材料科学导论完整版

第 1 章 原子结构与键合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，原子集合体的形貌特征等。物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的。原子结构中的电子结构——决定了原子键合的本身。1.1 原子结构1.1.1 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。分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒。分子的体积很小，如 H2O 分子的直径约为 0.2 nm。而分子的质量则有大有小：H2分子是分子世界中最小的，它的相对分子质量只有 2，而天然高分子化合物——蛋白质可高达几百万。分子是由一些更小的微粒——原子所组成的。在化学变化中，分子可以再分成原子，而原子却不能再分，原子是化学变化中的最小微粒。量子力学中，原子并不是物质的最小微粒。它具有复杂结构。原子结构直接影响原子间的结合方式。1.1.2 原子的结构原子由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成。原子的体积很小，原子直径约为 10–10 m 数量级，原子核直径为 10–15 m 数量级。原子的质量主要在原子核内。每个质子和中子的质量大致为1.67×10–24 g，电子的质量约为 9.11×10–28 g，为质子的 1/1836。原子呈电中性。原子核带正电（质子带正电，中子不带电），电子带负电（1.6022×10–19 C），电子和质子数目相等。原子核与电子的结合力为静电力。1.1.3 原子的电子结构电子云：电子在原子核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围。电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，用统计方法推断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。能量低的，通常在离核近的区域（壳层）运动；能量高的，通常在离核远的区域运动。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，即表示电子所处的量子壳层，只限于正整数 1，2，3，4，……量子壳层用一个大写英文字母表示。n = 1 为最低能级量子壳层，最靠近核的轨道， K 壳层， n = 2，3，4 等依次为 L，M，N 壳层等。（2）轨道角动量量子数 l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。钠原子结构中 ...