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1、材料科学基础绪论 材料科学基础全册配套最完整 精品课件1 材料科学基础绪论 材料科学基础 材料科学基础绪论 p材料是人类用于制造物品、器件、构 件、机器或其他产品等物质。 3 材 料 （燃料和化学原料、工业化学用品、食物和药物等） 材料科学基础绪论 p是人类生存和发展的基础； p是社会进步的物资基础； p人类进步程度的主要标志； p人类社会文明发展的里程碑 人类使用材料的七个的开始时间 公元前10万年石器时代 公元前3000年青铜器时代 公元前1000年铁器时代 公元0水泥时代 1800年钢时代 1950年硅时代 1990年新材料时代 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 材料

2、科学基础绪论 材料科学基础绪论 p能源、信息和材料为现代技术的三大支柱； 20世纪80年代以高技术群为代表的新技术革 命，把新材料、信息技术和生物技术并列为 新技术革命的重要标志。 p材料的品种、数量和质量已是衡量一个国家 技术和国民经济以及国防力量的重要标志之 一。 材料科学基础绪论 材料科学与工程材料科学与工程 Materials Science and Engineering 工程材料科学与设计工程材料科学与设计 The Science and Design of Engineering Materials 材料科学基础绪论 p材料科学：20世纪60年代初，1957年苏联 人造卫星上天，

3、美国震惊，认为落后的主 要原因之一是先进材料的落后，于是在一 些大学相继成立了材料研究中心采用 先进的科学理论与实验方法对材料进行深 入的研究，取得重要成果，从此“材料科 学” 名词开始流行。 p工程材料：用于工程结构和机器零件及元 器件的材料。 材料科学基础绪论 p工程的定义：通过学习，经验和实践获得的 数学和自然科学知识，依据判断来建立经济 利用材料和自然力得以造福人类的方法。 p工程是一种综合性的活动，而科学是单一性 的活动。科学家把问题分解成最为基础的要 素来阐明基本原理，与之相反，工程师常常 使用直觉的总体（经验性）的方法。即：综 合各方面专业知识来解决问题与制造产品， 而不必对所涉

4、及的问题有完整基础的了解。 （P4） 材料科学基础绪论 “材料科学与工程”概念 及特点 第一部第一部材料科学与工程百科全书材料科学与工程百科全书 有美国麻省理工的科学家主编，由英国有美国麻省理工的科学家主编，由英国 PergamonPergamon自自19861986年陆续出版。它对材料年陆续出版。它对材料 科学与工程的定义为：材料科学与工程科学与工程的定义为：材料科学与工程 就是研究有关材料组成、结构、制备工就是研究有关材料组成、结构、制备工 艺流程与材料性能和用途的关系的知识艺流程与材料性能和用途的关系的知识 的产生及其运用。的产生及其运用。 材料科学基础绪论 Performance Pr

5、operties Synthesis and Processing Compositions and Structures 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 原子结构原子结构显微组织显微组织 材料的性能材料的性能 内部结构内部结构 原子键合原子键合原子排列原子排列 晶晶 体体非晶体非晶体 规则排列规则排列不规则排列不规则排列 2.原子尺度的结构原子尺度的结构 3.晶体结构晶体结构 4.点缺陷与扩散点缺陷与扩散 5.线、面和体缺陷线、面和体缺陷 6.非晶态与半晶态材料非晶态与半晶态材料 7.相平衡与相图相平衡与相图 8.组织转变动力学与显微组织转变动力学与显微 组织组织 材料科学基础绪论 p

6、学习任务： u牢固地掌握各种基本概念、基本原理；掌握 材料的结构、组织、化学成份、制备技术及 性能之间的关系。 u能够应用所学的理论知识分析实际问题。 u掌握开展材料科学基础理论研究的基本方法 和从事材料科学基础理论研究的基本思路。 材料科学基础绪论 主要参考书 p1.潘金生等. 材料科学基础.清华大学出版社 .1998 p2.胡赓祥等. 材料科学基础.上海交通大学出 版社.2000 p3.冯端. 材料科学导论. 化学工业出版社. 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 课时及考核 p8周，48课时； p考试平时成绩（考勤、作业） p8090%考试成绩1020平

7、时成绩 材料科学基础绪论 p化学组成:成分与微结构决定性能，性能导致应用 金属、无机非金属材料、聚合物、复合材料、半导体 p性能:导电、绝缘、半导体、磁性、透光、高强度、 高温、超硬材料等。 p应用领域:航空、航天、交通、船舶、建筑、仪表、 电子、医学、能源等。 p结晶状态(单晶材料、多晶材料、非晶态材料、准晶材料) p材料尺寸 (零维材料、一维材料、二维材料、三维材料) 材料科学基础绪论 p黑色金属材料 化学成分碳素钢、合金钢 品 质普通、优质、高级优质 组 织珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体 灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 特殊性能铸铁 钢 铸铁铸铁 合金是由两种或两种以上的金属元素，

8、或金是由两种或两种以上的金属元素，或金 属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有 金属特性的新物质。合金的性质与组成合金金属特性的新物质。合金的性质与组成合金 的各个相的性质有关，同时也与这些相在合的各个相的性质有关，同时也与这些相在合 金中的数量、形状及分布有关。金中的数量、形状及分布有关。 材料科学基础绪论 p有色金属 p 轻金属 (4.58/cm2):Cu、Ni、Pb、Zn p 贵金属: Au、Ag、Pt p 类金属(半金属): Si、Se、As、B p 稀有金属：Ti、Li、W、Mo p 常用的金属材料：Al、Cu 、Zn、 Sn、Mg、 Ni 材料

9、科学基础绪论 主要是金属键，有些金属具有共价键 有金属光泽 强度高、韧性好，可加工成复杂形状 导热、导电性好， 正的温度系数 在空气中易氧化 材料科学基础绪论 分类 传统的无机非金属材料：主要是指由SiO2及其硅酸 盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃 、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、碳素材 料、非金属矿(石棉、云母、大理石等)也属于传统 的无机非金属材料。 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 先进（或新型）无机非金属材料：是用氧 化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物 、硅化物以及各种无机非金属化合物经特 殊的先进工艺制成的材料。主要包括先进 陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层

10、 、无机纤维等。 材料科学基础绪论 p先进陶瓷也称之为特种陶瓷，是用于各种现 代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包 括结构陶瓷和功能陶瓷。 p结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温 、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热 等场所。 p功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生 物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。 材料科学基础绪论 p以陶瓷为例，其它有较大差别 离子键、共价键及其混合键； 硬而脆 熔点高、耐高温抗氧化 导热、导电性差 耐化学腐蚀性性好 耐磨 成型方式为粉末制坏、烧制成型 材料科学基础绪论 p分子质量大于104以上的有机化合物称为高分子材料 ，是由许多小分子聚合而成，故又称为聚合物

11、或高 聚物。原子之间由共价键结合，分子之间由范德瓦 尔键连接。 p聚合物的小分子化合物称为单体，组成聚合物长链 的基本结构单元则称为链节。聚合物长链的重复链 节数目，称为聚合度。 材料科学基础绪论 按主链结构按主链结构 碳链 CCC p 杂链 CNC=O COC 材料科学基础绪论 按使用性质按使用性质 p 塑料Plastics(通用,工程,热塑性,热固性) p 橡胶Ruber (天然、合成) p 纤维Fiber(人造、合成) p 粘合剂Adhesive p 涂料Coating 材料科学基础绪论 的特点是室温弹性高，即使在很小的外力作用 下，也能产生很大的形变（可达1000%），外力去 除后，能

12、迅速恢复原状。其弹性模量小，约 105104Pa。 p常用的橡胶有天然橡胶（异戊橡胶）、丁苯橡胶、 顺丁橡胶（聚丁二烯）、乙丙橡胶和硅橡胶等。 材料科学基础绪论 的弹性模量较大，约1091010Pa。受力时，形 变不超过百分之二十。纤维大分子沿轴向作规则排 列 ， 其 长 径 比 较 大 ， 在 较 广 的 温 度 范 围 （ - 50150）内，机械性能变化不大。常用的合成 纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。 材料科学基础绪论 的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107 108Pa。温度稍高些，受力形变可达百分之几至 几百。有些塑料的形变是可逆的，有些塑料的形 变是永久的。 材料科学基础绪论 p

13、根据塑料受热时行为的不同，分为和 塑料两类。前者受热时可以塑化和软化， 冷却时则凝固成形，再加热又可塑化软化。聚 乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类；后 者在受热时可塑化和软化，并通过化学反应， 使之固定成型，但冷却后不能再加热软化，酚 醛塑料和脲醛塑料就属此类。 材料科学基础绪论 主链为共价键，分子间为二次键结合 分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度 Tg和粘流温度Tf； 力学状态有三态(玻璃态、高弹态、粘流态) 密度小 绝缘性好(也有部分可以导电) 优越的化学稳定性 成型方法多 材料科学基础绪论 p 结构材料：电视机壳、冰箱壳体，机械零件等。 p 绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零

14、件 p 建筑材料：贴面板、地贴 p 包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料 p 涂 装：涂料 p 粘 合 剂：粘合剂 p 日 用：织物（衣服）胶鞋 p 运 输：轮胎，传送带 p 航空航天：结构件 材料科学基础绪论 1.定义 p由两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组 分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料， 且各组分材料之间具有明显的界面。 p有连续相的基体(如聚合物树脂、金属、陶瓷等) 与分散相的增强体材料(如各种纤维、织物及粉末 填料等)组成的多相体系。 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或 称谓玻璃钢。由于所使用的树脂品

15、种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚 醛玻璃钢之称。 材料科学基础绪论 2、分类 A、按用途分类 n结构复合材料： 以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所 应用，主要用于结构承力或维持结构外形。 n功能复合材料： 以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用， 用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、 磁的功能要求。 B、按基体分类 金属基复合材料、聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料 C、按增强相分类：颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料 材料科学基础绪论 金属基复金属基复 合材料合材料 非金属基非金属基 复合材料复合材料 复合材料复合材料 高聚物基高聚物基 复合材

16、料复合材料 陶瓷基复陶瓷基复 合材料合材料 树脂基复树脂基复 合材料合材料 橡胶基复橡胶基复 合材料合材料 热固性树脂热固性树脂 基复合材料基复合材料 热塑性树脂热塑性树脂 基复合材料基复合材料 材料科学基础绪论 颗粒增强颗粒增强 复合材料复合材料 纤维增强纤维增强 复合材料复合材料 复合材料复合材料 连续纤维连续纤维 复合材料复合材料 不连续纤维不连续纤维 复合材料复合材料 层合层合 结构结构 复合复合 材料材料 缠绕缠绕 结构结构 复合复合 材料材料 颗粒强化颗粒强化 复合材料复合材料 弥散强化弥散强化 复合材料复合材料 多向多向 编织编织 复合复合 材料材料 短切短切 纤维纤维 复合复合

17、 材料材料 晶须晶须 复合复合 材料材料 颗粒直径范围颗粒直径范围150m，颗颗 粒体积含量粒体积含量2570%，增强颗增强颗 粒之间的距离一般大于粒之间的距离一般大于1m。 颗粒的作用：由于颗粒本身的颗粒的作用：由于颗粒本身的 刚硬阻止基体变形而起到增强刚硬阻止基体变形而起到增强 作用。作用。 颗粒直径范围颗粒直径范围0.010.1 m， 颗粒体积含量颗粒体积含量115。颗颗 粒的作用：阻止基体材料的粒的作用：阻止基体材料的 位错运动而起到增强作用。位错运动而起到增强作用。 由无纬布或纤维由无纬布或纤维 织物铺叠而成织物铺叠而成 由纤维粗纱缠由纤维粗纱缠 绕或纤维织物绕或纤维织物 带按一定缠

18、绕带按一定缠绕 规律卷绕而成规律卷绕而成 由纤维在三维多由纤维在三维多 方向编织而成方向编织而成 材料科学基础绪论 3、组成： 基体材料(连续相)：粘结、保护纤维，并传递应力 增强材料(分散相) 4、命名方法 (1)强调基体 强调了基体材料的种类和特征。如：酚醛树脂 基复合材料、铝合金基复合材料等 (2) 强调增强体 强调增强材料的种类和性质。如： 碳纤维复合材料、金属纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等 (3) 基体与增强体并用 即同时出现基体材料和增强体材料 碳纤维增强环氧树脂复合材料、玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂 复合材料等。 材料科学基础绪论 航空航天材料：发动机（高温合金，金属基复合材料，

19、陶瓷与陶瓷基复合材料）、航空航天材料：发动机（高温合金，金属基复合材料，陶瓷与陶瓷基复合材料）、 汽轮机部件（纤维增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料）、火箭喷嘴（难熔金属）等。汽轮机部件（纤维增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料）、火箭喷嘴（难熔金属）等。 材料科学基础绪论 p1.概念 半导体的电导率一般在10510-8(cm)-1 ，介于金属和绝缘体之间。也可以用电导率 的倒数即电阻率的数值来表征半导体。 材料科学基础绪论 2.半导体材料的结构 材料科学基础绪论 ：现代量子物理学认为原子的可能状态是不连续 的，因此各状态 对应能量也是不连续的。这些能量值 就是能级。 ：由于元素价电子的作用力导

20、致能级分裂，能级 差越来越小，能级越来越密最终形成一个几乎是联成 一片且具有一定上下限的能级，称为能带。 ：被价电子占据的允带（低温零度时通常被价电 子占满）。 ：在绝对零度温度下，半导体的价带是满带，受 到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁 带，进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导 带。 ：不允许电子存在的能量范围。 材料科学基础绪论 3.半导体材料特性 p一般半导体的电导率随温度的升高迅速地 增大 p光照可以引起半导体电学性质的变化 p一些半导体具有比金属强得多的温差效应 p杂质对半导体性质有着决定性的作用(掺杂 P345) 材料科学基础绪论 4.半导体材料分类 p元素半导

21、体(Si、Ge、S、Se、Te等) p化合物半导体 p -族化合物：CdS、CdSe、ZnS、ZnSe p -族化合物：GaAs、InP、GaP、Insb p -族化合物：SiC p 此外还有CuAlS2、ZnSiP2等。 p固溶体半导体 p Ge-Si、(Ga1-xAlx)As、 HgxCd1-xTe、Pb(Se1- xTex)等 p非晶半导体、有机半导体 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 材料的性能与材料工程 u力学性能 u电学性能 u介电和光学性能 u磁学性能 u热学性能 u与环境的交互作用（耐腐蚀材料和环境友好 材料） 材料科学基础绪论 工程专家的道德规范 p1.个人的学术道德和职业

22、道德 p2.团队合作精神 p3.社会责任 材料科学基础绪论 p材料科学基本概念、内涵 p材料体系的分类及特性 p材料的性质和材料工程 p工程专家的道德规范 材料科学基础绪论 原子尺度的结构 材料科学基础绪论 p 虽然材料的性能取决于各种尺度的结构 形式，但也有许多特性是仅决定于 ： 原子的类型 原子间键的类型 原子的堆垛方式 材料科学基础绪论 2.1 引言 p问题： u为什么金属是好的导电体而陶瓷和塑料通常是好 的绝缘体吗? u为什么橡胶随外力的作用而伸长但金属却相当刚 硬?为什么金刚石能够切开其它材料? u为什么钢能够承受相当大的冲击载荷，而陶瓷在 相当小的冲击载荷下就破断? u为什么氧化物

23、和聚合玻璃透明而其它材料却不透 明? u为什么某些材料受热时比其他材料膨胀更多? 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 Transparent Translucent Opaque 材料科学基础绪论 2.2 原子结构 p 所有的物质都是由原子构成，原子又是由电 子、质子和中子构成。原子的特性取决于许多因 素，包括： u原子序数原子序数 u原子中电子或质子的数目原子中电子或质子的数目 u原子质量原子质量 u电子在围绕原子核的轨道中的空间分布电子在围绕原子核的轨道中的空间分布 u在原子中加入或去除一个或多个电子，从而产生带在原子中加入或去除一个或多个电子，从而产生带 电离子的难易程

24、度。电离子的难易程度。 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 1811年提出的分子假说：同体积的气 体，在相同的温度和压强下，含有同 数目的分子。 阿伏伽德罗（A.Avogadno） 1776 1856 意大利科学家，都灵大学数学和物理学教授。 231 6.022169 10 A Nmol 材料科学基础绪论 迈克尔法拉第 （Michael Faraday，17911867） 英国物理学家、化学家，皇家研究所 化学教授。 1833年，提出电解定律，1mol任何原子的单 价离子永远带有相同的电量-即法拉第常数。 材料科学基础绪论 1874 1874年，年，斯迪尼（斯迪尼（G.T.StoneyG.T.

25、Stoney）综合上述综合上述 两个定律，指出原子所带电荷为一个电荷的整两个定律，指出原子所带电荷为一个电荷的整 数倍，这个电荷是斯迪尼提出，用数倍，这个电荷是斯迪尼提出，用“电子电子”来来 命名这个电荷的最小单位。命名这个电荷的最小单位。但实际上确认电子但实际上确认电子 的存在，却是的存在，却是2020多年后多年后汤姆逊汤姆逊的工作的工作. . 材料科学基础绪论 18971897年，年，通过阴极射线管的实验通过阴极射线管的实验 发现了电子，并进一步测出了电子荷发现了电子，并进一步测出了电子荷 质比：质比：e/me/m。 汤姆逊（汤姆逊（J.J.ThomsonJ.J.Thomson）18561

26、940。 英国物理学家，电子的发现者。 1906年获诺贝尔奖金物理学奖。 2 qE mRB 材料科学基础绪论 （Robert Andrews Millikan 1868-1953） 1910年密立根(Millikan)在著名的“液滴实验” 中测定了电子电荷，他的数值为 绝对静电单位，即 库仑，很多 年来一直被认为是最精确的数值，密立根因此获 得了1923年诺贝尔物理学奖。 10 4.78 10 19 1.59 10 密立根发现电荷是量子化的，即任何电荷都只能是电子电荷量密立根发现电荷是量子化的，即任何电荷都只能是电子电荷量e的整数倍。的整数倍。 材料科学基础绪论 在在汤姆逊汤姆逊(Thomso

27、n)(Thomson)发现电子之后发现电子之后, ,对于对于 原子中正负电荷的分布他提出了一个在当时原子中正负电荷的分布他提出了一个在当时 看来较为合理的模型看来较为合理的模型. . 即即原子中带正电部分均匀分布在原子体原子中带正电部分均匀分布在原子体 内内, ,电子镶嵌在其中，人们称之为电子镶嵌在其中，人们称之为 葡萄干面葡萄干面 包模型包模型. 材料科学基础绪论 卢瑟福（卢瑟福（Ernest Rutherford） 1871 1937 加拿大马克歧尔大学物理学教授，曼 彻斯特大学物理学教授，剑桥大学教 授。1908年因对放射化学的研究荣获 诺贝尔化学奖。 19111911年设计了年设计了粒

28、子粒子散射实验散射实验, ,基于大角度散射基于大角度散射, , 提出了提出了原子的核式模型原子的核式模型. . “就像你用一枚15英寸的炮弹轰击一张薄纸被 弹回并击中你一样不可思议。” 卢瑟福 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 原子中心有一个极小的原子核，它集中了全原子中心有一个极小的原子核，它集中了全 部的正电荷和几乎所有的质量，所有电子都分部的正电荷和几乎所有的质量，所有电子都分 布在它的周围布在它的周围. . 材料科学基础绪论 卢瑟福根据设想的模型，从理论上推导出 散射公式，并被盖革-马斯顿实验所验证，核 式模型从而被普遍接受。 2. 2.原子的同一性原子的同一性 3

29、. 3.原子的再生性原子的再生性 1. 1.原子的稳定性原子的稳定性 卢瑟福模型卢瑟福模型的困难：的困难： 经典物理学告诉我们，任何带电粒子经典物理学告诉我们，任何带电粒子 在作加速运动的过程中都要以发射电磁在作加速运动的过程中都要以发射电磁 波的方式放出能量，电子在绕核作加速波的方式放出能量，电子在绕核作加速 运动的过程就会不断地向外发射电磁波运动的过程就会不断地向外发射电磁波 （发射光谱应是连续光谱发射光谱应是连续光谱 ）而不断失去）而不断失去 能量，以致轨道半径越来越小，最后湮能量，以致轨道半径越来越小，最后湮 没在原子核中，并导致原子坍缩。没在原子核中，并导致原子坍缩。 材料科学基础绪

30、论 p事实上原子是稳定的，原子所发射的光谱是线状的，而不 是连续的。这些事实表明：从研究宏观现象中确立的经典 电动力学，不适用于原子中的微观过程。 2. 2.原子的同一性原子的同一性 任何元素的原子都是确定的，某一元素的所任何元素的原子都是确定的，某一元素的所 有原子之间是无差别的，这种原子的同一性是有原子之间是无差别的，这种原子的同一性是 经典的行星模型无法理解的。经典的行星模型无法理解的。 3. 3.原子的再生性原子的再生性 一个原子在同外来粒子相互作用以后，这个一个原子在同外来粒子相互作用以后，这个 原子可以恢复到原来的状态，就象未曾发生过原子可以恢复到原来的状态，就象未曾发生过 任何事

31、情一样。原子的这种再生性，是卢瑟福任何事情一样。原子的这种再生性，是卢瑟福 模型所无法说明的模型所无法说明的。 材料科学基础绪论 尼尔斯亨利克大卫玻尔（Niels Henrik David Bohr，188519628) 丹麦物理学家 1922年由于对原子结构理论的重大贡献，获得 诺贝尔物理奖。1930年以后研究核物理和分子生物 学等，并取得重大成就。1943年，玻尔从德军占领 下的丹麦逃到美国，参和许多科学家共同研制了世 界上第一颗原子弹。 由于对卢瑟福的仰慕，于1912年3月到曼彻斯特大学在卢瑟福领导下工 作了4个月，当时正值卢瑟福提出了他的原子核式模型。人们把原子设想成 与太阳系相似的微

32、观体系，但是在解释原子的力学稳定性和电磁稳定性上 却遇到了矛盾。这时玻尔开始酝酿自己的原子结构理论。 材料科学基础绪论 为了解释氢原子光谱的实验事实，玻尔于1913年 提出了他的三条基本假设： 1.定态假设：电子绕核作圆周运动时，只在某些特 定的轨道上运动，在这些轨道上运动时，虽然有加速 度，但不向外辐射能量，每一个轨道对应一个定态， 而每一个定态都与一定的能量相对应； 2.频率条件：电子并不永远处于一个轨道上，当 它吸收或放出能量时，会在不同轨道间发生跃迁，跃 迁前后的能量差满足频率法则； nn hvEE 材料科学基础绪论 3.角动量量子化假设：电子处于上述定态时, 角动量是量子化的。 根据

33、上述三条基本假设，玻尔建立了他的原子模 型，并成功地解释了氢光谱的实验事实。 nhmvrL 2 材料科学基础绪论 应用普朗克于1900年提出的量子假说，和爱因斯坦 于1905年提出的光子假说，提出了原子所具有的能量 形成不连续的能级，当能级发生跃迁时，原子就发射 出一定频率的光的假说。 1905年，爱因斯坦(Einstein)发展了普朗克(Planck)的量子说，指出光以粒 子的形式-光子存在和传播。 一个光子的能量为E=hv 材料科学基础绪论 普朗克普朗克 (18581947) 量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺 贝尔物理学奖的获得者。普朗克的伟大成 就，就是创立了量子理论，这是物理学

34、史 上的一次巨大变革。从此结束了经典物理 学一统天下的局面。 19世纪末，人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候，出现了著名的所谓“紫外灾难”。虽然 瑞利、金斯（1877-1946）和维恩（1864-1928）分别提出了两个公式，企图弄清黑体辐射的规律， 但是和实验相比，瑞利-金斯公式只在低频范围符合，而维恩公式只在高频范围符合。普朗克从 1896年开始对热辐射进行了系统的研究。他经过几年艰苦努力，终于导出了一个和实验相符的公 式。他于他于19001900年年1010月下旬在月下旬在德国物理学会通报德国物理学会通报上发表一篇只有三页纸的论文，题目是上发表一篇只有三页纸的论文，题目是论维论维 恩

35、光谱方程的完善恩光谱方程的完善，第一次提出了黑体辐射公式。，第一次提出了黑体辐射公式。12月14日，在德国物理学会的例会上，普朗 克作了论正常光谱中的能量分布的报告。在这个报告中，他激动地阐述了自己最惊人的发 现。他说，为了从理论上得出正确的辐射公式，必须假定物质辐射（或吸收）的能量不是连续 地、而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射 频率是的能量的最小数值=h。其中h，普朗克当时把它叫做基本作用量子，现在叫做 普朗克常数。普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数。 材料科学基础绪论 1924年，德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的 假设，以后的观察证明

36、，微观粒子具有波的性质。 1926年薛定谔在此基础上建立了波动力学。同时， 其他学者，如海森伯、玻恩、狄喇克等人，从另外 途径建立了等效的理论，这种理论就是现在所说的 量子力学，它能很好地解释原子现象。 玻尔的假设能够说明氢原子光谱等某些原子现象，初次成功地建立 了一种氢原子结构理论。建立玻尔理论是原子结构和原子光谱理论 的一个重大进展，但对原子问题作进一步的研究时，却显示出这种 理论的缺点，因此只能把它视为很粗略的近似理论。 路易维克多德布罗意(Louis Victor de Broglie， 18921987) ，1929年诺贝尔物理学奖获得者， 波动力学的创始人，物质波理论的创立者，量子

37、 力学的奠基人之一。1910年获巴黎索邦大学文学 学士学位，1913年又获理学士学位，1924年获巴 黎大学博士学位，在博士论文中首次提出了“物 质波”概念。1929年获诺贝尔物理学奖。1932年 任巴黎大学理论物理学教授，1933年被选为法 国科学院院士。 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 n , 第一量子数：旧量子论中的轨道数，决定体系的能量。 n = 1，2，3.（整数），n =1时为最低能级，基态。 K，L，M l , 第二量子数：决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性。 l = 0，1，2，3，4 （n -1） n =1，l = 0 s p d f g 状态 n

38、 =2，l = 0，1 (s, p) m l , 第三量子数：决定体系角动量在磁场方向的分量。 m l = 0，1，2，3 有（2 l+1）个 m s ，第四量子数：决定电子自旋的方向。 +1/2，-1/2 材料科学基础绪论 n四个量子数与各电子层可能存在的电子运动状态数列 于下表。 主量子 数 电子层 原子轨道 符号 原子轨道数 电子运动 状态数 n=1K1s12 n=2L2s 2p1 38 n=3M3s 3p 3d1 3 518 n=4N4s 4p 4d 4f1 3 5 732 nn22n2 S亚层亚层p亚层亚层 d亚层亚层 轨道图：轨道图： 材料科学基础绪论 电子的具体分布遵循以下原则

39、p泡利不相容原理 原子中每个电子必须有独自一组四个量子数，一个 原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子。 p能量最低原则 电子总是按能量最低的状态分布。 p洪特规则 在能量相等的轨道上，自旋平行的电子数目最多 时，原子的能量最低。所以在能量相等的轨道上，电 子尽可能自旋平行地多占不同的轨道。 材料科学基础绪论 p电子运动方式： 在一定的轨道上绕核运行电子自旋； p电子描述方式： 电子具有波动性，服从海森堡测不准原则； 运动轨道非固定，几率最大的分布构成电子云层； 电子云统计的形态法描述, 有四个量子数 原子中电子的空间位置和能量 材料科学基础绪论 l = 0，1，2，3，4 （n -1） m

40、=0,+/-1,+/-2+/-l 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 二、核外电子运动特点 p 能量量子化 p电子在原子中的准确位置是不可能确 定的。相反地，电子的空间位置要用 概率密度函数(PDFs)来描述。 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 能带能带 (energy band) 量子力学计算表明，晶体中若有量子力学计算表明，晶体中若有N个个 原子，由于各原子间的相互作用，对应于原子，由于各原子间的相互作用，对应于 原来孤立原子的每一个能级，在晶体中变原来孤立原子的每一个能级，在晶体中变 成了成了N条靠得很近的能级，称为条靠得很近的能级，称为能带能带。 晶体中的电子能级晶体中的电子能级 有

41、什么特点？有什么特点？ 材料科学基础绪论 能带的宽度记作能带的宽度记作 E ，数量级为，数量级为 EeV。 若若N1023,则能带中两能级的间距约则能带中两能级的间距约10-23eV。 一般规律：一般规律： 1. 越是外层电子，能带越宽，越是外层电子，能带越宽， E越大。越大。 2. 点阵间距越小，能带越宽，点阵间距越小，能带越宽， E越大。越大。 3. 两个能带有可能重叠。两个能带有可能重叠。 材料科学基础绪论 离子间距离子间距a 2P 2S 1S E 0 能带重叠示意图能带重叠示意图 材料科学基础绪论 能带中电子的排布能带中电子的排布 晶体中的一个电子只能处在某个能带中的晶体中的一个电子只

42、能处在某个能带中的 某一能级上。某一能级上。 排布原则：排布原则： 1. 服从泡里不相容原理（费米子）服从泡里不相容原理（费米子） 2. 服从能量最小原理服从能量最小原理 设孤立原子的一个能级设孤立原子的一个能级 Enl ，它它最多能容最多能容 纳纳 2 (2 +1)个电子。个电子。l 这一能级分裂成由这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后，条能级组成的能带后， 能带最多能容纳能带最多能容纳 2N(2l +1)个电子。个电子。 材料科学基础绪论 电子排布时，应从最低的能级排起。电子排布时，应从最低的能级排起。 有关能带被占据情况的几个名词：有关能带被占据情况的几个名词： 1满带（排满电子）满带

43、（排满电子） 2价带（能带中一部分能级排满电子）价带（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带亦称导带 3空带（未排电子）空带（未排电子） 亦称导带亦称导带 4禁带（不能排电子）禁带（不能排电子） 2、3能带，最多容纳能带，最多容纳 6N个电子。个电子。 例如，例如，1、2能带，最多容纳能带，最多容纳 2N个电子。个电子。 2N(2l+1) 材料科学基础绪论 满带：满带：填满电子的能带。填满电子的能带。 空带：空带：没有电子占据的能带。没有电子占据的能带。 不满带：不满带：未填满电子的能带。未填满电子的能带。 禁带：禁带：不能填充电子的能区。不能填充电子的能区。 价带：价带：和价电子能级相应的能带

44、，和价电子能级相应的能带， 对半导体，价带通常是满带。对半导体，价带通常是满带。 即最高的充有电子的能带。即最高的充有电子的能带。 满带满带 E 不满带不满带 禁带禁带 禁带禁带 价带价带 空带空带 材料科学基础绪论 不满带或满带以上最低的空带，不满带或满带以上最低的空带， 称为导带。称为导带。 能带中电子的导电性能带中电子的导电性 满带不导电：满带不导电： 电子交换能态电子交换能态并不并不 改变能量状态，所以改变能量状态，所以 满带不导电。满带不导电。 电子在电场作用下作定向运动，电子在电场作用下作定向运动， 得到附加能量得到附加能量，电子能量发生变化。电子能量发生变化。 导带导电：导带导电

45、： 导带中电子导带中电子才才能能改变能量。改变能量。 导电性导电性 ： 材料科学基础绪论 价带价带(满带满带) 空带空带(导带导带) 不满带不满带(导带导带) 导带导电：导带导电： 材料科学基础绪论 导体和绝缘体导体和绝缘体 （conductor insulator） 它们的导电性能不同，它们的导电性能不同， 是因为它们的能带结构不同。是因为它们的能带结构不同。 晶体按导电性能的高低可以分为晶体按导电性能的高低可以分为 导体导体 半导体半导体 绝缘体绝缘体 材料科学基础绪论 导体导体 导体导体 导体导体 半导体半导体 绝缘体绝缘体 Eg Eg Eg 材料科学基础绪论 在外电场的作用下，大量共有

46、化电子很在外电场的作用下，大量共有化电子很 易获得能量，集体定向流动形成电流。易获得能量，集体定向流动形成电流。 从能级图上来看，从能级图上来看，是因为其共有化电子是因为其共有化电子 很易从低能级跃迁到高能级上去。很易从低能级跃迁到高能级上去。 E 导体导体 材料科学基础绪论 从能级图上来看，是因为满带与空带之间从能级图上来看，是因为满带与空带之间 有一个有一个较宽的禁带较宽的禁带（ Eg 约约36 eV），）， 共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到 高能级（空带）上去。高能级（空带）上去。 在外电场的作用下，共有化电子很难接在外电场的作用下，共有化电子很难

47、接 受外电场的能量，所以形不成电流。受外电场的能量，所以形不成电流。 的能带结构的能带结构,满带与空带之间也是禁带，满带与空带之间也是禁带， 但是但是禁带很窄禁带很窄（ E g 约约0.12 eV )。 绝缘体绝缘体 半导体半导体 材料科学基础绪论 绝缘体与半导体的击穿绝缘体与半导体的击穿 当外电场非常强时，它们的共有化电子还是当外电场非常强时，它们的共有化电子还是 能越过禁带跃迁到上面的空带中的。能越过禁带跃迁到上面的空带中的。 绝缘体绝缘体 半导体半导体 导体导体 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 2.3 热力学和动力学 p热力学（thermodynamics）： 研究物质的热性质与外部

48、的系统变量如 压力、温度、组成等之间的关系，可以判断 一个物理化学过程是否能够发生 。 p动力学（kinetics）： 强调物理化学过程进行的速度 。反应及 其速率决定了生成物质的结构，而结构又决 定了性质。 材料科学基础绪论 材料科学基础绪论 阿累尼乌斯(Arrhenius)方程 )(Cexp RT Q 反应速率 材料科学基础绪论 p反应进行的条件：反应分子 必须获得足够的能量才能成 为活化分子。 p活化分子：比一般分子(具 有平均能量的分子)高出一 定能量而足以引起反应的分 子。 p激活能：活化分子所具有的 比一般分子的平均能量所高 出的最少能量称为激活能。 材料科学基础绪论 例题 p例题

49、2-2 请用30kJ/mol的值计算当温度从25增加到 100时反应速率的变化。使用300kJ/mol的激活能 ，重复上述计算。 )(Cexp RT Q 反应速率 n结果： 对于Q30 kJ/mol, 100时反应速率是25时 的 11.4倍； 对于Q300kJ/mol, 100时反应速率是25时的 3.761010倍。 材料科学基础绪论 p三种典型的一次键的特征； p键的类型对工程性能的影响。 2.4 一次键 n原子的堆垛和配位数 n键能曲线 材料科学基础绪论 n 一次键一次键(结合力较强结合力较强) p离子键离子键 p共价键共价键 p金属键金属键 n 二次键二次键(结合力较弱结合力较弱)

50、p 范德华键范德华键 p 氢键氢键 n 混合键混合键 p 金属键共价键金属键共价键 p 金属键离子键金属键离子键 p 共价键离子键共价键离子键 原子键合原子键合 一次键一次键二次键二次键 通过价电子的转通过价电子的转 移或共用，两原移或共用，两原 子电子云达到稳子电子云达到稳 定结构定结构 不依靠电子的转不依靠电子的转 移或共享，靠原移或共享，靠原 子间的偶极吸引子间的偶极吸引 力结合力结合 一次键通常比二次键强一个数量级 材料科学基础绪论 p电负性是确定原子成键类型的重要因素之一。 p元素的电负性(EN)定义为元素获得或吸引电子的 相对倾向。 p在元素周期表中，从左向右一般电负性增加。具有