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Fundamentals of Material Science and Engineering 材料科学与工程基础 Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding 1. Atomic Structure and Interatomic Bonding 2.1 Introduction: Atomic structure 2.2 Fundamental Concepts 2.3 Electrons in Atoms 2.4 The Periodic Tabel 2.5 Bonding Forces and Energies 2.6 Primary Interatomic Bonds 2.7 Secondary Bonding or Van Der Waals Bonding 2.8 Molecules Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding 2.3 Electrons in Atoms 原子核：atomic nucleus 中子：neutron 电子：electron 核外高速旋转，带负电，按能量高低排列 ，电子云 质子：proton 一、 原子的组成 Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding 量子力学的研究发现，电子的旋转轨道不是任意的，它 的确切的途径也是测不准的。 p 薛定谔方程(Schrodinger Equation)： 方程中引入了波函数(wave function)的概念，以取代 经典物理中圆形的固定轨道，解得的波函数（习惯上又称 原子轨道Atomic orbit）描述了电子在核外空间各处位置 出现的几率，相当于给出了电子运动的“轨道”。这一轨 道是由四个量子数所确定。 Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding p 主量子数(Main quantum number) 主量子数n决定原子轨道的能量，它的取值为1、2、 3。n越大，电子离原子核的距离越远，电子的能量越 高。在一个原子中，常称 n 相同的电子为一个电子层。 当 n1、2、3、4、5、6、7 时，分别称为第一、二、 三、四、五、六、七电子层，相应地用符号 K、L、M、N 、O、P、Q 表示。 二、四个量子数 Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding p 角量子数 (azimuthal quantum number) 角量子数 l 决定原子轨道的形状，它的取值为 0、1、2 n1。在多电子原子中，当n相同而l不同时,电子的能量还有差 别，故将一个电子层分为几个亚层（Subshell)。当l0、1、2 、3 时，称为 s、p、d、f亚层。 n1 时，l 0，K 层只有 s 亚层； n2 时，l 0、1，L 层有 s、p 亚层； n3 时，l 0、1、2，M 层有 s、p、d 亚层; 。 Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding p 磁量子数（Magnetic quantum number) l 0 时，m只能取 0，s 亚层只有 1 个轨道； l 1 时，m可取 1、0、1，p 亚层有3个轨道 。 磁量子数m 决定原子轨道在空间的取向。它的取值为0, 1, 2, l 因此有 2l + 1 种取向。 同理，d 亚层有 5 个轨道，f 亚层有7个轨道。n 和l 相同，但m不同的各原子轨道的能量相 同，称为简并轨道 或等价轨道。 Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding p 自旋量子数 ( Spin quantum number) 自旋量子数ms描述电子的自旋方向，它的取值为 +1/2 和 -1/2 ，常用箭号 和 表示电子的两种自旋方向。 ms不能从求解薛 定谔方程得到，它是后来实验和理论进一步研究中引入的。 综上所述，n、 l 、m 三个量子数可以确定一个原子轨道， 而 n、 l、m 、 ms 四个量子数可以确定电子的运动状态。 Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding n电子层 l 电子亚层m轨道数 1K 0 1s 0 1 2 L 0 1 2s 2p 0 1,0,+1 1 3 3M 0 1 2 3s 3p 3d 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 1 3 5 4N 0 1 2 3 4s 4p 4d 4f 0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2 -3,-2,-1,0,+1,+2,+3 1 3 5 7 Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding 三、原子的核外电子排布 （一）泡利不相容原理( Pauli exclusive principle) ：在一个原子中，不可能存在四个量子数完全相同的两 个电子。由泡利不相容原理，可知一个原子轨道最多只 能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋必须相反。 原子的核外电子排布遵守: 泡利不相容原理、能量最低原理 （二）能量最低原理( Minimal energy principle )：在 不违背泡利不相容原理的前提下，核外电子总是尽可能排 布在能量最低的轨道上，当能量最低的轨道排满后，电子 才依次排布在能量较高的轨道上。 依据上述原理，电子从低的能量水平至高的能量水平 ，依次排列在不同的量子状态下。决定电子能量水平的主 要因素是主量子数和次量子数、各个主壳层及亚壳层的能 量水平在图1-1中示意画出 Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding 图1-1 Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding 由图可见，电子能量随主量子数M的增加而升高，同一壳 层内各亚壳层的能量是按S、P、d、f 次序依次升高的。 值得注意的是相邻壳层的能量范围有重叠现象，例如 ：4s的能量水平反而低于3d；5S的能量也低于4d、4 f 这样，电子填充时，有可能出现内层尚未填满前就先进入 外壳层的情况。 Chapter 2 Atomic Structure and Interatomic Bonding 例题 ：试根据电子从低能到高能，依次排列在不同量子 态的原理，写出原子序数为11的钠(Na)原子以及原子序 数为20的钙(La)原子中的电子排列方式。 练习 ：2.5; 2.7; 2.10 。 2.6 Primary Interatomic Bond