（3）衰减薄膜源初始扩散物质的浓度分布为：菲克第二定律对衰减薄膜源的解可用高斯解的方式给出：式中，k是待定常数。
假定扩散物质的单位面积质量为M，则薄膜扩散源随扩散时间衰减后的分布：当扩散时间越长，扩散物质初始分布范围越窄，高斯解就越精确。
而保证高斯解有足够精度的条件为：如果在金属b棒一端沉积扩散物质a（单位面积质量为M），经扩散退火后，其质量浓度为上述扩散偶的2倍，即因为扩散物质由原来向左右两侧扩散改变为仅向一侧扩散。
最终解为：由于在均匀化扩散退火时只考虑浓度在x＝2λ时的变化，此时sin（x πλ）＝1，所以因为所以由上式可知，要完全消除偏析是不可能的，因为此时要求t→＋∞4．置换型固溶体中的扩散若组元i（i＝1，2）的质量浓度为ρi ，扩散速度为v，则其扩散通量：对于两个组元，它们的扩散总通量分别为：在扩散过程中，假设密度保持不变，则须满足：5．扩散系数D 与浓度相关时的求解（1）设无限长的扩散偶，其初始条件为：当t＝0时，玻耳兹曼引入参量η，使偏微分方程变为常微分方程得：（2）初始条件变为：当t＝0时，将η和d d dx d t d dx d dxρρρηη（D ）=D（D ）式代入上式：得：二、扩散的热力学分析1．上坡扩散物质从低浓度区向高浓度区扩散，扩散的结果提高了浓度梯度，称为上坡扩散或者逆向扩散。
