《材料科学基础》第一章 原子结构与结合健

2026/1/27 8:42:52

一切物质都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。 原子结构直接影响原子间的结合方式。

1.1.2 原子的结构

近代科学实验证明: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。

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。因为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。

1.1.3 原子的电子结构

描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。

多电子的原子中,核外电子的排布规律遵循三原则,即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund规则。

从内到外,依次为K壳层(n=1),L壳层(n=2),M壳层(n=3). 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。 2).轨道角量子数li

给出电子在同一量子壳层内所处的能级(电子亚层)。 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。 4).自旋角量子数si 反映电子不同的自旋方向。

1.1.4 元素周期表

具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。 元素周期表是元素周期律的具体表现形式,它反映了元素之间相互联系的规律,元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。

1.2 原子间的键合

1.2.1 金属键

金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。金属键

的基本特点是电子的共有化。

金属键既无饱和性又无方向性,因而每个原子有可能同更多的原子相结合,并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时,不至于使金属键破坏,这就使金属具有良好延展性,并且,由于自由电子的存在,金属一般都具有良好的导电和导热性能。 1.2.2 离子键

大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键键合的

基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。

一般离子晶体中正负离子静电引力较强,结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外,在离子晶体中很难产生自由运动的电子,因此,它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时,正负离子在外电场作用下可以自由运动,即呈现离子导电性。 1.2.3 共价键

两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠,形成“共用电子对”,有确定的方位,且配位数较小。

图1.6 SiO2中硅和氧原子间的共价键示意图

共价键在亚金属(碳、硅、锡、锗等)、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。 共价键晶体中各个键之间都有确定的方位,配位数比较小。共价键


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