2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、材料物理(材料科學(xué)基礎(chǔ)),物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李強2007.1st Term,Xinjiang University,2024/3/20,材料結(jié)構(gòu)的層次,原子結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu),顯微結(jié)構(gòu),宏觀結(jié)構(gòu),,原子結(jié)構(gòu)及其鍵合是各種固體理論的基本出發(fā)點;原子結(jié)構(gòu)中最關(guān)心的電子結(jié)構(gòu)。,Xinjiang University,2024/3/20,第一章 原子的結(jié)構(gòu)和鍵合,原子的結(jié)構(gòu)原子的鍵合(原子核與核外電子的靜電庫侖相互作用),Xinjian

2、g University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu),原子的結(jié)構(gòu),原子核在原子中只占了很小的體積,但集中了絕大部分的質(zhì)量。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu),電子軌道的經(jīng)典模型(Bohr模型)和量子模型,Bohr Model,Quantum ModelProbability wave,Xinjiang University,2024/3/20,§

3、;1-1 原子的結(jié)構(gòu),原子量以C12質(zhì)量的1/12為單位表示,即一個質(zhì)子(中子)相當(dāng)于單位1。另外,lmol質(zhì)子(中子)的質(zhì)量巧合為1 g。,問題:為什么元素的原子量都不是整數(shù)?,元素的原子量 = 該元素所有同位素對其豐率的加權(quán)平均。,例: Cr的原子序數(shù)為24, 有4種同位素(豐率見下),計算Cr的原子量。⑴ P(Cr50)=4.31%; ⑵ P(Cr)=83.76%;⑶ P(Cr53)=9.55%;⑷ P(Cr54)=2.38

4、%。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)(原子的電子結(jié)構(gòu)),原子的電子軌道原子中一個電子的軌道(狀態(tài))由四個量子數(shù)確定。主量子數(shù)n:n = 1,2,3,…… K, L, M,……決定了軌道與原子核的平均距離以及電子的能量。軌道角動量量子數(shù)l:l = 0,1,2,3,……,n-1 s, p, d, f,……反

5、映了電子軌道的形狀。軌道磁量子數(shù)m:m = 0,±1, ±2,……,±l軌道角動量在外磁場方向的投影值。自旋磁量子數(shù)ms:ms = ±1/2電子自旋角動量在外磁場方向的投影值。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)(原子的電子結(jié)構(gòu)),核外電子的排布規(guī)律能量最低原理: ⑴ 電子的能量主要取決于n,此外也與l有關(guān) (屏蔽效應(yīng))。

6、 ⑵ 屏蔽效應(yīng)(形狀越發(fā)散的軌道受到的屏蔽越多,使軌道能量升高)導(dǎo)致能級交錯現(xiàn)象。 ⑶ 對于小原子序數(shù)的原子有下面的經(jīng)驗公式:for atom: E = n + 0.7 l;for ion: E = n + 0.7 l泡利Pauli不相容原理:洪德Hund法則: ⑴ 全充滿,半充滿或全空的軌道較穩(wěn)定。 ⑵ 自旋趨于平行排列。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)

7、構(gòu)(原子的電子結(jié)構(gòu)),核外電子的排布規(guī)律,討論:請寫出下列元素的電子排布式。C(6) V(23)Cr(24)W(74),,1s22s22p21s22s22p63s23p63d34s21s22s22p63s23p63d44s21s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p65d56s1,→ 1s22s22p63s23p63d54s1,→ 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s

8、25p65d46s2,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)(元素周期表),元素周期表Periodic Table,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)(元素周期表),元素周期表的周期和族最大的主量子數(shù)n → 元素所在的周期最外層的電子數(shù) → 元素所在的族主族:最外層電子來自同一個殼層副族:最外層電子來自不同的殼層,討

9、論① :第n殼層能容納的電子數(shù)(軌道數(shù))Nn。n殼層中: l = 0, 1, 2, …, n-1 共n個每個l 中m可取:0, ±1, ±2, …,±l 共2l+1個∴n=1, 2, 3, 4, … Nn=2, 8, 18, 32, …,,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)(元素周期表),,討論②:各周期中元素的數(shù)目。

10、I:1s1 ~ 1s2共2個II:2s1 ~ 2s22p6共8個III:3s1 ~ 3s23p6 (能級交錯E3d > E4s) 共8個VI:∵ E4d > E5s, 4s1 ~ 4s24p6, 8個主族元素,另外, 3d殼層有10個過渡族元素, ∴共18個 …,Info:關(guān)于過渡族元素,鑭系元素和錒系元素。凡最外層電子填充在d軌道→過渡族元素;凡最外層電子

11、填充在4f軌道→鑭系元素;凡最外層電子填充在5f軌道→錒系元素。,,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)(元素周期表),元素周期表中的周期性規(guī)律,電負(fù)性electronegativity: 反映了原子吸引電子的能力。 EN= 0.18( IE + EA),電離能: 對同一周期的元素,最外層電子排布為半充滿,全充滿,以及ns2np6時較穩(wěn)定。,Xinjiang Univers

12、ity,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu),元素的電負(fù)性,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合,共同的特點:鍵合后各原子的外層電子結(jié)構(gòu)要構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),如1s2, ns2np6, (n-1)d10ns2np6, …,,結(jié)合鍵,化學(xué)鍵,物理鍵,,金屬鍵,離子鍵,共價鍵,,范德瓦爾斯鍵,氫鍵,,極性共價鍵,非極性共價鍵,Xinjiang University,20

13、24/3/20,§1-2 原子間的鍵合(化學(xué)鍵),金屬鍵,特點 :金屬鍵既無方向性,也無飽和性。這導(dǎo)致金屬傾向于密堆積排列,fcc, hcp, bcc;良好的導(dǎo)電性,導(dǎo)熱性,好的延展性。,金屬原子的最外層電子數(shù)少,極易擺脫原子核的束縛成為自由電子。自由電子可在整個金屬中自由運動,被共有化。金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子

14、間的鍵合(化學(xué)鍵),離子鍵,特點 :以離子而不是以原子為結(jié)合單元,要求正負(fù)離子相間排列;無方向性和飽和性,這導(dǎo)致離子晶體一般具有較高的配位數(shù);結(jié)合牢固,熔點和硬度較高,良好的電絕緣體。,大多數(shù)的鹽類、堿類以及金屬氧化物通過離子鍵結(jié)合。通過電子轉(zhuǎn)移,形成各自穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的帶電的正負(fù)離子,通過庫侖相互作用結(jié)合在一起。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合(化學(xué)鍵),共價鍵,亞金屬(C

15、,Si,Sn,Ge)、聚合物,無機非金屬材料。由兩個或多個電負(fù)性相差不大的原子間通過共用電子對而形成的化學(xué)鍵。,特點 :有方向性:除s軌道,其它軌道都有一定的方向性,鍵的方向沿著電子云重疊最大的方向;有飽和性:導(dǎo)致配位數(shù)較少;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,熔點高,硬,脆,導(dǎo)電性差。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合(化學(xué)鍵),共價鍵,Si晶體,sp軌道雜化,Xinjiang Univers

16、ity,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合(化學(xué)鍵),共價鍵,SiO2晶體,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合(物理鍵),范德瓦爾斯鍵,特點 :與R-6成正比;鍵能比化學(xué)鍵小1~2個數(shù)量級;無方向性和飽和性,趨向密堆積排列。,是惰性氣體以及許多有機分子晶體的主要的吸引相互作用。電中性的原子(分子),由于相互作用而瞬時產(chǎn)生電荷的不均勻分布,形成電偶極矩。在

17、電偶極矩的作用下,將電中性的原子(分子)結(jié)合在一起。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合(物理鍵),氫鍵,特點 :形成氫鍵的條件: (1) 分子中必須有氫;(2) 另一個元素必須是顯著的非金屬元素。鍵能大小介于化學(xué)鍵和范德瓦爾斯鍵之間。,當(dāng)氫原子核外電子被其它原子所共有,使氫端成為裸露的帶正電的原子核。它與鄰近分子的負(fù)端相互吸引,從而形成氫鍵。,問題:盡管HF的相對分子質(zhì)量比

18、較低,但HF的沸點(19.4℃)遠(yuǎn)大于HCl(-85℃)。請解釋原因。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合(總結(jié)),原子間結(jié)合鍵總結(jié):,鍵能的大小反映了材料的熔點。,方向性與材料的延展性有關(guān)。,導(dǎo)電性與原子的最外層電子有關(guān)。,飽和性決定了晶體結(jié)構(gòu)中原子的配位數(shù)及致密度。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合(總結(jié)),電子云的

19、交疊:,,,,,,,范德瓦爾斯鍵,離子鍵,,,金屬鍵,,,,共價鍵,,價電子軌道交疊形成能帶。,形成分子軌道軌道雜化。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合(總結(jié)),實際材料中單一結(jié)合鍵的情況并不多。,價鍵四面體,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合(總結(jié)),實際材料中單一結(jié)合鍵的情況并不多。范德瓦爾斯鍵會存在于所有的晶體中

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