1、第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 原子結(jié)構(gòu)和原子間的鍵合原子結(jié)構(gòu)和原子間的鍵合 原子間的平衡距離和能量原子間的平衡距離和能量 晶體和非晶體的結(jié)構(gòu)晶體和非晶體的結(jié)構(gòu) 固溶體固溶體 相圖相圖 材料的表面性質(zhì)材料的表面性質(zhì)1第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)Structure of Materials第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 22-1 物質(zhì)的形態(tài)及材料結(jié)構(gòu)物質(zhì)的形態(tài)及材料結(jié)構(gòu)2-2 原子中的電子結(jié)構(gòu)原子中的電子結(jié)構(gòu)2-3 原子之間的相互作用和結(jié)合原子之間的相互作用和結(jié)合2-4 多原子體系電子的相互作用和穩(wěn)定性多原子體系電子

2、的相互作用和穩(wěn)定性2-5 固體中的原子有序固體中的原子有序2-6 固體中的原子無序固體中的原子無序2-7 固體中的相轉(zhuǎn)變固體中的相轉(zhuǎn)變2-8 固體物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)固體物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)目 錄第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 32-1 物質(zhì)的形態(tài)及材料結(jié)構(gòu) 2-1-1 物質(zhì)的形態(tài)（State）三種主要形態(tài)三種主要形態(tài)排列排列距離距離作用力作用力固定固定體積體積形狀形狀氣態(tài)氣態(tài) (gas)無規(guī)律無規(guī)律遠(yuǎn)遠(yuǎn)小小無無無無液態(tài)液態(tài) (liquid)局部有序局部有序較近較近中等中等有有無無固態(tài)固態(tài)(solid)結(jié)晶結(jié)晶有規(guī)律有規(guī)律小小強強有有有有非晶非晶局部有序局部有序

3、小小強強有有有有第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 4 2-1-2 材料結(jié)構(gòu)的含義材料結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)：是是影響材料性能的基本因素，影響材料性能的基本因素， 隨隨化學(xué)組成及外界條件化學(xué)組成及外界條件改變。改變。顯微組織顯微組織結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 10-4 10-8 m (0.1 mm 10 nm)，顯微鏡顯微鏡原子原子或分子排列結(jié)構(gòu)或分子排列結(jié)構(gòu)： 10-10 m ( 0.1 nm，1 ) ，最近已觀察到最近已觀察到原子中的電子結(jié)構(gòu)：原子中的電子結(jié)構(gòu)： 10-13 m ( 10-4 nm，10-3 )，目前無法觀察，目前無法觀察宏觀組織結(jié)構(gòu)：宏觀組織結(jié)構(gòu)： 10-4

4、 m ( 0.1 mm)，肉眼可見，肉眼可見第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 52-2 原子中的電子結(jié)構(gòu) 2-2-1 原子（Atom）原子核原子核+核外電子核外電子 電中性電中性 1. 原子核原子核 由由 質(zhì)子質(zhì)子+中子中子 組成組成 質(zhì)子質(zhì)子 質(zhì)子數(shù)（質(zhì)子數(shù)（Z） = 原子序數(shù)原子序數(shù) = 電子數(shù)電子數(shù) 正電荷正電荷 中子中子 中子數(shù)（中子數(shù)（N） 中子質(zhì)量中子質(zhì)量 = 質(zhì)子質(zhì)量質(zhì)子質(zhì)量 無電荷無電荷 原子原子質(zhì)量（質(zhì)量（A）= 質(zhì)子質(zhì)子質(zhì)量質(zhì)量 + 中子中子質(zhì)量質(zhì)量 同位素：同位素：Z相同，相同， N不同的原子不同的原子 原子量原子量：元素（原子序

5、數(shù)相同）中各同位素的原子質(zhì)量平均值：元素（原子序數(shù)相同）中各同位素的原子質(zhì)量平均值 第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 62. 電子電子 質(zhì)量約質(zhì)量約1/1840質(zhì)子質(zhì)子或中子或中子 負(fù)電荷負(fù)電荷 繞繞核運動核運動；速度；速度1/101/100光速光速 玻爾模型玻爾模型 Bohr model軌道電子軌道電子原子核原子核第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 7 獲1922年諾貝爾物理獎（37歲；提出玻爾模型時28歲）Niels Bohr (1885-1962，丹麥人) 貢獻(xiàn)：“量子”躍遷，吸收或放出能量 局限：保留了經(jīng)

6、典粒子的觀念，仍然把電子運動看做經(jīng)典力學(xué)描述下的軌道運動第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 原子核原子核軌道電子軌道電子離核距離離核距離概率概率 波動力學(xué)模型波動力學(xué)模型Wave-mechanical model 波波- -粒粒軌道非固定幾率最大的分布構(gòu)成電子云電子云層 第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 91. 電子的統(tǒng)計性形態(tài)法電子的統(tǒng)計性形態(tài)法描述：描述：四四個量子數(shù)個量子數(shù) (Quantum Numbers) n , 第一量子數(shù)第一量子數(shù)：距離原子核的遠(yuǎn)近，決定：距離原子核的遠(yuǎn)近，決定體系的體系的能量能量

7、n = 1，2，3.（整數(shù)），（整數(shù)）， n =1 時為最低能級時為最低能級 量子化量子化 K，L，M . l , 第二量子數(shù)第二量子數(shù)：角動量，決定：角動量，決定體系電子幾率分布的體系電子幾率分布的空間對稱性空間對稱性 l = 0，1，2，3，4 （n -1） n =1，l = 0 s p d f g 狀態(tài)狀態(tài) n =2，l = 0，1 (s, p) ml , 第三量子數(shù)：決定體系角動量在磁場方向的分量第三量子數(shù)：決定體系角動量在磁場方向的分量 m l = 0， 1， 2， 3 有（有（2 l+1）個）個 伸展方向數(shù)伸展方向數(shù) ms ，第四量子數(shù)：決定電子自旋的方向第四量子數(shù)：決定電子自旋的

8、方向 +1/2，-1/2 2-2-2 原子中電子的空間位置和能量（Electrons in Atoms）第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 101. 泡利不相容原理：泡利不相容原理： 原子中每個電子必須有獨自一組四個量子數(shù)，原子中每個電子必須有獨自一組四個量子數(shù)， 一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子。一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子。2. 能量最低原則：能量最低原則： 電子電子總是按能量最低的狀態(tài)分布總是按能量最低的狀態(tài)分布。s、p、d、f、g 3. 洪特規(guī)則：洪特規(guī)則： 簡并簡并軌道，分占軌道最多，自旋方向相同軌道，分占軌道最多，

9、自旋方向相同。電子分布遵循的原則電子分布遵循的原則：第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 11Wolfgang E. Pauli （1900-1958，美籍奧地利） 獲獲1945年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎（45歲；提出泡利不相容原理時歲；提出泡利不相容原理時25歲）歲）第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 12 2-2-3 原子中電子殼層數(shù)目及填充方式（排布）1. 電子殼層數(shù)目電子殼層數(shù)目 n = 1，2，3，4，5 K L M N O 主殼層主殼層(shells) l = 0，1，2，3，4 s p d f g 支

10、殼層支殼層(subshells)由內(nèi)向外由內(nèi)向外2. 最多電子數(shù)目最多電子數(shù)目 K2，L8，M18 s2，p6，d103. 最外層最外層 s12，p16，d110 第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 134. 排列次序排列次序 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s 舉例舉例： H: (1) 1s1 Na: (11) 1s2 2s2 2p6 3s1n第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 14 愈愈接近接近原子核，電子能級原子核，電子能級愈低愈低，電子愈，電子愈穩(wěn)定穩(wěn)定； 愈愈遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離原子核原子核，電子能

11、級電子能級愈高愈高，電子，電子不穩(wěn)定不穩(wěn)定。 電子電子可以在軌道間可以在軌道間躍遷躍遷： 低能級低能級軌道軌道 高高能級軌道（吸收能量能級軌道（吸收能量） 高能級高能級軌道軌道 低能級低能級軌道軌道（放出能量（放出能量） 2-2-4 電子殼層的能級（Energy Levels）E2-E2 = h = h (c/ )第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 15 2-2-5 電離能和親合能 （Ionization Energy and Electron Affinity）電離能：電離能：從從孤立原子中，去除孤立原子中，去除束縛最弱的電子束縛最弱的電子所需所需的能

12、量的能量。電子親合能：電子親合能：原子原子接受一個額外的接受一個額外的電子通常要釋放能量，電子通常要釋放能量，所放能量即電子親合所放能量即電子親合能。能。Ne第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 162-3 原子之間的相互作用和結(jié)合自然界：一般自然界：一般由原子或分子組成物質(zhì)或由原子或分子組成物質(zhì)或材料。材料。結(jié)合結(jié)合方式方式： 基本基本結(jié)合：結(jié)合：離子鍵、金屬鍵、離子鍵、金屬鍵、共價鍵（化學(xué)結(jié)合）共價鍵（化學(xué)結(jié)合） 派生派生結(jié)合：結(jié)合：分子間作用力、分子間作用力、氫鍵（物理結(jié)合）氫鍵（物理結(jié)合）第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程

13、程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 17 2-3-1 基本鍵合1. 離子鍵離子鍵合（合（Ionic Bonding）：）： 離子鍵離子鍵 正離子正離子負(fù)離子負(fù)離子 庫侖引力庫侖引力特點：特點：價電子價電子完全交換完全交換，電子電子束縛在離子束縛在離子中中正負(fù)離子吸引，達(dá)靜電平衡；正負(fù)離子吸引，達(dá)靜電平衡； 電場電場引力引力無方無方向性向性構(gòu)成三維構(gòu)成三維整體整體晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)在溶液中離解成在溶液中離解成離子離子第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 18 2 . 金屬鍵合（金屬鍵合（Metallic Bonding）：）：特點特點： 由正離子排列成有序晶格；由正離子排列成有序

14、晶格； 各原子各原子最（及次）外層最（及次）外層電子釋放，在電子釋放，在晶格中隨機、自由、無規(guī)則運動，無方向晶格中隨機、自由、無規(guī)則運動，無方向性；性； 原子原子最外殼層有空軌道或未配對電子最外殼層有空軌道或未配對電子，既容易得到電子，又容易失去電子；既容易得到電子，又容易失去電子； 價電子價電子不是緊密結(jié)合不是緊密結(jié)合在離子芯上，鍵在離子芯上，鍵能低、具有范性形變。能低、具有范性形變。第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 19 3. 共價鍵合（共價鍵合（Covalent Bonding）: :兩兩個原子共享最外殼電子的鍵合個原子共享最外殼電子的鍵合。特點

15、：特點：兩原子共享最外殼層電子對；兩原子共享最外殼層電子對；兩原子相應(yīng)軌道上的電子各有一個，自旋方向必須相反；兩原子相應(yīng)軌道上的電子各有一個，自旋方向必須相反；有飽和性和方向性。電子云最大重疊有飽和性和方向性。電子云最大重疊，1共價鍵僅共價鍵僅2個個電子。電子。從電子交換的角度如何理解共價鍵？從電子交換的角度如何理解共價鍵？第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 20 3. 共價鍵合（共價鍵合（Covalent Bonding）: :第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 214. 混和混和鍵鍵合（合（ Mixed Bon

16、ding）：）： 1） 電負(fù)性：表示電負(fù)性：表示吸引電子的能力吸引電子的能力 同一周期同一周期 左左 右右 電負(fù)性增高電負(fù)性增高 同一族同一族 上上 下下 電負(fù)性降低電負(fù)性降低 2）電負(fù)性對化學(xué)鍵的影響）電負(fù)性對化學(xué)鍵的影響: 同種同種原子間無影響原子間無影響 異種原子相互作用時異種原子相互作用時: 兩元素電負(fù)性相差兩元素電負(fù)性相差較大：非金屬較大：非金屬非金屬非金屬 成極性共價鍵成極性共價鍵 電負(fù)性電負(fù)性相差相差很大：金屬很大：金屬 非金屬非金屬 成離子鍵成離子鍵 電負(fù)性差值0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0

17、 3.2 離子性結(jié)合（%） 1 4 9 15 22 30 39 47 55 63 70 76 82 86 89 92 電負(fù)性差值：可判斷無機非金屬材料離子性結(jié)合鍵的比例電負(fù)性差值：可判斷無機非金屬材料離子性結(jié)合鍵的比例第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 22離子性特征比離子性特征比(%) = 1-exp-0.25(XA - XB)2100 XA，XB 原子的電負(fù)性第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 23 2-3-2 派生鍵合作用力也是庫侖引力（與離子鍵相同但弱得作用力也是庫侖引力（與離子鍵相同但弱得多，多，不不存在

18、電子交換存在電子交換） 1. 分子間分子間引力（引力（Intermolecular Attraction)： 分子（或電中性原子）間的結(jié)合分子（或電中性原子）間的結(jié)合力，又力，又稱范氏（稱范氏（van der Waals）力。）力。 特點：特點： 無方向性和飽和性無方向性和飽和性 鍵能最小鍵能最小 原子或分子對原子或分子對第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 24A. 取向取向力力：分子分子永久偶極間相互作用永久偶極間相互作用 (Permanent dipole bonds) B. 誘導(dǎo)力誘導(dǎo)力：被：被誘導(dǎo)的偶極與永久偶極間作用誘導(dǎo)的偶極與永久偶極間作用

19、(Polar molecule-induced dipole bonds) C. 色散力色散力：非：非極性分子間瞬時偶極間的作用極性分子間瞬時偶極間的作用 (Fluctuating induced dipole bonds)第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 25 質(zhì)子給予體（如質(zhì)子給予體（如H）與強電負(fù)性原子）與強電負(fù)性原子X（如（如O、N、F、Cl）結(jié)合，再與）結(jié)合，再與另一強電負(fù)性原子另一強電負(fù)性原子Y（質(zhì)子接受體）形成一個鍵的鍵合方式。（質(zhì)子接受體）形成一個鍵的鍵合方式。2. 氫鍵（氫鍵（Hydrogen bond）：）：特點：特點： 有方向性，

20、飽和性；有方向性，飽和性； 分子內(nèi)氫鍵；分子間氫鍵；分子內(nèi)氫鍵；分子間氫鍵； 鍵能鍵能: 一般為幾一般為幾 十幾十幾 kcal/mol第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 26 2-3-3 原子間距和空間排列1. 原子原子間的距離和作用間的距離和作用原子間距原子間距離很大時離很大時, ,相互作用相互作用很很?。痪嚯x??；距離減小時，斥力和引力以不同的函數(shù)形式增大。減小時，斥力和引力以不同的函數(shù)形式增大。 平衡間距平衡間距 ( a )：就是就是斥力和引力相等的斥力和引力相等的距離。距離。（1）a：平衡平衡間距，合力間距，合力F= 0，能量，能量U最低，結(jié)合能最

21、低，結(jié)合能的負(fù)值；的負(fù)值；（2）a 增大，增大，F(xiàn)為引力，為引力，U增大；增大；a 減小，減小，F(xiàn)為斥力，為斥力，U大大增大。大大增大。 第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 272 . 原子半徑和原子半徑和離子半徑離子半徑(a) 金屬半徑：金屬鍵結(jié)合的原子距離的一半：金屬半徑：金屬鍵結(jié)合的原子距離的一半：a/ 2(b) 離子半徑：離子半徑：a= r+ + R- 孤立孤立原子（非鍵合）的原子（非鍵合）的半徑：范氏半徑：范氏半徑半徑結(jié)合結(jié)合原子：原子間作用方式和作用力的不同，原子：原子間作用方式和作用力的不同，a不同不同，半徑不同，半徑不同 第二章 材料結(jié)構(gòu)

22、基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 28 離子價影響離子半徑離子價影響離子半徑 (c) 共價半徑：成鍵電子云的最大重疊（非球形，多用鍵長）共價半徑：成鍵電子云的最大重疊（非球形，多用鍵長） 單鍵單鍵、雙鍵、雙鍵、三鍵三鍵 溫度溫度影響半徑影響半徑第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 293. 配位數(shù)配位數(shù) CN：（：（影響半徑）影響半徑）大部分工程材料具有多個原子組成的配位大部分工程材料具有多個原子組成的配位團。團。配位數(shù)配位數(shù)是一個原子具有的是一個原子具有的第一鄰近（原子或離子）第一鄰近（原子或離子）數(shù)數(shù)。H-1Mg為為6Si或或

23、C為為4影響因素：影響因素： 共共價價，圍繞一個原子的共價鍵數(shù)取決于原子的，圍繞一個原子的共價鍵數(shù)取決于原子的價電子價電子數(shù)目數(shù)目。 鹵族配位數(shù)為鹵族配位數(shù)為1；氧族為；氧族為2。 離子化合物離子化合物，原子原子的有效堆積的有效堆積，具有，具有較高配位數(shù)，最常見為較高配位數(shù)，最常見為6。 第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 30元素元素金屬原子金屬原子離子離子共價鍵共價鍵CN半徑半徑 (nm)價價 CN半徑半徑 (nm)鍵長鍵長/2 (nm)碳碳 C單鍵單鍵0.077雙鍵雙鍵0.065三鍵三鍵0.06硅硅 Si4+ 60.042單鍵單鍵0.1174+ 4

24、0.038氧氧 O2- 80.042單鍵單鍵0.0752- 60.038雙鍵雙鍵0.0652- 40.044氯氯 Cl2- 20.140單鍵單鍵0.0991- 80.1271- 60.181鈉鈉 Na80.018751+ 60.097鎂鎂 Mg120.1612+ 60.066鋁鋁 Al120.14313+ 60.0543+ 40.046鐵鐵 Fe80.12412+ 60.074120.1273+ 60.064銅銅 Cu120.12781+ 60.096第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 31 2-3-4 各種鍵性比較1. 鍵長鍵長（Bond distan

25、ce）兩相鄰原子間達(dá)兩相鄰原子間達(dá)運動平衡運動平衡時能量最小的距離時能量最小的距離金屬鍵和離子鍵：金屬鍵和離子鍵：無方無方向性，無鍵長，三維空間（集體效應(yīng)）：體積和電荷向性，無鍵長，三維空間（集體效應(yīng)）：體積和電荷共價鍵共價鍵：有方向性（和有方向性（和飽和飽和性），性），鍵長為相連原子間的距離鍵長為相連原子間的距離，共，共價半徑價半徑之之和和. .同同一一周期周期 電荷大電荷大 鍵長小鍵長小同一族同一族 由上到下由上到下 鍵長增大鍵長增大第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 32化學(xué)鍵化學(xué)鍵 物理鍵（分子鍵）物理鍵（分子鍵）化學(xué)鍵中：共價鍵化學(xué)鍵中：共價鍵

26、 離子鍵離子鍵 金屬鍵金屬鍵共價鍵中：叁共價鍵中：叁鍵鍵雙鍵雙鍵單鍵單鍵氫鍵氫鍵 范氏鍵范氏鍵2. 鍵鍵能能（Bond energy）1 mol 物質(zhì)結(jié)合鍵分裂放出的物質(zhì)結(jié)合鍵分裂放出的能量。能量。表示結(jié)合的表示結(jié)合的強弱：強弱：第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 332-4 多原子體系電子的相互作用與穩(wěn)定性 原子的雜化軌道原子的雜化軌道 分子的雜化軌道分子的雜化軌道 金屬中的費米能級金屬中的費米能級 固體固體中的能帶結(jié)構(gòu)中的能帶結(jié)構(gòu)第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 34 2-4-1 雜化軌道和分子軌道 （Hyb

27、rid Orbital and Molecular Orbital）1. 雜化軌道理論雜化軌道理論雜化軌道雜化軌道：原子原子不同軌道不同軌道線性組合后的線性組合后的新新原子軌道原子軌道雜化雜化后，后，數(shù)目數(shù)目不變不變空間分布空間分布、能級狀態(tài)能級狀態(tài)改變，有利成改變，有利成鍵鍵雜化軌道與配位原子空間排列的雜化軌道與配位原子空間排列的方式方式: :sp3第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 352xxdp23xdsp223yxdsp2223yxxddspxyyzxzdddsp33N23CO24SO24SiF 中心原子的雜化軌道中心原子的雜化軌道 配位原子的空

28、間排列配位原子的空間排列 實實 例例 spx spxpy sp3 直 線 形 直 線 形 平 面 三 角 形 四 面 體 形 三 方 雙 錐 形 四 方 錐 形 八 面 體 形 五 方 雙 錐 形 CO2, XeF2 BF3, SO3, SiH4, PF5, SOF4 Sb(C6H5)5 SF6, IF7第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 36三方雙錐形三方雙錐形四方錐形四方錐形第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 37八面體形八面體形（四方雙錐形）（四方雙錐形）五方雙錐形五方雙錐形第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料

29、科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 382. 分子軌道理論分子軌道理論不同原子軌道不同原子軌道的的線性組合。線性組合。組合成組合成分子軌道分子軌道的條件的條件（1）能量相近；）能量相近； （2）軌道最大重疊；）軌道最大重疊；（3）對稱性匹配：）對稱性匹配： 符號相同，為成鍵軌道符號相同，為成鍵軌道 符號相反，為反鍵軌道符號相反，為反鍵軌道第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 39軌道軌道：通過通過鍵軸，無節(jié)面鍵軸，無節(jié)面，以以鍵軸為對稱軸的對稱軌道鍵軸為對稱軸的對稱軌道如：如：s-s, s-p， px-px（1）軌道和軌道和鍵鍵三種分子軌道：三種分子

30、軌道：第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 40 鍵：鍵：由成鍵由成鍵電子構(gòu)成的共價鍵電子構(gòu)成的共價鍵 單單電子電子鍵：成鍵軌道鍵：成鍵軌道1個電子，能量個電子，能量降低降低 =EE1正常正常鍵：鍵： 成鍵軌道成鍵軌道2個電子，能量個電子，能量降低降低 2三三電子電子鍵：成鍵軌道鍵：成鍵軌道2個電子，反鍵軌道個電子，反鍵軌道1 個電子，能量個電子，能量降低降低 第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 41軌道：通過鍵軸，有一個（軌道：通過鍵軸，有一個（= 0）節(jié)面）節(jié)面 如如： py - py ，pz - pz鍵：由成鍵

31、鍵：由成鍵電子構(gòu)成的共價鍵電子構(gòu)成的共價鍵（2） 軌道和軌道和 鍵鍵第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 42（3）軌道和軌道和 鍵鍵軌道：通過鍵軸，軌道：通過鍵軸， 有有兩個（兩個（= 0）的節(jié)面）的節(jié)面鍵：由成鍵鍵：由成鍵電子構(gòu)成的共價鍵電子構(gòu)成的共價鍵分子軌道電子排布分子軌道電子排布與與原子軌道填充三原則相同原子軌道填充三原則相同z第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 43 2-4-2 費米能級（Fermi Energy Level）金屬11)(TkEEBFeEfT= 0 K（基態(tài) ground state）時，

32、最高的被電子充滿能級的能量為EF， 以下能級全滿， 以上能級全空。費米分布：費米分布：T0 K時，某些電子受到激發(fā)，移到費米能級以上的能級，達(dá)到平衡的分布。分布函數(shù)分布函數(shù)：某能級E被電子占據(jù)的幾率只是溫度的函數(shù)第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 44 2-4-3 固體中的能帶（Energy Band）能級分裂能級分裂：n個同種原子接近時，相同的原子能級分裂成n個能量不同的能級（分子軌道） 第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 45能帶能帶 (electron energy band)：許多原子聚集，由：許多原子聚集

33、，由許多許多分子分子軌道軌道組成組成的近乎連續(xù)的能級帶的近乎連續(xù)的能級帶 帶寬：能帶中最高能級與最低能級的帶寬：能帶中最高能級與最低能級的能量能量差差；與；與原子數(shù)目原子數(shù)目無關(guān)，僅取決于無關(guān)，僅取決于原子間距原子間距，間距大，帶寬窄。間距大，帶寬窄。第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 46內(nèi)、外層電子內(nèi)、外層電子的的能量能量分布分布第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 材材 料料 科科 學(xué)學(xué) 與與 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 47價帶價帶(Valence band)：價電子價電子能級展寬成的能級展寬成的能帶能帶 (可滿可不滿可滿可不滿)滿帶滿帶(Filled band)：添滿電子的價帶：添滿電子的價帶空帶空帶(Empty band)：價電子能級以上價電子能級以上的空能級展寬成的能帶的空能級展寬成的能帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶(Conduction band)：0 K時最低的可接受被激發(fā)電子的時最低的可接受被激發(fā)電子的空帶空帶禁帶禁帶(Band Gaps)：兩分離能帶間的能量間隔，又稱為：兩分離能帶間的能量間隔，又稱為能隙能隙（Eg）第二章 材料結(jié)