第1章 原子結構與鍵合
內容提要
物質是由原子組成的，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帶負電的電子所構成的。在材料科學中，一般人們最關心的是原子結構中的電子結構。
電子在核外空間作高速旋轉運動時，就好像帶負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性，即具有二象性。電子運動沒有固定的軌道，但可根據(jù)電子的能量高低，用統(tǒng)計方法判斷其在核外空間某一區(qū)域內出現(xiàn)的幾率的大小。根據(jù)量子力學理論，電子的狀態(tài)是用波函數(shù)來描述的，原子中一個電子的空間位置和能量可用4個量子數(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）軌道角動量量子數(shù)li——給出電子在同一量子殼層內所處的能級（電子亞層）；
（3）磁量子數(shù)mi——給出每個軌道角動量數(shù)的能級數(shù)或軌道數(shù)；
（4）自旋角動量量子數(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)能量最低的內層，再由內向外進入能量較高的殼層，盡可能使體系的能量最低。
（2）Pauli不相容原理——在一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子，主量子數(shù)為n的殼層，最多容納2n2個電子。
（3）Hund規(guī)則——在同一亞層中的各個能級中，電子的排布盡可能分占不同的能級，而且自旋的方向相同。當電子排布為全充滿、半充滿或全空時，此時是比較穩(wěn)定的，并且整個原子的能量最低。
元素周期表反映了元素的外層電子結構隨著原子序數(shù)（核中帶正電荷的質子數(shù)）的遞增，呈周期性變化的規(guī)律。可根據(jù)元素在周期表中的位置，推斷它的原子結構和特定的性質。
原子與原子之間是依靠結合鍵聚集在一起的。由于原子間結合鍵的不同，故可將材料分為金屬、無機非金屬和高分子材料。原子的電子結構決定了原子鍵合的本身，原子間的結合鍵可分為化學鍵和物理鍵兩大類�；瘜W鍵即主價鍵，它包括金屬鍵、離子鍵和共價鍵3種：
（1）金屬鍵，絕大多數(shù)金屬均為金屬鍵方式結合，它的基本特點是電子的共有化；
（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合，這種鍵的基本特點是以離子而不是以原子為結合單位的；
（3）共價鍵，在亞金屬（C，Si，Sn，Ge等）、聚合物和無機非金屬材料中，共價鍵占有重要的地位，它的主要特點是共用電子對。
物理鍵為次價鍵，也稱范德瓦耳斯力，在高分子材料中占著重要作用。