材料科學導論
二. 原子構造與鍵結

 

1. 簡 介
        
      1.1 原子中之基本粒子(原子:一元素所能存在之最小部份)
            電子 (electrons) – 控制以下之性質或作用:
                   (a) 鍵結 (bonds)
                   (b) 導電性質 (electron conduction)
                   (c) 磁性 (magnetic properties)

                   (d) 光性 (optical properties)

                   (e) 化學反應 (chemical reactions)
            核子:質子 (protons)
                         中子 (neutrons)
 
      1.2  物質與元素之部份特定專有名詞
            原子數 (atomic number, Z):即質子數─ 一原子中核子內的質子數。
            原子量 (atomic weights, M):即相對原子質量─ 一元素自然生成態之平均原子質量比上
                                                      碳12原子之12分之1質量的比值。
            亞佛加覺羅常數 (Avogadro’s constant, 6.0221367�e1023):一莫耳物質中的原子或分子數
                                                                                               目。
             原子質量單位 [atomic mass unit (amu) = 碳12原子之12分之1質量]
             同位素 (isotope):兩種或多種具有相同數量質子和不同數量中子的同類元素之一。
                                         例:氫的同位素有─氫、氘、氚。
 
      1.3  物質之(次原子)基本粒子
             夸克 (quarks) ─ up和down等六種夸克。)
             輕子 (leptons) ─ 電子和中微子(neutrino)等六種輕子。
             超弦? (superstring) ─超弦理論 (弦理論與超對稱的組合)。
 
      1.4  宇宙中物質之四種相互反應(力):
             強力,電磁力,弱力,重力。[相對強度─103 : 1 : 10-11 : 10-39]
             傳遞粒子分別為:gluons, photons, bosons, gravitons.
 
          問 題:材料科學所應用(或控制)的是哪一種(或多種)相互反應?

 

2. 單原子中的電子 (Atomic Electrons in Single Atoms)
 
          波/粒子之雙重性 (wave/particle duality)     ��  = h / p
          量子化的能量 (quantized energies)
          鮑立不相容原理 (The Pauli Principle) – Fermic-Direc Statistics
                  主量子數,Principal quantum number (n) [K, L, M shells]
                  軌道量子數,Orbital quantum number (l) [s, p, d, f … e- state]
                  磁量子數,Magnetic quantum number (m)
                  自旋量子數,Spin quantum number (s)
          電子之能階轉換 (Electron Energy Level Transition)      ��E (eV) = 1.24/��(�慆)


3. 鑑別原子 (Fingerprinting Atoms)
 
          X-光譜 (x-ray spectroscopy)
          掃瞄式電子顯微鏡 (SEM)
          Auger電子光譜 (AES)
          X-光螢光 (XRF, X-ray fluorescence)
 

 

4. 固體中之鍵結 (Bonding in Solids)
 
          原子間之反應 (Interaction of Atomic Pairs)
          鍵結之分類 (Bonding classifications)
                  主要鍵結 (primary bonds) : 金屬鍵 (metallic) ─ release,1-3eV。
                   共價鍵 (covalent) ─ sharing,3-8eV。
                   離子鍵 (ionic) ─ transfer,3-8eV。
                  次要鍵結 (secondary bonds) : 氫鍵(hydrogen-)─ exposed,0.2-0.5eV。
  凡得瓦鍵 (van der Waals)─ dipole,0.02-0.2eV。
          材料性質 (Materials Properties) 與鍵結。
          鍵 (bond) ─ 將原子結合在分子或結晶內的「力」。
          鍵能 (bond energy) ─ 形成一個化學鍵所釋放出的能量。雙原子分子的鍵能從鈍氣的
                                           0.05-0.1eV,到CO的11.08eV。
          鍵長 (bond length) ─ 兩個被化學鍵拉在一起的原子,其原子核間的距離。鍵長平均
                                          為1-2.5 A,從最短的0.75 A (H-H)到4.95A (Rb-Rb)。
 

 

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