材料科学基础教学课件 第一章 原子与结构键合.pdf

材料科学是研究材料的性能、结构、加工工艺及其相互关系的科学，而材料的微观结构是决定材料性质最为本质的内在因素。第一章“原子与结构键合”主要探讨了物质的组成，原子的电子结构，以及原子间键合的本质，并且涉及了元素周期表的基础知识。这些内容是理解材料科学的基础，同时也是材料设计与应用的理论基础。 物质是由原子组成的，原子的电子结构是原子间键合本质的关键，决定了材料的分类以及性能。原子由质子（带正电）、中子（电中性）和电子（带负电）构成。电子在核外按照能量和空间分布，形成了电子云。电子结构用四个量子数来描述，分别是主量子数、轨道动量量子数、磁量子数和自旋角动量量子数。这些量子数定义了电子在原子中的空间位置和能量状态。 原子的电子排布遵循Pauli不相容原理、能量最低原理和Hund原则。Pauli不相容原理指出，一个原子中不能有两个电子拥有完全相同的四个量子数。能量最低原理指出，电子总是占据能量最低的轨道。Hund原则说明，在多电子的原子中，未成对电子会尽量分布于不同的轨道上，以保持电子间的排斥最小。 元素周期表是根据原子序数（即核电荷数）排列的，展示了元素的周期性和族特性。元素周期表中的元素可以分为116种，包括金属、非金属和稀有气体（惰性气体）。同周期元素的核电荷数递增，而同族元素具有相似的外层电子数，导致它们在化学性质上有共通之处。 原子间的键合类型主要有三种：金属键、共价键和离子键。金属键是由金属原子中的自由电子构成的，这些自由电子在整个晶格中自由运动，使得金属具有良好的导电性、延展性和热传导性。共价键是通过共享电子对的方式实现的，常见于非金属元素之间。离子键是通过正负离子之间的电荷吸引形成的，常见于金属与非金属之间，如食盐（NaCl）中钠离子和氯离子之间。 材料的微观结构包括组成材料的元素原子结构、原子间的相互作用和结合方式、原子或分子在空间中的排列规律以及原子集合体的形态特征。这些微观结构特征决定了材料的宏观性能，如物理性质、化学性质和力学性质等。 第一章“原子与结构键合”为我们展示了物质的基本构成单位——原子的结构和性质，以及不同类型的化学键是如何形成和影响材料特性的。了解这些基础知识对于深入研究材料科学和工程是至关重要的。