一、原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)可通過(guò)波函數(shù)進(jìn)行描述原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的種子構(gòu)成核外電子在具有特定能量的軌道上運(yùn)動(dòng)軌道能級(jí)越高，離核越遠(yuǎn)，其中的電子能量越大電子以吸取或輻射特定波長(zhǎng)電磁波的方式發(fā)生激發(fā)或躍遷核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可通過(guò)波函數(shù)進(jìn)行描述1、原子結(jié)構(gòu)2、四量子數(shù)n:主量子數(shù)，確定原子中電子能量以及離核平均距離，即電子層數(shù)；l:副（角）量子數(shù)，與角動(dòng)量有關(guān)，與電子能量也有關(guān)，還影響軌道的形態(tài)；ml:磁量子數(shù)，與電子運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量在z軸上的重量有關(guān)，影響原子軌道的伸展方向；ms:自旋量子數(shù)，表示電子自旋方向；以四量子數(shù)可以完整描述電子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)能量最低原理：多電子原子處在基態(tài)時(shí)，總是盡量占有能量最低的軌道Pauli不相容原理：同一軌道上能且只能排布兩個(gè)自旋方向相反的電子；Hund規(guī)則：電子將盡可能多地分占不同的等價(jià)軌道，且自旋平行（同向），符合能量最低原理3、核外電子排布規(guī)律4、電子排布規(guī)律與性質(zhì)——元素周期表原子尺寸電負(fù)性二、原子結(jié)合與結(jié)合鍵吸引力：源于異性電荷的庫(kù)侖引力，長(zhǎng)程力，與原子間距離的平方成反比；排斥力：源于同性電荷之間的庫(kù)侖斥力和Pauli不相容的排斥作用，短程力；1、原子間的相互作用力成鍵機(jī)理：電負(fù)性相差較大的兩原子相互接近時(shí)，通過(guò)得失電子形成價(jià)層全空或全滿(mǎn)的正負(fù)離子，再通過(guò)靜電作用成鍵。2、離子鍵2、離子鍵離子鍵的形成示意圖2、離子鍵離子鍵的特征在電負(fù)性相差較大的原子間形成電子在原子間發(fā)生轉(zhuǎn)移，生成離子無(wú)方向性和飽和性——每個(gè)離子被最大數(shù)目的相反離子包圍強(qiáng)度高(150～370kcal/mol，即627～1546.6kJ/mol)2、離子鍵離子化合物性質(zhì)特點(diǎn)熔點(diǎn)較高，硬度較大；易溶于水；本身導(dǎo)電性并不好，但溶于水或熔化時(shí)都能導(dǎo)電3、共價(jià)鍵成鍵機(jī)理電負(fù)性相差較小的兩原子相互接近時(shí)，價(jià)電子在雜化軌道上重排后形成共用電子對(duì)而成鍵。3、共價(jià)鍵共價(jià)鍵的特征高電負(fù)性原子間形成兩個(gè)相鄰原子間共用電子飽和性、方向性（電子云交疊有方向，價(jià)電子數(shù)量有限）高強(qiáng)度(稍低于離子鍵;125～300kcal/mol，即522.5～1254kJ/mol)3、共價(jià)鍵共價(jià)化合物的性質(zhì)特點(diǎn)高熔點(diǎn)、高硬度和強(qiáng)度；一般是絕緣體，熔融狀態(tài)下也不能導(dǎo)電。4、金屬鍵成鍵機(jī)理金屬原子相互靠近時(shí)，原子核形成緊密積累，全部原子的價(jià)電子脫離原軌道形成廣域電子云被全部原子共用。4、金屬鍵金屬鍵的特征低電負(fù)性原子間形成高強(qiáng)度(稍小于共價(jià)鍵和離子鍵;25～200kcal/mol,即104.5～836kJ/mol)無(wú)方向性：趨向于與最大數(shù)目的相鄰原子結(jié)合無(wú)飽和性：電子為全部原子共享4、金屬鍵金屬材料的性質(zhì)特點(diǎn)良好的延展性，適于機(jī)械加工良好的導(dǎo)電性良好的導(dǎo)熱性成鍵機(jī)理電負(fù)性相差較大的原子之間形成共價(jià)鍵后，共用電子對(duì)猛烈偏向電負(fù)性大的原子一側(cè)，從而使分子一端呈正電，另一端呈負(fù)電，從而可再以靜電作用成鍵。5、極化鍵（VanDerwaals鍵）5、極化鍵極化鍵的特點(diǎn)極化使分子間產(chǎn)生靜電引力（二次鍵）一般無(wú)方向性，但影響四周區(qū)域的分子弱結(jié)合力(強(qiáng)結(jié)合力的1/100；<10kcal/mol，即41.8kJ/mol)氫鍵是典型極化鍵5、極化鍵氫鍵形成示意圖5、極化鍵極化鍵對(duì)材料性質(zhì)的影響增加材料內(nèi)部的作用力；提高材料的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)；變更材料的強(qiáng)度，剛度，塑性等特性6、結(jié)合鍵小結(jié)離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵結(jié)合能較大，屬一次鍵；極化鍵結(jié)合力較弱，僅強(qiáng)結(jié)合鍵的1/100，屬二次鍵四種鍵都源于靜電作用材料中四種結(jié)合鍵并不能截然分開(kāi)。存在不同程度的過(guò)渡型通常，結(jié)合能大的材料，強(qiáng)度和熔點(diǎn)也高，但存在極化鍵的材料性能上會(huì)有很大變更三、晶體結(jié)構(gòu)與晶體學(xué)1、晶體概述定義晶體是由原子或分子在空間按確定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。留意（1）一種物質(zhì)是否是晶體是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定的，而非由外觀(guān)推斷；（2）周期性是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征。1、晶體概述（3）晶體的有序性，既要求近程有序，也要求長(zhǎng)程有序1、晶體概述晶體的特征自限性：自發(fā)形成規(guī)則外形的幾何多面體解理性：能沿確定晶面發(fā)生劈裂對(duì)稱(chēng)性：晶體旋轉(zhuǎn)確定角度后格點(diǎn)重合的特性，晶體只具有1，2，3，4，6次對(duì)稱(chēng)軸固定熔點(diǎn)：晶體的熔點(diǎn)即向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的臨界溫度各向異性：晶體在不同的方向上，性質(zhì)各不相同2、晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣陣點(diǎn)的基本特征周期性:周期性排列；同一性:每個(gè)陣點(diǎn)在空間分布必需具有完全相同的四周環(huán)境(surrounding)晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣的區(qū)分晶體結(jié)構(gòu)指原子或離子在晶體中的真實(shí)排列狀況空間點(diǎn)陣是對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的抽象和提煉晶胞是晶體結(jié)構(gòu)中能夠反映晶體周期性和對(duì)稱(chēng)性的最小平行六面體格子；晶格是對(duì)晶胞的幾何抽象和簡(jiǎn)化；晶胞與晶格選取晶胞的原則選取的平行六面體應(yīng)與宏觀(guān)晶體具有同樣的對(duì)稱(chēng)性；平行六面體內(nèi)的棱和角相等的數(shù)目應(yīng)最多；當(dāng)平行六面體的棱角存在直角時(shí)，直角的數(shù)目應(yīng)最多；在滿(mǎn)足上條件，晶胞應(yīng)具有最小的體積。a

c

b

αβγ晶格常數(shù)晶格的結(jié)構(gòu)通常用晶格常數(shù)進(jìn)描述；邊長(zhǎng)a、b、c，確定晶格的大??；夾角a、b、g，確定晶格的形態(tài)；布喇菲晶格理論上空間點(diǎn)陣中可以選取隨意多個(gè)不同的晶格，但能夠反映晶體周期性和對(duì)稱(chēng)性的晶格只有14種，即布喇菲晶格。布喇菲晶格立方晶系特點(diǎn)：a=b=c,a=b=g=90o簡(jiǎn)潔立方

體心立方

面心立方布喇菲晶格六方晶系（簡(jiǎn)潔六方）特點(diǎn)：a1=a2=a3≠c,a=b=90o,g=120o三方晶系（簡(jiǎn)潔三方）特點(diǎn)：a=b=c，a=b=g≠90o布喇菲晶格四方晶系特點(diǎn)：a=b≠c，a=b=g=90o簡(jiǎn)潔四方體心四方布喇菲晶格正交晶系特點(diǎn)：a≠b≠c，a=b=g=90o簡(jiǎn)潔正交

底心正交體心正交

面心正交布喇菲晶格三斜晶系（簡(jiǎn)潔單斜）特點(diǎn)：a≠b≠c，a≠b≠g≠90o單斜晶系特點(diǎn)：a≠b≠c，a=b=90o≠g簡(jiǎn)潔單斜底心單斜原胞定義：能反映晶體結(jié)構(gòu)周期性的最小重復(fù)單元原胞與晶胞的比較晶格所含的基元數(shù)由于晶體具有周期性，晶格不同位置的基元被不同的晶格所共用晶格所含的基元數(shù)晶格內(nèi)格點(diǎn)的方位可用晶向表示，晶向可用晶向指數(shù)（密勒指數(shù)）記作[UVW]晶向指數(shù)計(jì)算方法1）確定坐標(biāo)系2）從原點(diǎn)動(dòng)身朝目標(biāo)格點(diǎn)做始終線(xiàn)3）取目標(biāo)格點(diǎn)坐標(biāo)與原點(diǎn)坐標(biāo)相減，結(jié)果相約，取最小整數(shù)比4）結(jié)果數(shù)組外加方括號(hào)，負(fù)號(hào)記在對(duì)應(yīng)數(shù)字上方，即為晶向指數(shù)晶向指數(shù)晶向指數(shù)重要晶向示例晶向指數(shù)晶向指數(shù)要點(diǎn)一個(gè)晶向指數(shù)代表著相互平行、方向一樣的全部晶向；由于晶格具有周期性，成倍數(shù)關(guān)系的晶向指數(shù)表示的是同一晶向由于晶格的對(duì)稱(chēng)性，部分晶向完全等價(jià)，如立方晶系中,等價(jià)晶向可用晶向族表示<100>由于晶體的對(duì)稱(chēng)性，間距相同的晶面具有相同的性質(zhì)，這些晶面可用晶面指數(shù)表示為（hkl）晶面指數(shù)的計(jì)算方法1）在所求晶面外取一格點(diǎn)作為原點(diǎn)，由格點(diǎn)伸展出的三條棱作為坐標(biāo)軸；2）以晶格常數(shù)a、b、c為單位，求出晶面在各坐標(biāo)軸上的截距；3）取截距的倒數(shù)，化作互質(zhì)整數(shù)比，加括號(hào)即為晶面指數(shù)晶面指數(shù)晶面指數(shù)晶面計(jì)算實(shí)例晶面指數(shù)晶面指數(shù)要點(diǎn)晶面指數(shù)表示的是一組相互平行，間距相等的晶面；由于晶格具有對(duì)稱(chēng)性，晶面與其負(fù)晶面是相同晶面；由于晶格具有周期性，晶面指數(shù)成倍數(shù)關(guān)系的晶面不確定相同，即晶面指數(shù)不需約至最簡(jiǎn)比；六方晶系指數(shù)六方晶系具有特殊的對(duì)稱(chēng)性，常用密勒-布喇菲指數(shù)表示其晶向和晶面密勒-布喇菲晶向指數(shù)[uvtw]，t=-(u+v)密勒-布喇菲晶面指數(shù)(hkil)，i=-(h+k)三指數(shù)與四指數(shù)的轉(zhuǎn)換密勒晶向指數(shù)[UVW]密勒-布喇菲晶向指數(shù)[uvtw]u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W密勒晶面指數(shù)(hkl)密勒-布喇菲晶面指數(shù)(hkil)h=h,k=k,i=-(h+k),l=l晶格致密度晶格致密度密排六方致密度格點(diǎn)數(shù)：致密度：面心立方與密排六方的堆垛方式密排六方ABABABAB……面心立方ABCABCABC……manbpc兩相鄰近平行晶面間的垂直距離—晶面間距，用dhkl表示dhkl求解方法（以正交晶系為例）：晶面間距不同晶系的晶面間距留意：以上計(jì)算式是對(duì)簡(jiǎn)潔晶胞而言，假如為困難晶胞，在計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮到晶面層數(shù)增加的影響晶面密度晶面密度與晶面間距之間關(guān)系的示意圖晶面密度計(jì)算方法例：計(jì)算晶格常數(shù)為a的BCC晶體（100）晶面的晶面密度。abc(100)a解：如圖截取晶胞的（100）截面晶面面積：晶面上原子數(shù)目：晶面密度：立方晶體各主要晶面的原子排列與晶面密度2.3.12線(xiàn)密度3、準(zhǔn)晶、非晶和液晶非晶基元呈無(wú)序排列，但基元結(jié)構(gòu)具有確定規(guī)律性，即短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序玻璃金屬玻璃非晶態(tài)高分子聚合物通常宏觀(guān)上勻整，具有各向同性結(jié)構(gòu)處于亞穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)晶晶體只有1，2，3，4，6次對(duì)稱(chēng)軸；具有其他對(duì)稱(chēng)軸的，即晶格排列只有對(duì)稱(chēng)性而無(wú)周期性的即為準(zhǔn)晶態(tài)（quasi-crystallinestate）具有五次對(duì)稱(chēng)軸定向長(zhǎng)程有序但無(wú)重復(fù)周期的圖形液晶（LiquidCrystals）液晶是晶體和液體之間的中間狀態(tài)，液晶具有液體的流淌性，又具有晶體的某些各向異性。向列相近晶相膽甾相液晶（LiquidCrystals）液晶的性質(zhì)液晶不是固體，具有確定的流淌性也不是液體，它的分子有明顯的取向性液晶分子具有一維或二維的長(zhǎng)程有序，在光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)方面具有各向異性液晶的應(yīng)用雖然液晶的分子不固定，有流淌性，但其分子軸基本上定向。這種定向排列會(huì)影響液晶的光學(xué)性能，而液晶分子排列狀態(tài)可受到外在電場(chǎng)的調(diào)控。所以液晶常用來(lái)作液晶顯示器4、材料結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)探討對(duì)于晶體材料，有多種方法對(duì)其空間點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征：X射線(xiàn)衍射電子衍射掃描隧道顯微鏡原子力顯微鏡X射線(xiàn)衍射1912年Laue通過(guò)試驗(yàn)視察到了X射線(xiàn)的衍射現(xiàn)象，同時(shí)證明白X射線(xiàn)的波動(dòng)性和空間點(diǎn)陣的存在。19