材料物理基础第2章固体结构-2.1+原子结构与结合键-201309s.pdf

1 第第2章章 固体结构固体结构 2.1 原子结构与结合键原子结构与结合键 2013年年9月月 材料物理基础材料物理基础 Fundamentals of Materials Physics 2 2.1 原子结构与结合键原子结构与结合键 2.2 晶体结构的周期性与空间点阵晶体结构的周期性与空间点阵 2.3 晶体中点线面（晶向和晶面）的表示方法晶体中点线面（晶向和晶面）的表示方法 2.4 晶体结构的对称性与点群晶体结构的对称性与点群/空间群空间群 2.5 金属与合金相的晶体结构金属与合金相的晶体结构 纯金属，金属固溶体，金属化合物纯金属，金属固溶体，金属化合物 2.6 陶瓷相的晶体结构陶瓷相的晶体结构 离子化合物离子化合物/硅酸盐，共价晶体硅酸盐，共价晶体 2.7 其它固体结构其它固体结构* 非晶，准晶，聚合物（高分子）非晶，准晶，聚合物（高分子） 本章主要内容和要求本章主要内容和要求 3 • 熟悉有关晶体结构的重要熟悉有关晶体结构的重要术语及其定义术语及其定义 • 掌握描述和表征晶体结构的掌握描述和表征晶体结构的物理参量和方法物理参量和方法 • 掌握各种晶体结构的掌握各种晶体结构的主要特征、形成主要特征、形成条件条件 • 了解非晶、准晶、高分子结构特征了解非晶、准晶、高分子结构特征 本章主要内容和要求本章主要内容和要求 2.1 原子结构与结合键原子结构与结合键 主要主要内容：内容： 1. 原子原子核外电子状态描述核外电子状态描述 2. 原子原子核外电子的排布规律核外电子的排布规律 3. 原子外层电子构型与元素周期表原子外层电子构型与元素周期表 4. 固体中的结合键固体中的结合键 5. 元素元素和化合物固体结合的和化合物固体结合的规律性规律性 6. 元素元素性质的周期性规律性质的周期性规律 重点：重点： • 四四个量子数个量子数的的表示表示方法、方法、物理物理意义和取值范围意义和取值范围 • 原子结合键的分类原子结合键的分类和特点和特点 • 周期表中周期数、族数与周期表中周期数、族数与原子外层原子外层电子构型之间的关系电子构型之间的关系 • 原子结构、元素电负性、原子结合键、元素性质之间原子结构、元素电负性、原子结合键、元素性质之间的的关系关系 4 术语，符号术语，符号 概念，定义概念，定义 透过现象看本质透过现象看本质 找关系找关系 求异同求异同 5 2.1 核外电子与固体结合健核外电子与固体结合健 思考题和习题思考题和习题 1. 在量子力学模型中，描述孤立原子核外电子状态的四个量在量子力学模型中，描述孤立原子核外电子状态的四个量子数是什么？其符号、子数是什么？其符号、取值范围、物理意义？取值范围、物理意义？ 2. 主量子数为主量子数为n的主壳层的轨道数是多少？的主壳层的轨道数是多少？ 3. 主量子数为主量子数为n的主壳层最多能容纳多少电子？的主壳层最多能容纳多少电子？ 4. 孤立原子孤立原子核外电子的排布遵循哪几个规则？核外电子的排布遵循哪几个规则？ 5. 随原子序数增加，原子外层电子构型的变化具有什么规律？随原子序数增加，原子外层电子构型的变化具有什么规律？ 6. 在元素周期表中，对于同一周期或同一族的元素，原子外在元素周期表中，对于同一周期或同一族的元素，原子外层电子构型有什么共同点？对于同一周期或同一族的元素，层电子构型有什么共同点？对于同一周期或同一族的元素，随原子序数增加，原子外层电子构型如何变化？随原子序数增加，原子外层电子构型如何变化？ 6 2.1 核外电子与固体结合健核外电子与固体结合健 思考题和习题思考题和习题 7. 什么是电负性？随原子序数增加，原子电负性的变化具有什么是电负性？随原子序数增加，原子电负性的变化具有什么规律？什么规律？ 8. 原子固态结合键与组成原子的电负性有何关联？原子固态结合键与组成原子的电负性有何关联？ 9. 元素性质与原子固态结合键有何关联？元素性质与原子固态结合键有何关联？ 10. 给出基态给出基态Fe原子和基态稀土元素原子和基态稀土元素Nd原子的核外电子构型。

原子的核外电子构型 11. 硫可以和氢形成硫可以和氢形成H2S，也可以与氧形成，也可以与氧形成SO2，根据硫的外层，根据硫的外层电子构型给予解释，在这两种情况下，硫分别扮演了什么电子构型给予解释，在这两种情况下，硫分别扮演了什么角色？角色？ i i 1. 原子核外电子的量子力学描述原子核外电子的量子力学描述 • 原子的核外电子状态（能量、空间运动）用四个量子数原子的核外电子状态（能量、空间运动）用四个量子数（（n, l, m, ms））描述（只能取整数值）描述（只能取整数值） （（1）主量子数）主量子数n n：： 1，， 2，， 3，， 4，， 5 字母：字母： K，，L，，M，，N，，O • 表示电子所处量子壳层表示电子所处量子壳层（（能级能级）），，数值越小数值越小，，能量越低能量越低；； 决定电子和核之间的平均间距决定电子和核之间的平均间距 • 虽然量子力学模型中不存在电子按确定轨道一层一层排列虽然量子力学模型中不存在电子按确定轨道一层一层排列 的概念，但人们仍习惯将核外电子按主量子数的概念，但人们仍习惯将核外电子按主量子数n（按能量分（按能量分 组）分成组）分成壳层壳层。

7 i i （（2）轨道角量子数）轨道角量子数l（（li）） • 对对同一个同一个n值（同一个主壳层），按值（同一个主壳层），按l值分成若干个亚壳层值分成若干个亚壳层 l ：：0，，1，，2，，3，，4，，…n-1，（，（n个值）个值） 符号：符号：s，，p，，d，，f，，g，，… • 表示在同一主量子壳层中电子的能级（亚壳层）表示在同一主量子壳层中电子的能级（亚壳层）在多电在多电 子原子中和主量子数子原子中和主量子数n一起决定电子（一起决定电子（轨道）轨道）的的能能量 • 决定轨道角动量或轨道的形状，决定轨道角动量或轨道的形状，不同亚壳层的电子云形状不同亚壳层的电子云形状 不同不同 例如例如，，l=0（（s）），，原子轨道或电子云为球形对称；原子轨道或电子云为球形对称； l=1（（p）），，电子云为无把哑铃形；电子云为无把哑铃形； l=2（（d）），，电子云为花瓣形；电子云为花瓣形； l=3 （（f））的电子云形状更为复杂的电子云形状更为复杂 8 i i n=1，，l=0的电子态的电子态，，称为称为1s n=2，，l=0的电子态的电子态，，称为称为2s l=1的电子态的电子态，，称为称为2p n=3，，l=0的电子态的电子态，，称为称为3s l=1的电子态的电子态，，称为称为3p l=2的电子态的电子态，，称为称为3d n=4，，l=0的电子态的电子态，，称为称为4s l=1的电子态的电子态，，称为称为4p l=2的电子态的电子态，，称为称为4d l=3的电子态的电子态，，称为称为4f 9 i i （（3）磁量子数）磁量子数m（（ml）） 0，，±±1，，±±2，，±±3，，...±±l，， • 决定电子云在空间的伸展方向决定电子云在空间的伸展方向。

同一亚层中同一亚层中，，电子云的形电子云的形 状相同状相同，，但它们有不同的伸展方向但它们有不同的伸展方向 • 当当l 给定给定时时，，m的取值为从的取值为从-l到到+l之间的一切整数之间的一切整数（（包括包括0 在内在内）），，共有共有2l+1个取值个取值，，即即电子云电子云（（或原子轨道或原子轨道））在空在空 间有间有2l+1个伸展方向个伸展方向 • 将将在一定的主量子壳层中具有一定形状和伸展方向的电子在一定的主量子壳层中具有一定形状和伸展方向的电子 云所占据的空间云所占据的空间（（由一组由一组n, l, m决定的状态决定的状态））称为一个轨称为一个轨 道道 • 每个每个角量子数角量子数l的电子的电子轨道数为轨道数为2l+1，，主壳层为主壳层为n的轨道数的轨道数 为为n2 10 i i • s态态=1：：l=0 ，，m=0，，m只能有一个值只能有一个值，，s亚层只有一个轨道亚层只有一个轨道 为为s轨道轨道s电子云呈球形对称分布电子云呈球形对称分布，，没有方向性没有方向性 • p态态=3：：l=1；；m=0，， 1，，m有有-1，，0，，+1三个取值，三个取值，p电子云电子云 在空间有三种取向，即在空间有三种取向，即p亚层中有三个分别以亚层中有三个分别以x，，y，，z轴为对轴为对 称轴的称轴的px，，py，，pz轨道。

轨道 • d态态=5：：l=2；；m=0，， 1，， 2，，m可有五个取值，可有五个取值，d电子云在电子云在 空间有五种取向，空间有五种取向，d亚层中有五个不同伸展方向的轨道亚层中有五个不同伸展方向的轨道 • f态态=7：：l=3；；m=0，， 1，， 2 ，， 3，，m可有七个取值，可有七个取值， f电子电子 云在空间有七种取向云在空间有七种取向 11 12 材料科学导论，冯端等 s=1 ：：l=0，，m=0，，球对称球对称 p=3：：l=1；；m=0，， 1，轴，轴对称对称 d=5：：l=2；；m=0，， 1，， 2 f =7：：l=3；；m=0，， 1，， 2 ，， 3 S，，p，，d电子云角度分布图电子云角度分布图 各态电子云的几率密度分布各态电子云的几率密度分布 随空间角度而变化的图形随空间角度而变化的图形 i i （（4）自旋量子数）自旋量子数ms ：： l/2 • 表示电子的自旋方向表示电子的自旋方向 • 规定规定+l/2为顺时针（正自旋）；为顺时针（正自旋）； -l/2为逆时针（负自旋），为逆时针（负自旋），通常用上下通常用上下箭头表示。

箭头表示 • 每个轨道（每个由每个轨道（每个由n，，l和和m确定的状态）只能容纳两个自确定的状态）只能容纳两个自旋相反的电子旋相反的电子 13 2. 核外电子的排布规律核外电子的排布规律 在多电子的原子中在多电子的原子中，，电子的排布遵循以下规则：电子的排布遵循以下规则： （（1））泡利泡利（（Pauli）） 不相容原理不相容原理 •由每组由每组4个量子数确定的电子状态只能被一个电子所占据个量子数确定的电子状态只能被一个电子所占据，， 即不允许两个电子的即不允许两个电子的4个量子数都相同个量子数都相同，，这就决定了每个电这就决定了每个电 子状态都不相同子状态都不相同 •每个由每个由n，，l 和和m确定的状态确定的状态（（轨道轨道））只能容纳两个自旋相只能容纳两个自旋相 反的电子反的电子 •主量子数为主量子数为n的壳层的壳层，，最多容纳的电子为最多容纳的电子为2n2 s态只能容纳态只能容纳2个电子：个电子：l=0，，m=0，，ms= 1 p态最多态最多容纳容纳6个电子：个电子：l=1；；m=0，， 1；；ms= 1 d态态最多最多容纳容纳10个电子：个电子：l=2；；m=0，， 1，， 2；；ms= 1 f态态最多最多容纳容纳14个电子：个电子：l=3；；m=0，， 1，， 2，，  3 ；； ms= 1 14 15 Fundamentals of mateials science and engineering-William D. Callister Jr. （（2）能量最低原理）能量最低原理 •电子占据壳层的能量从低到高电子占据壳层的能量从低到高。

•没有外场，并忽略自旋的影响，由没有外场，并忽略自旋的影响，由 主量子数主量子数n和角量子数和角量子数l 确定电子能确定电子能 量排序 •l值值相同，相同，随随n的的数值增大，电子所数值增大，电子所 处轨道的能级升高处轨道的能级升高n值相同，随值相同，随l 值增大，值增大，电子所处轨道的电子所处轨道的能级升高能级升高 n值和值和。