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嘉峪檢測網(wǎng) 2018-08-24 17:15
一 原子結(jié)構(gòu)
壁虎是一種無害的熱帶爬行動物，是一種非常迷人的特別動物。它的腳具有非常強(qiáng)的黏性，幾乎可以抓住任何表面。有了這一特征，它們可以在垂直的墻壁和水平的天花板上快速爬行。實際上，壁虎可以用一根腳趾支撐其整個身體。這種非凡的能力的奧秘在于壁虎的每個趾墊上都有數(shù)量非常龐大的小絨毛。當(dāng)這些絨毛接觸到表面時，絨毛分子與表面分子間產(chǎn)生微弱的吸引力。這就是為什么壁虎能在平面上抓得如此緊。要放松抓力，只要簡單地彎曲腳趾，使絨毛遠(yuǎn)離表面即可。
利用這種附著力原理，科學(xué)家們已經(jīng)研發(fā)出若干種超強(qiáng)的人工粘著劑。其中一種是膠帶，這是非常有前景的工具，可在外科手術(shù)中替代縫合線與扣釘來愈合傷口。這種材料在潮濕環(huán)境中并且它的分解不會釋放有毒物質(zhì)。
從一些實例中了解固體原子鍵結(jié)合鍵的一個重要益處是幾何鍵的類型可以有助于解釋材料的性能，例如碳，它可以以石墨或金剛石的形式存在。石墨相對較軟，并有一種油滑的感覺，而金剛石是公認(rèn)的最堅硬材料。此外，金剛石和石墨的電性能是不一樣的：金剛石是不良導(dǎo)電體，但石墨是非常好的導(dǎo)體。這些性能的差異在于石墨中有一種原子間的結(jié)合鍵，但這種原子鍵結(jié)合鍵不存在與金剛石中。
（一）概述
固體材料的一些重要性能取決于分子中原子幾何排列，也取決于這些原子和分子間的相互作用。本文介紹一些基本與重要的概念——原子結(jié)構(gòu)、原子與周期表中電子組態(tài)以及不同類型原子聚集在一起構(gòu)成固體。
（二）原子結(jié)構(gòu)
每個原子均由一個原子核和及其周圍持續(xù)運動著的核外電子構(gòu)成。原子核是由質(zhì)子和中子組成的。電子與質(zhì)子均為帶電粒子，所帶電荷大小為1.602×10-19C，其中電子帶負(fù)電而質(zhì)子帶正電，中子呈電中性。這些亞原子粒子的質(zhì)量極??；質(zhì)子和中子的質(zhì)量相近；遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量。
金屬和陶瓷的結(jié)構(gòu)
材料的性能與其晶體結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。例如未變形的純鎂和純鈹有相同的晶體結(jié)構(gòu)，它們比像金和銀這樣的有另一種晶體結(jié)構(gòu)的未變形的純金屬更易碎。此外，具有相同組成的晶體和非晶體材料存在明顯的性能差異。例如非結(jié)構(gòu)陶瓷和聚合物通常是透明的，相同材料的晶體往往傾向與不透明的或者最多是半透明的。
（一）概述
本文要討論的是材料結(jié)構(gòu)的下一層次，特別是固態(tài)中原子的排列。在這個框架下，引出晶體和非晶體的概念。結(jié)晶固體是由晶體結(jié)構(gòu)的概念呈現(xiàn)出的，再由晶胞的概念詳細(xì)說明。金屬中有3種常見的晶體結(jié)構(gòu)，由晶體、晶向和晶面具體表示。單晶、多晶以及非晶材料也會討論。
固體材料可以通過原子或離子的排列規(guī)律進(jìn)行分類。晶體材料是在較大原子距離范圍內(nèi)，原子進(jìn)行周期性重復(fù)排列而形成的，即長期有序的排列，在凝固過程中，原子將它們自己重復(fù)排列在三維模型里，且每個原子與其最近鄰的原子鍵合。所有的金屬、大多數(shù)的陶瓷材料以及某些聚合物在正常凝固過程中都會形成的晶體結(jié)構(gòu)。
結(jié)晶固體的有些性能取決于材料的晶體結(jié)構(gòu)，即原子、離子或分子在空間排列的方式。有非常多的而不同種結(jié)晶都具有長程有序的原子排列，從金屬這種簡單的結(jié)構(gòu)到像一些陶瓷和聚合材料這種極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在描述晶體結(jié)構(gòu)時，原子通常被看成具有已知直徑的實心球，因此被稱為原子硬球模型。此模型中，球代表最近鄰相互接觸的原子。在這種特定情況下，所有原子都是相同的。有時穩(wěn)重用術(shù)語點陣來表示晶體結(jié)構(gòu)，這里點陣指以點代表原子位置的一個三維點陣。
（二）晶胞
晶胞固體中的原子順序表示小原子群形成的重復(fù)模型。因此，在描述晶體結(jié)構(gòu)時，通常將結(jié)構(gòu)分為許多小的重復(fù)單位，稱為晶胞。大多數(shù)晶體結(jié)構(gòu)的晶胞為具有3組平行面的平行六面體或棱柱體。因此，晶胞是晶體結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元或建筑基石，并且可以通過晶胞的幾何形狀和原子位置決定晶體結(jié)構(gòu)，為了方便，通常規(guī)定平行六面體的角與硬球原子中心位置一致。此外，在一個特定的晶體結(jié)構(gòu)中也許不只是單一的晶胞，但是我們通常用具有高度幾何對稱的單位作為晶胞。
（三）金屬晶體結(jié)構(gòu)
數(shù)目和位置沒有太多限制，這使大多數(shù)金屬晶體結(jié)構(gòu)具有較多的最近鄰原子和較密的原子堆積。對于金屬我們同樣用硬球模型來表示它的晶體結(jié)構(gòu)，每個球代表一個離子中心。在大多數(shù)常見金屬中可以發(fā)現(xiàn)有3種相對簡單的晶體結(jié)構(gòu)：面心立方結(jié)構(gòu)、體心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。
（1）面心立方晶體結(jié)構(gòu)
在許多金屬中可以找到原子位于立方體中各個角和各個立方面中心的晶胞所構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)，稱為面心立方晶體結(jié)構(gòu)。一些熟悉的結(jié)構(gòu)如銅、鋁、銀、金具有這樣的晶體結(jié)構(gòu)。這些硬球或離子中心彼此挨著排在面對角線上，立方體邊長a和原子半徑R的關(guān)系表達(dá)式為：
有時我們需要確定每個晶胞的原子數(shù)。原子數(shù)取決于原子的位置，它可能與相鄰的晶胞共用一個原子，也就是說，一個原子只有一定比例分配給特定的晶胞。例如，立方晶胞中，晶胞內(nèi)的原子完全屬于這個晶胞，而在面上的原子與另一個晶胞共用，在角上的8原子都要與其他的晶胞共用。每個晶胞的原子數(shù)N可以用下面的公式計算：
式中，
為心部原子數(shù)；NF為面上原子數(shù)；Nc為角上原子數(shù)。
對于FCC晶體結(jié)構(gòu)來說，有8個角原子（NC=8）,6個面原子（Nf=6）,并且沒有心部原子（Ni=0）。因此由公式（3.2）,有：
也可以說有4個原子可以分配給一個指定的晶胞，在立方體的限制下，只有部分球表示出來。晶胞所包含立方體的體積由各角原子中心圍成。
角位置和面位置更是相同的，即將立方體的角從最初的角原子轉(zhuǎn)換為面中心的原子，不會改變晶胞的結(jié)構(gòu)。
晶體結(jié)構(gòu)的其他兩個重要性質(zhì)是配位數(shù)和致密度。金屬中每個原子都有相同的鄰近原子數(shù)或接觸的原子數(shù)，這就是配位數(shù)。面立方體的配位數(shù)是12.正面的面心原子有4個鄰近的角原子，前面、后面各有四個面心原子與之相接觸。
APF是一個晶胞中所有原子球體積總和除以晶胞體積，即：
具有相同直徑的球在最大堆積可能情況下，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)原子致密度為0.74.APF的計算也出現(xiàn)在例題里。
（2）體心立方晶體結(jié)構(gòu)
另一種常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)時體心立方晶體（BCC）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)晶胞的8個角各有一個原子和一個立方體中間的原子。中心原子和沿體對角線的角原子相互緊密接觸，由此可找出晶胞邊長a與原子半徑R的關(guān)系為：
每個BCC結(jié)構(gòu)晶胞有兩個原子：一個原子來自于八個角，每個角的原子由8個晶胞共用，還有一個單獨在晶胞內(nèi)的中心原子。另外，角原子位置與中心原子位置是相同的。每個BCC結(jié)構(gòu)原子數(shù)是：
BCC晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)是8，每個角原子有8個與其緊密接觸的角原子。由于BCC結(jié)構(gòu)的配位數(shù)比FCC結(jié)構(gòu)的少，所以BCC結(jié)構(gòu)的原子致密度較小的0.68而不是0.74.
（3）密排六方晶體結(jié)構(gòu)
并不是所有金屬的晶胞都是對稱立方體，最后討論的常用金屬晶體結(jié)構(gòu)時具有六方晶體結(jié)構(gòu)的晶胞。晶胞的頂面和地面由7個原子組成，一個原子在中間，6個原子圍繞著它形成規(guī)則六邊形。夾在晶胞頂面與底面中間的面由3個額外的原子組成。中間面的原子與相鄰兩個面原子接觸。為了計算每個HCP晶體結(jié)構(gòu)晶胞的原子數(shù)，將式變形為：
即每個角原子的六分之一將分配給這個原子。因為HCP結(jié)構(gòu)的每個頂面和底面都有6個角原子，2個面心原子，和3個中間心部原子，可得出HCP結(jié)構(gòu)的N值為：
因此，每個晶胞有6個原子：
如果用a和c分別表示晶胞短邊和長邊尺寸，c/a的比例應(yīng)為1.633.但是，有些HCP結(jié)構(gòu)金屬的c/a比例會偏離此理想值。
HCP晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)和原子致密度與FCC結(jié)構(gòu)相同，分別為12和0.74.HCP結(jié)構(gòu)的金屬有鎘、鎂、鈦、鋅。
（四）密度計算——金屬
金屬固體的晶體結(jié)構(gòu)可以通過以下推導(dǎo)公式計算理論密度：
金屬理論密度
式中，n為每個晶胞中原子的數(shù)目；A為原子量；Vc為晶胞體積；NA為阿伏伽德羅常數(shù)。
來源：嘉峪檢測網(wǎng)
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