第1章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合
內(nèi)容提要
物質(zhì)是由原子組成的，而原子是由位于原子中心帶正電的原子核和核外高速旋轉(zhuǎn)帶負(fù)電的電子所構(gòu)成的。在材料科學(xué)中，一般人們最關(guān)心的是原子結(jié)構(gòu)中的電子結(jié)構(gòu)。
電子在核外空間作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就好像帶負(fù)電荷的云霧籠罩在原子核周圍，故形象地稱它為電子云。電子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，即具有二象性。電子運(yùn)動(dòng)沒有固定的軌道，但可根據(jù)電子的能量高低，用統(tǒng)計(jì)方法判斷其在核外空間某一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的幾率的大小。根據(jù)量子力學(xué)理論，電子的狀態(tài)是用波函數(shù)來描述的，原子中一個(gè)電子的空間位置和能量可用4個(gè)量子數(shù)表示：
（1）主量子數(shù)n——決定原子中電子能量，以及與核的平均距離，即表示電子所處的量子殼層；
（2）軌道角動(dòng)量量子數(shù)li——給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級（電子亞層）；
（3）磁量子數(shù)mi——給出每個(gè)軌道角動(dòng)量數(shù)的能級數(shù)或軌道數(shù)；
（4）自旋角動(dòng)量量子數(shù)Si——反映電子不同的自旋方向。
在多電子的原子中，核外電子的排布規(guī)律遵循以下三個(gè)原則：
（1）能量最低原理——電子的排布總是先占據(jù)能量最低的內(nèi)層，再由內(nèi)向外進(jìn)入能量較高的殼層，盡可能使體系的能量最低。
（2）Pauli不相容原理——在一個(gè)原子中不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子，主量子數(shù)為n的殼層，最多容納2n2個(gè)電子。
（3）Hund規(guī)則——在同一亞層中的各個(gè)能級中，電子的排布盡可能分占不同的能級，而且自旋的方向相同。當(dāng)電子排布為全充滿、半充滿或全空時(shí)，此時(shí)是比較穩(wěn)定的，并且整個(gè)原子的能量最低。
元素周期表反映了元素的外層電子結(jié)構(gòu)隨著原子序數(shù)（核中帶正電荷的質(zhì)子數(shù)）的遞增，呈周期性變化的規(guī)律�？筛鶕�(jù)元素在周期表中的位置，推斷它的原子結(jié)構(gòu)和特定的性質(zhì)。
原子與原子之間是依靠結(jié)合鍵聚集在一起的。由于原子間結(jié)合鍵的不同，故可將材料分為金屬、無機(jī)非金屬和高分子材料。原子的電子結(jié)構(gòu)決定了原子鍵合的本身，原子間的結(jié)合鍵可分為化學(xué)鍵和物理鍵兩大類�；瘜W(xué)鍵即主價(jià)鍵，它包括金屬鍵、離子鍵和共價(jià)鍵3種：
（1）金屬鍵，絕大多數(shù)金屬均為金屬鍵方式結(jié)合，它的基本特點(diǎn)是電子的共有化；
（2）離子鍵，大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物，主要以離子鍵方式結(jié)合，這種鍵的基本特點(diǎn)是以離子而不是以原子為結(jié)合單位的；
（3）共價(jià)鍵，在亞金屬（C，Si，Sn，Ge等）、聚合物和無機(jī)非金屬材料中，共價(jià)鍵占有重要的地位，它的主要特點(diǎn)是共用電子對。
物理鍵為次價(jià)鍵，也稱范德瓦耳斯力，在高分子材料中占著重要作用。