当前课程知识点：材料科学基础 > 第二章 晶体学基础 > 2.1 原子结构与原子轨道 > 原子结构与原子轨道
从本节课开始
我们学习课程的第一章
晶体学基础
第一节我们学习
原子结构与原子轨道
原子是构成材料的基本粒子之一
同时原子也是化学反应中
不可再分的最小微粒
关于原子的结构的猜想
可以追溯到公元前约四百年
当时古希腊哲学家德莫克利特提出
任何物质都可以一分为二 二分为四
直至分割成为一个不可再分的微小粒子
而这种不可再分的粒子就是原子
两千年之后的一八零三年
道尔顿依据实验提出了原子学说
道尔顿认为物质世界的最小单位就是原子
原子是单一的 独立的
不可被再分割的
在化学变化中
原子保持着稳定的状态
同类原子的属性也是一致的
到了一九四零年
汤姆生在发现电子的基础上
提出了原子结构的枣糕模型
开始涉及到原子内部结构
由于原子存在电子
而整个原子不显出电性
因此汤姆生认为
正电荷均匀分布在原子之中
而电子镶嵌在原子上
如图片所示
随后一九一一年
卢瑟福提出了卢瑟福原子模型
又称为原子核模型
卢瑟福认为原子的质量
几乎全部集中在直径很小的核心区域
即原子核内部
而电子在原子核外做轨道运动
原子核带正电
而电子带负电
到了一九一三年
玻尔在卢瑟福模型的基础上
提出了玻尔模型
玻尔认为不同的电子
所运行的轨道半径有所不同
同时不同轨道的电子具有的能量也不同
到了一九三五年
薛定鄂提出了电子云模型
模型中电子在原子核外
很小的空间内做高速运动
其运行没有固定的规律
这一模型已经十分接近于
近代人类对于原子结构的认识
从原子结构模型可以看出
核外电子运行的轨道不尽相同
各个电子的能量也会有所不同
我们将原子核外电子
运行轨道的波函数称为原子轨道
一个特定原子轨道的形状和能量
需要用4个量子数进行描述
分别是主量子数n
角量子数l
磁量子数m以及自旋量子数ms
其中主量子数可以取1~7之间的正整数
当主量子数相同时
电子几乎运行在相同的轨道范围之内
因此主量子数也由此而得名
若主量子数越大
则电子运行的轨道越大
电子能量越高
例如对于单电子原子体系
电子的能量完全由主量子数n所决定
具体的公式如图所示
电子能量E等于
负的13.6电子伏特乘以原子序数Z的平方
比上主量子数n的平方
从公式中我们可以看出
当主量子数n的数值越大
电子具有的能量也越高
角量子数l的取值受到主量子数的限制
对于确定的主量子数n
角量子数的取值可以取0至n-1
这n个数值
例如当主量子数n等于3时
则角量子数可以取0 1 2这三个数值
当角量子数分别是0 1 2 3 4时
通常用光谱学上的符号
表示为s p d f g
在本课程中
也将使用光谱符号来表示角量子数
当主量子数相同时
角量子数越大的电子能量越高
同时角量子数决定了原子轨道的形状
例如当角量子数等于零时
我们称之为 s轨道
其轨道形状为球形
当角量子数等于1时
表示p轨道
其形状为哑铃型
当角量子数等于2时为d轨道
其形状为花瓣型
第三个量子数为磁量子数m
其取值受角量子数l的影响
对于给定的角量子数 l时
磁量子数可以取0 ±1 ±2
一直到±l
因此磁量子数m的取值种类为2l+1种
磁量子数代表了原子轨道的空间伸展方向
磁量子数不改变电子的能量
因此不同磁量子数原子轨道能量等同的现象
称作等价轨道或简并轨道
例如主量子数n等于2时
角量子数l等于1时
磁量子数m可以取+1 0 -1 三个数值
代表了原子轨道的三种伸展方向
这三种不同的取向的2p轨道能量相同
我们说这三个电子轨道是能量等价轨道
或能量简并轨道
第四个量子数为自旋量子数ms
根据泡利不相容原理
不能有两个或两个以上的粒子
处于完全相同的状态
因此在一个原子轨道上
最多可容纳两个电子
而这两个电子的自旋方向必须相反
通常用正二分之一和负二分之一
分别代表电子的顺时针和逆时针旋转
在原子轨道图中
通常用向上和向下的箭头表示电子的自旋方向
-绪论
-绪论
-讨论1
-讨论2
-2.1 原子结构与原子轨道
--原子结构与轨道
-2.2 电子排布规律
--电子排布规律
--电子排布规律
-2.3 晶体中的结合键
--晶体中的结合键
--原子结构与键合
-2.4 晶体结构与空间点阵
-2.5 晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
-2.6 晶向指数与晶面指数
-2.7 晶面间距与晶面夹角
-2.8 晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
-讨论1
-讨论2
-习题-第2章
-3.1 金属的晶体结构
--金属的晶体结构
--金属的晶体结构
-3.2 金属晶体的堆垛与间隙
-3.3 合金基本概念
--合金的基本概念
--合金的基本概念
-3.4 固溶体
--固溶体
--固溶体
-3.5 化合物
--化合物
--化合物
-3.6 陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
-3.7 高分子的基本结构
--高分子的基本结构
--高分子的基本结构
-3.8 非晶、准晶和纳米晶
-讨论1
-讨论2
-习题-第3章
-4.1 扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
-4.2 扩散的微观机制
--扩散的微观机制
--扩散的微观机制
-4.3 扩散与原子的随机行走
-4.4 扩散系数与扩散激活能
-4.5 扩散的影响因素
--扩散的影响因素
--扩散的影响因素
-4.6 反应扩散
--反应扩散
--反应扩散
-讨论1
-讨论2
-习题-第4章
-5.1 纯金属的结晶
--纯金属的结晶
--纯金属的结晶
-5.2 金属结晶的基本条件
-5.3 液态金属的结构
--液态金属的结构
--液态金属的结构
-5.4 均匀形核
--均匀形核
--均匀形核
-5.5 非均匀形核
--非均匀形核
--非均匀形核
-5.6 晶体长大的动力学条件和液固界面微观结构
-5.7 阶梯的长大机制和生长形态
-讨论1
-讨论2
-习题-第5章
-6.1 匀晶相图
--匀晶相图
--匀晶相图
-6.2 共晶相图
--共晶相图
--共晶相图
-6.3 共析相图与包晶相图
-6.4 其他二元相图
--其他二元相图
--其它二元相图
-6.5 铁碳合金的组元及基本相
-6.6 Fe-Fe3C相图分析与工业纯铁结晶过程
-6.7 钢的结晶过程
--钢的结晶过程
--钢的结晶过程
-6.8 白口铸铁的结晶过程
-6.9 碳对铁碳合金平衡组织的影响
-6.10 碳对Fe-C合金机械性能的影响
-6.11 三元相图的表示方法
-6.12 直线法则与杠杆定律
-6.13 重心法则
--重心法则
--重心法则
-6.14 三元匀晶相图与等温截面图
-6.15 变温截面与投影图
--变温截面与投影图
--变温截面与投影图
-6.16 具有共晶三相平衡的三元系相图概况
-6.17 具有共晶三相平衡的三元系相图分析
-6.18 具有共晶三相平衡的三元系相图截面图与投影图
-讨论1
-讨论2
-习题-第6章
-7.1 固态相变的特点分类
-7.2 固态相变的形核与生长
-7.3 成分保持不变的(无扩散)相变
-7.4 过饱和固溶体的分解
-7.5 共析转变
--共析转变
--共析转变
-7.6 马氏体转变（一）
--马氏体转变（一）
--马氏体转变（一）
-7.7 马氏体转变（二）
--马氏体转变（二）
--马氏体相变（二）
-7.8 贝氏体相变
--贝氏体相变
--贝氏体转变
-讨论1
-讨论2
-习题-第7章
-8.1 点缺陷
--点缺陷
--点缺陷
-8.2 位错的基本概念
--位错的基本概念
--位错的基本概念
-8.3 柏氏矢量
--柏氏矢量
--柏氏矢量
-8.4 位错的运动
--位错的运动
--位错的运动
-8.5 位错的弹性性质
--位错的弹性性质
--位错的弹性性质
-8.6 位错的交互作用
--位错的交互作用
--位错的交互作用
-8.7 位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
-8.8 实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
-8.9 位错反应
--位错反应
--位错反应
-8.10 晶界与相界
--晶界与相界
--晶界与相界
-讨论1
-讨论2
-习题-第8章
-9.1 金属的应力-应变曲线
-9.2 单晶体的塑性变形-滑移
-9.3 单晶体的塑性变形-孪生
-9.4 多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
-9.5 多相合金的塑性变形
-9.6 聚合物与陶瓷的塑性变形
-9.7 变形后的组织与性能
-9.8 晶体的断裂
--晶体的断裂
--晶体的断裂
-9.9 回复和再结晶
--回复和再结晶
--回复和再结晶
-9.10 再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
-9.11 再结晶组织控制
--再结晶组织控制
--再结晶组织控制
-9.12 蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
-讨论1
-讨论2
-习题-第9章