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材料科學基礎(chǔ) I 版權(quán)信息
- ISBN：9787030742452
- 條形碼：9787030742452 ; 978-7-03-074245-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
材料科學基礎(chǔ) I 內(nèi)容簡介
本教材主要為專業(yè)課的學習提供有關(guān)材料科學的基礎(chǔ)知識，為將來從事材料科學研究與開發(fā)打下堅實的理論基礎(chǔ)。主要內(nèi)容為材料科學的基礎(chǔ)理論，通過學習本書，能夠深入理解材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能和加工的規(guī)律及相互聯(lián)系，能從材料組成-結(jié)構(gòu)-性能-加工工藝相互聯(lián)系的角度理解并解釋材料制備和使用過程中的各種化學、物理現(xiàn)象和性能及其背后的依據(jù)；熟悉材料的發(fā)展史、材料科學研究的對象和內(nèi)容，并適當了解材料科學的發(fā)展現(xiàn)狀及需要應(yīng)對的挑戰(zhàn)和一些瓶頸問題。
材料科學基礎(chǔ) I 目錄
目錄
自序
第1章 材料的原子結(jié)構(gòu) 1
1.1 歷史回顧 1
1.2 氫原子光譜 3
1.3 玻爾原子結(jié)構(gòu)理論 4
1.4 微觀粒子運動的基本特征 5
1.5 原子結(jié)構(gòu)的量子力學描述 7
1.6 量子數(shù) 8
1.7 多電子原子結(jié)構(gòu) 10
1.7.1 基態(tài)原子的核外電子排布規(guī)則 10
1.7.2 能級交錯現(xiàn)象 12
1.7.3 原子軌道能級圖 12
1.7.4 基態(tài)原子的核外電子排布 13
1.8 元素周期表 15
1.8.1 元素的周期 16
1.8.2 元素的族 17
1.8.3 元素的分區(qū) 17
1.9 元素性質(zhì)的周期性 18
1.9.1 原子半徑 18
1.9.2 電離能 19
1.9.3 電子親和能 20
1.9.4 電負性 21
1.10 原子結(jié)合鍵 22
1.10.1 離子鍵 23
1.10.2 共價鍵 24
1.10.3 金屬鍵 25
1.10.4 二次鍵 26
1.10.5 混合鍵 28
1.11 分子的電子結(jié)構(gòu) 29
1.11.1 分子軌道理論 30
1.11.2 能帶理論 34
1.12 小結(jié) 37
習題 39
第2章 材料的晶體結(jié)構(gòu) 41
2.1 晶體學發(fā)展歷程 41
2.2 晶體結(jié)構(gòu)和空間點陣 44
2.3 晶體結(jié)構(gòu)抽象為空間點陣 46
2.3.1 一維周期性結(jié)構(gòu)與直線點陣 47
2.3.2 二維周期性結(jié)構(gòu)與平面點陣 48
2.3.3 三維周期性結(jié)構(gòu)與空間點陣 49
2.4 空間點陣基本規(guī)律 51
2.5 晶系和布拉維點陣 51
2.6 幾種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu) 56
2.6.1 晶胞中的原子數(shù) 57
2.6.2 配位數(shù) 57
2.6.3 點陣常數(shù) 57
2.6.4 致密度 58
2.6.5 晶體結(jié)構(gòu)中的間隙 58
2.6.6 晶體中原子的堆垛方式 63
2.7 晶面指數(shù)和晶向指數(shù) 65
2.7.1 晶面指數(shù) 65
2.7.2 晶面族 68
2.7.3 晶向指數(shù) 69
2.7.4 六方晶系晶面指數(shù)表示 72
2.7.5 六方晶系晶向指數(shù)表示 74
2.7.6 晶向指數(shù)變換 75
2.7.7 立方和六方晶體中重要晶向的快速標注 76
2.8 晶體內(nèi)的密排面和密排方向 77
2.9 晶帶和晶帶定律 78
2.9.1 已知晶面確定晶向 79
2.9.2 已知晶向確定晶面 79
2.9.3 三晶軸同面 80
2.9.4 三晶面同屬一個晶帶 80
2.10 晶面間距 80
2.11 晶體投影 82
2.11.1 晶體的球面投影 82
2.11.2 晶體的極射投影 83
2.11.3 烏氏網(wǎng) 85
2.11.4 標準投影 87
2.12 倒易點陣 89
2.12.1 布拉格方程 89
2.12.2 埃瓦爾德反射球 90
2.12.3 倒易點陣的基矢 91
2.12.4 倒易點陣的基本性質(zhì) 91
2.12.5 倒易點陣的應(yīng)用 94
2.12.6 復雜晶胞的倒易點陣 96
2.12.7 實際晶體的倒易點陣 97
2.13 元素的晶體結(jié)構(gòu) 102
2.14 元素的多晶型性 103
2.15 合金的晶體結(jié)構(gòu) 103
2.15.1 固溶體 104
2.15.2 金屬間化合物 107
2.16 離子晶體的結(jié)構(gòu) 111
2.16.1 離子半徑、配位數(shù)和離子堆積 112
2.16.2 離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則 115
2.16.3 典型離子晶體的結(jié)構(gòu) 117
2.17 共價晶體的結(jié)構(gòu) 119
2.18 晶體結(jié)構(gòu)中的原子半徑 120
2.19 小結(jié) 122
習題 127
第3章 晶體中的缺陷 130
3.1 晶體缺陷的認知歷程 130
3.2 點缺陷 135
3.2.1 點缺陷的類型 136
3.2.2 點缺陷的產(chǎn)生及熱力學分析 138
3.2.3 過飽和點缺陷的形成 145
3.2.4 點缺陷對晶體性質(zhì)的影響 145
3.2.5 點缺陷濃度的實驗測量 147
3.3 位錯 148
3.3.1 應(yīng)力及其表示 148
3.3.2 應(yīng)變及其表示 151
3.3.3 固體的彈性能 154
3.3.4 位錯理論的引入 157
3.3.5 位錯的基本類型及特征 160
3.3.6 伯格斯矢量 163
3.3.7 位錯的運動 169
3.3.8 位錯密度 176
3.3.9 位錯的基本幾何特征 177
3.3.10 位錯的應(yīng)力場 178
3.3.11 位錯的應(yīng)變能與線張力 184
3.3.12 位錯的受力 188
3.3.13 位錯與位錯之間的交互作用 193
3.3.14 位錯與點缺陷之間的交互作用 201
3.3.15 鏡像力 202
3.3.16 位錯運動的阻力 204
3.3.17 位錯的交割 209
3.3.18 位錯的起源與增殖 214
3.3.19 位錯的塞積 223
3.4 實際晶體中的位錯 228
3.4.1 實際晶體中位錯的基本概念 228
3.4.2 實際晶體中位錯的伯氏矢量 228
3.4.3 面心立方晶體中的位錯 229
3.4.4 位錯反應(yīng) 239
3.4.5 體心立方晶體中的位錯 245
3.4.6 密排六方晶體中的位錯 249
3.4.7 其他晶體中的位錯 251
3.5 面缺陷 253
3.5.1 表面及表面能 254
3.5.2 晶界和亞晶界 255
3.5.3 相界 260
3.6 體缺陷 261
3.7 缺陷的實驗觀察 261
3.7.1 蝕坑法 262
3.7.2 綴飾法 263
3.7.3 顯微技術(shù) 263
3.8 小結(jié) 266
習題 271
第4章 固體中的擴散 276
4.1 固體中擴散現(xiàn)象的概述 276
4.1.1 固體中擴散的驅(qū)動力和基本特點 276
4.1.2 固體中擴散的條件 277
4.1.3 固體中擴散的分類及應(yīng)用 277
4.1.4 固體中擴散的研究內(nèi)容 278
4.2 固體中質(zhì)點擴散的唯象理論 278
4.2.1 菲克**定律 279
4.2.2 菲克第二定律 281
4.2.3 穩(wěn)態(tài)擴散及其應(yīng)用 285
4.2.4 非穩(wěn)態(tài)擴散 289
4.2.5 D-C相關(guān) 301
4.3 固體中質(zhì)點擴散的微觀理論 304
4.3.1 原子隨機跳動與擴散距離 304
4.3.2 擴散系數(shù)的微觀表示 306
4.3.3 擴散的微觀機制 309
4.3.4 原子激活概率和擴散激活能 312
4.4 互擴散 316
4.4.1 柯肯德爾效應(yīng) 316
4.4.2 柯肯德爾效應(yīng)的機制和影響 317
4.4.3 達肯方程 318
4.4.4 摩爾密度保持不變的假設(shè) 320
4.5 擴散熱力學 322
4.5.1 擴散的驅(qū)動力 323
4.5.2 擴散系數(shù)的普遍形式 323
4.6 影響擴散的因素 327
4.6.1 溫度的影響 327
4.6.2 成分的影響 328
4.6.3 晶體結(jié)構(gòu)的影響 332
4.7 短路擴散 334
4.8 反應(yīng)擴散 336
4.8.1 反應(yīng)擴散的過程及特點 336
4.8.2 反應(yīng)擴散動力學 338
4.9 離子晶體中的擴散 340
4.9.1 肖特基空位機制 341
4.9.2 弗侖克爾空位機制 341
4.9.3 非稟性空位機制 342
4.9.4 離子晶體電導率 342
4.10 共價晶體中的擴散 343
4.11 半導體材料中的擴散 343
4.12 納米顆粒中的擴散 346
4.13 金屬中的電遷移與熱遷移 347
4.14 小結(jié) 348
習題 352
第5章 固體的形變 356
5.1 固體材料的力學性質(zhì) 356
5.1.1 材料力學性能的實驗測量 357
5.1.2 材料的彈性性能 359
5.1.3 金屬的力學行為 366
5.1.4 離子晶體的力學行為 374
5.1.5 材料的硬度 376
5.2 單晶體的塑性形變 377
5.2.1 單晶體塑性形變的微觀機制 377
5.2.2 滑移現(xiàn)象 379
5.2.3 滑移系 380
5.2.4 施密特定律及其應(yīng)用 382
5.2.5 滑移時參考方向和參考面的變化 387
5.2.6 滑移過程中晶體的轉(zhuǎn)動 390
5.2.7 滑移過程的次生現(xiàn)象 395
5.2.8 單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 396
5.2.9 單晶體的孿生形變 397
5.2.10 孿生形變的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 403
5.2.11 孿生和滑移的比較 404
5.3 多晶體的塑性形變 405
5.3.1 晶界的影響 405
5.3.2 形變的協(xié)調(diào) 408
5.3.3 晶粒大小的影響 408
5.3.4 多晶體應(yīng)力-應(yīng)變曲線 409
5.3.5 塑性形變對金屬組織及性能的影響 410
5.4 金屬的強化機制 413
5.4.1 固溶強化 413
5.4.2 應(yīng)變強化 415
5.4.3 屈服點現(xiàn)象和應(yīng)變時效 416
5.5 金屬的斷裂 421
5.5.1 斷裂的晶體學和工程學分類 422
5.5.2 晶體的理論斷裂強度 423
5.5.3 晶體的實際斷裂強度 424
5.5.4 裂紋的萌生 426
5.5.5 斷裂的形式 427
5.5.6 影響斷裂的主要因素 430
5.6 小結(jié) 431
習題 434
參考文獻 437
自序
第1章 材料的原子結(jié)構(gòu) 1
1.1 歷史回顧 1
1.2 氫原子光譜 3
1.3 玻爾原子結(jié)構(gòu)理論 4
1.4 微觀粒子運動的基本特征 5
1.5 原子結(jié)構(gòu)的量子力學描述 7
1.6 量子數(shù) 8
1.7 多電子原子結(jié)構(gòu) 10
1.7.1 基態(tài)原子的核外電子排布規(guī)則 10
1.7.2 能級交錯現(xiàn)象 12
1.7.3 原子軌道能級圖 12
1.7.4 基態(tài)原子的核外電子排布 13
1.8 元素周期表 15
1.8.1 元素的周期 16
1.8.2 元素的族 17
1.8.3 元素的分區(qū) 17
1.9 元素性質(zhì)的周期性 18
1.9.1 原子半徑 18
1.9.2 電離能 19
1.9.3 電子親和能 20
1.9.4 電負性 21
1.10 原子結(jié)合鍵 22
1.10.1 離子鍵 23
1.10.2 共價鍵 24
1.10.3 金屬鍵 25
1.10.4 二次鍵 26
1.10.5 混合鍵 28
1.11 分子的電子結(jié)構(gòu) 29
1.11.1 分子軌道理論 30
1.11.2 能帶理論 34
1.12 小結(jié) 37
習題 39
第2章 材料的晶體結(jié)構(gòu) 41
2.1 晶體學發(fā)展歷程 41
2.2 晶體結(jié)構(gòu)和空間點陣 44
2.3 晶體結(jié)構(gòu)抽象為空間點陣 46
2.3.1 一維周期性結(jié)構(gòu)與直線點陣 47
2.3.2 二維周期性結(jié)構(gòu)與平面點陣 48
2.3.3 三維周期性結(jié)構(gòu)與空間點陣 49
2.4 空間點陣基本規(guī)律 51
2.5 晶系和布拉維點陣 51
2.6 幾種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu) 56
2.6.1 晶胞中的原子數(shù) 57
2.6.2 配位數(shù) 57
2.6.3 點陣常數(shù) 57
2.6.4 致密度 58
2.6.5 晶體結(jié)構(gòu)中的間隙 58
2.6.6 晶體中原子的堆垛方式 63
2.7 晶面指數(shù)和晶向指數(shù) 65
2.7.1 晶面指數(shù) 65
2.7.2 晶面族 68
2.7.3 晶向指數(shù) 69
2.7.4 六方晶系晶面指數(shù)表示 72
2.7.5 六方晶系晶向指數(shù)表示 74
2.7.6 晶向指數(shù)變換 75
2.7.7 立方和六方晶體中重要晶向的快速標注 76
2.8 晶體內(nèi)的密排面和密排方向 77
2.9 晶帶和晶帶定律 78
2.9.1 已知晶面確定晶向 79
2.9.2 已知晶向確定晶面 79
2.9.3 三晶軸同面 80
2.9.4 三晶面同屬一個晶帶 80
2.10 晶面間距 80
2.11 晶體投影 82
2.11.1 晶體的球面投影 82
2.11.2 晶體的極射投影 83
2.11.3 烏氏網(wǎng) 85
2.11.4 標準投影 87
2.12 倒易點陣 89
2.12.1 布拉格方程 89
2.12.2 埃瓦爾德反射球 90
2.12.3 倒易點陣的基矢 91
2.12.4 倒易點陣的基本性質(zhì) 91
2.12.5 倒易點陣的應(yīng)用 94
2.12.6 復雜晶胞的倒易點陣 96
2.12.7 實際晶體的倒易點陣 97
2.13 元素的晶體結(jié)構(gòu) 102
2.14 元素的多晶型性 103
2.15 合金的晶體結(jié)構(gòu) 103
2.15.1 固溶體 104
2.15.2 金屬間化合物 107
2.16 離子晶體的結(jié)構(gòu) 111
2.16.1 離子半徑、配位數(shù)和離子堆積 112
2.16.2 離子晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則 115
2.16.3 典型離子晶體的結(jié)構(gòu) 117
2.17 共價晶體的結(jié)構(gòu) 119
2.18 晶體結(jié)構(gòu)中的原子半徑 120
2.19 小結(jié) 122
習題 127
第3章 晶體中的缺陷 130
3.1 晶體缺陷的認知歷程 130
3.2 點缺陷 135
3.2.1 點缺陷的類型 136
3.2.2 點缺陷的產(chǎn)生及熱力學分析 138
3.2.3 過飽和點缺陷的形成 145
3.2.4 點缺陷對晶體性質(zhì)的影響 145
3.2.5 點缺陷濃度的實驗測量 147
3.3 位錯 148
3.3.1 應(yīng)力及其表示 148
3.3.2 應(yīng)變及其表示 151
3.3.3 固體的彈性能 154
3.3.4 位錯理論的引入 157
3.3.5 位錯的基本類型及特征 160
3.3.6 伯格斯矢量 163
3.3.7 位錯的運動 169
3.3.8 位錯密度 176
3.3.9 位錯的基本幾何特征 177
3.3.10 位錯的應(yīng)力場 178
3.3.11 位錯的應(yīng)變能與線張力 184
3.3.12 位錯的受力 188
3.3.13 位錯與位錯之間的交互作用 193
3.3.14 位錯與點缺陷之間的交互作用 201
3.3.15 鏡像力 202
3.3.16 位錯運動的阻力 204
3.3.17 位錯的交割 209
3.3.18 位錯的起源與增殖 214
3.3.19 位錯的塞積 223
3.4 實際晶體中的位錯 228
3.4.1 實際晶體中位錯的基本概念 228
3.4.2 實際晶體中位錯的伯氏矢量 228
3.4.3 面心立方晶體中的位錯 229
3.4.4 位錯反應(yīng) 239
3.4.5 體心立方晶體中的位錯 245
3.4.6 密排六方晶體中的位錯 249
3.4.7 其他晶體中的位錯 251
3.5 面缺陷 253
3.5.1 表面及表面能 254
3.5.2 晶界和亞晶界 255
3.5.3 相界 260
3.6 體缺陷 261
3.7 缺陷的實驗觀察 261
3.7.1 蝕坑法 262
3.7.2 綴飾法 263
3.7.3 顯微技術(shù) 263
3.8 小結(jié) 266
習題 271
第4章 固體中的擴散 276
4.1 固體中擴散現(xiàn)象的概述 276
4.1.1 固體中擴散的驅(qū)動力和基本特點 276
4.1.2 固體中擴散的條件 277
4.1.3 固體中擴散的分類及應(yīng)用 277
4.1.4 固體中擴散的研究內(nèi)容 278
4.2 固體中質(zhì)點擴散的唯象理論 278
4.2.1 菲克**定律 279
4.2.2 菲克第二定律 281
4.2.3 穩(wěn)態(tài)擴散及其應(yīng)用 285
4.2.4 非穩(wěn)態(tài)擴散 289
4.2.5 D-C相關(guān) 301
4.3 固體中質(zhì)點擴散的微觀理論 304
4.3.1 原子隨機跳動與擴散距離 304
4.3.2 擴散系數(shù)的微觀表示 306
4.3.3 擴散的微觀機制 309
4.3.4 原子激活概率和擴散激活能 312
4.4 互擴散 316
4.4.1 柯肯德爾效應(yīng) 316
4.4.2 柯肯德爾效應(yīng)的機制和影響 317
4.4.3 達肯方程 318
4.4.4 摩爾密度保持不變的假設(shè) 320
4.5 擴散熱力學 322
4.5.1 擴散的驅(qū)動力 323
4.5.2 擴散系數(shù)的普遍形式 323
4.6 影響擴散的因素 327
4.6.1 溫度的影響 327
4.6.2 成分的影響 328
4.6.3 晶體結(jié)構(gòu)的影響 332
4.7 短路擴散 334
4.8 反應(yīng)擴散 336
4.8.1 反應(yīng)擴散的過程及特點 336
4.8.2 反應(yīng)擴散動力學 338
4.9 離子晶體中的擴散 340
4.9.1 肖特基空位機制 341
4.9.2 弗侖克爾空位機制 341
4.9.3 非稟性空位機制 342
4.9.4 離子晶體電導率 342
4.10 共價晶體中的擴散 343
4.11 半導體材料中的擴散 343
4.12 納米顆粒中的擴散 346
4.13 金屬中的電遷移與熱遷移 347
4.14 小結(jié) 348
習題 352
第5章 固體的形變 356
5.1 固體材料的力學性質(zhì) 356
5.1.1 材料力學性能的實驗測量 357
5.1.2 材料的彈性性能 359
5.1.3 金屬的力學行為 366
5.1.4 離子晶體的力學行為 374
5.1.5 材料的硬度 376
5.2 單晶體的塑性形變 377
5.2.1 單晶體塑性形變的微觀機制 377
5.2.2 滑移現(xiàn)象 379
5.2.3 滑移系 380
5.2.4 施密特定律及其應(yīng)用 382
5.2.5 滑移時參考方向和參考面的變化 387
5.2.6 滑移過程中晶體的轉(zhuǎn)動 390
5.2.7 滑移過程的次生現(xiàn)象 395
5.2.8 單晶體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 396
5.2.9 單晶體的孿生形變 397
5.2.10 孿生形變的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 403
5.2.11 孿生和滑移的比較 404
5.3 多晶體的塑性形變 405
5.3.1 晶界的影響 405
5.3.2 形變的協(xié)調(diào) 408
5.3.3 晶粒大小的影響 408
5.3.4 多晶體應(yīng)力-應(yīng)變曲線 409
5.3.5 塑性形變對金屬組織及性能的影響 410
5.4 金屬的強化機制 413
5.4.1 固溶強化 413
5.4.2 應(yīng)變強化 415
5.4.3 屈服點現(xiàn)象和應(yīng)變時效 416
5.5 金屬的斷裂 421
5.5.1 斷裂的晶體學和工程學分類 422
5.5.2 晶體的理論斷裂強度 423
5.5.3 晶體的實際斷裂強度 424
5.5.4 裂紋的萌生 426
5.5.5 斷裂的形式 427
5.5.6 影響斷裂的主要因素 430
5.6 小結(jié) 431
習題 434
參考文獻 437
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材料科學基礎(chǔ) I 節(jié)選
第1章 材料的原子結(jié)構(gòu) 不同的材料具有不同的性能，同一種材料經(jīng)過不同的加工處理也會有不同的性能，這些都可歸結(jié)于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異。從微觀至宏觀，結(jié)構(gòu)大致可分為四個層次：原子結(jié)構(gòu)、原子鍵合、原子的排列方式和晶體材料的顯微組織，它們從不同側(cè)面影響著材料的性能。原子結(jié)構(gòu)的差異能夠?qū)е略娱g結(jié)合方式的改變，進而影響原子在空間的排列方式，隨之產(chǎn)生物理和化學性質(zhì)各異的不同種物質(zhì)。因此，首先簡要復習原子結(jié)構(gòu)知識，主要了解并掌握原子結(jié)構(gòu)及元素周期表、原子間結(jié)合鍵及其對材料性能的影響、鍵能曲線及其基本應(yīng)用。 1.1 歷史回顧 一般認為，物質(zhì)由原子構(gòu)成這一觀點可以追溯到公元前400年的古希臘時期。的確，去世于公元前370年的德謨克利特（Democritus）曾提出宇宙萬物是由世界上*微小的、堅硬的且不可分割的物質(zhì)粒子構(gòu)成的，他將這種粒子稱為“原子”。他認為原子在性質(zhì)上相同，但在形狀大小上是多種多樣的。萬物之所以不同，就是由于萬物本身的原子在數(shù)目、形狀和排列上各有不同。他還認為原子總在不斷運動，運動是原子本身所固有的性質(zhì)。他寫道：“世界上除原子和真空外就是思想。”德謨克利特及后來的埃皮鳩里烏斯（Epicurius）和魯克里提亞斯 卡拉斯（Lucretius Carus）大膽而有創(chuàng)造性的臆測比較深刻地說明了物質(zhì)結(jié)構(gòu)，肯定了運動是物質(zhì)的屬性，因而具有重要的意義。但原子論在很長時間里并未占據(jù)解釋世界本質(zhì)的主流，2000多年來人們更樂意接受亞里士多德（Aristotle）的四元素說，即宇宙中任何東西都是由四種元素——火、土、空氣和水組成的。 17世紀，英國科學家羅伯特 波義耳（Robert Boyle）曾在其化學研究中使用原子觀點，而比波義耳小16歲的偉大的牛頓在其物理和光學研究中也一直不忘原子觀點。但是，原子概念真正成為科學的一部分是在18世紀后半葉，法國化學家安東尼-勞倫特 拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier）在研究物質(zhì)何以能夠燃燒時判斷出許多真元素，如氧、氮和氫等，它們不能分解為其他化學物質(zhì)。拉瓦錫還認識到燃燒過程不過是空氣中的氧與其他元素的簡單化合過程。1808年，英國化學和物理學家約翰 道爾頓（John Dalton）發(fā)表了《化學哲學新體系》一書，小心地將原子規(guī)則引入化學，提出了物質(zhì)的原子論。其要點是：物質(zhì)是由原子組成的，原子是每種化學元素的*小單元，本身不可分；同一種元素的所有原子是相同的，但不同種元素由不同種原子組成；原子不能產(chǎn)生，也不能消失，只會在化學反應(yīng)中重新組合，以整數(shù)比結(jié)合形成新物質(zhì)。道爾頓學術(shù)標志著原子理論體系真正建立，200多年后成為寫在教科書中的那種形式。 即便有如此多先驅(qū)性的工作，原子論在19世紀也沒能被科學界很快接受。相反，由于缺乏直接的證據(jù)證實原子的存在，當時許多著名的物理學家如恩斯特 馬赫（Ernst Mach）和威廉 奧斯特瓦爾德（Wilhelm Ostwald）都強烈反對原子假設(shè)，他們的反對甚至造成天才的物理學家、熱力學和統(tǒng)計物理學的奠基人之一——路德維希 愛德華 玻爾茲曼（Ludwig Edward Boltzmann）因絕望而自殺。1905年，就在玻爾茲曼自殺前幾個月，當時仍籍籍無名的阿爾伯特 愛因斯坦（Albert Einstein）在《物理學年鑒》上發(fā)表了一篇解釋布朗運動的論文。羅伯特 布朗（Robert Brown）是出生于蘇格蘭的英國植物學家，他發(fā)現(xiàn)當用顯微鏡觀察浮在水面上的花粉時，看到花粉顆粒似乎在做不規(guī)則彈跳運動。愛因斯坦證明這種運動雖然是隨機的，卻遵循一定的統(tǒng)計規(guī)律，如果花粉受到玻爾茲曼所描述的那種在氣體或液體中運動但看不見的微觀粒子的不斷沖擊，其運動恰好就是這種形式。這是原子存在的強有力的證據(jù)，盡管仍是間接性的。這篇文章出現(xiàn)之后，科學界對原子真實性的懷疑就逐漸消失了，但對原子的結(jié)構(gòu)特征仍然知之甚少。 真空管中燈絲通過電流時會產(chǎn)生輻射，稱為陰極射線，對其是波還是粒子在19世紀末期有過較長時間的爭論。1897年，在亨利 卡文迪許（Henry Cavendish）實驗室工作的約瑟夫 約翰 湯姆孫（Joseph John Thomson）依據(jù)運動著的帶電粒子的電磁平衡特性設(shè)計了一個巧妙的實驗。帶電粒子的運動路徑既可以用電場也可以用磁場使之彎曲，湯姆孫所設(shè)計的裝置使這兩種效應(yīng)相互抵消，使得陰極射線從帶負電的金屬板（陰極）發(fā)出后沿直線運動打在探測屏上。這種技巧只能用在帶電粒子上，因此湯姆孫證實陰極射線實際上是帶負電的粒子，現(xiàn)在稱為電子。他還通過電力和磁力的平衡計算出電荷與電子質(zhì)量之比（e/m）。無論什么金屬作陰極，結(jié)果總是一樣，于是湯姆孫得出結(jié)論：電子是原子的一部分，雖然不同元素由不同的原子組成，但所有原子包含的電子總是一樣的。1909年，美國物理學家羅伯特 安德魯 密立根（Robert Andrews Millikan）通過油滴實驗精確測量出電子的電荷值為，再借助湯姆孫測得的荷質(zhì)比，計算得到電子的質(zhì)量為。 湯姆孫的發(fā)現(xiàn)否定了“原子不可再分”的傳統(tǒng)觀念。既然電子帶負電，而原子是電中性的，從邏輯上便可直接得出原子中一定還存在與電子帶相反電荷的物質(zhì)。德國物理學家威廉 維恩（Wilhelm Wien）于1898年首先研究了這種帶正電的射線，當時稱為陽極射線，指出組成這種射線的粒子比電子重得多。湯姆孫在進行了陰極射線方面的工作之后，也用一系列實驗對這種帶正電的射線進行了電磁偏轉(zhuǎn)測量。為解釋中性原子中正負電荷分布的問題，湯姆孫把原子想象成葡萄干面包或類似西瓜的東西，正電荷均勻分布在整個原子球體內(nèi)，電子像葡萄干或西瓜籽那樣散于其中，每個電子帶一點負電荷，維持整個原子的電中性。湯姆孫模型雖然很快被證實是錯誤的，但在揭示微小的原子仍然具有更加精細的結(jié)構(gòu)這個方向上還是值得肯定的。 歐內(nèi)斯特 盧瑟福（Ernest Rutherford）被譽為邁克爾 法拉第（Michael Faraday）之后*偉大的實驗物理學家，在研究元素放射性時發(fā)現(xiàn)了兩種射線，他將它們命名為射線和射線，都是高速運動的粒子。射線很快就被證實是電子，與陰極射線完全相同；射線則完全不同，它由兩個質(zhì)子和兩個中子構(gòu)成的，質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的4倍，電荷是電子電荷量的2倍，而且是正的。但在獲得這些信息之前，盧瑟福就開始使用它們研究原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了。1909年，在盧瑟福的指導下，漢斯 蓋革（Hans Geiger）和歐內(nèi)斯特 馬士登（Ernest Marsden）進行了用射線轟擊金箔的實驗，發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的實驗結(jié)果。如圖1.1所示，大多數(shù)粒子能直接穿透金箔，而且不改變原來的前進方向，一小部分粒子改變原來的運動路線，發(fā)生了偏轉(zhuǎn)；奇怪的是，有極少部分粒子反彈回去。每個粒子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的7300倍，并以接近光速的速度運動，所以這種反彈不可能是和電子相撞引發(fā)的；偏折或反彈應(yīng)該來自金箔中帶正電的物質(zhì)，但如果湯姆孫的葡萄干面包或西瓜模型正確，粒子的反彈就不會發(fā)生，正電荷均勻分布的模型能讓一個粒子穿過，它就應(yīng)該能讓所有粒子穿過。針對令人驚訝的實驗結(jié)果，盧瑟福找到了答案，即原子中的正電荷只能集中在很小的體積中，此體積比整個原子的體積要小得多；這種情況下，入射的粒子才會偶爾和原子中正電荷小聚集體正面相撞而被彈回。只有這樣設(shè)計才能圓滿地解釋實驗結(jié)果：極少的粒子被彈回，少數(shù)稍稍偏折，而大部分直接穿過不受影響。 圖1.1 粒子轟擊金箔實驗示意圖 在此基礎(chǔ)上，盧瑟福于1911年提出了核式結(jié)構(gòu)原子模型。在這個模型中，原子中的正電荷集中在很小的區(qū)域（后來實驗證實原子直徑約為1010 m，而核的直徑只有1016～1014 m），這個電荷電量正好與圍繞其分布的電子云的負電荷相等；原子的質(zhì)量主要來自正電荷部分，即原子核；原子中質(zhì)量很小的電子則圍繞著原子核做旋轉(zhuǎn)運動，就像行星繞太陽運轉(zhuǎn)一樣。至此，原子內(nèi)部的構(gòu)造終于被正確構(gòu)建，達成了原子結(jié)構(gòu)現(xiàn)代理論的基礎(chǔ)。但在經(jīng)典電動力學框架內(nèi)，盧瑟福模型有深刻的“危機”，它無法解釋原子的穩(wěn)定性，即電子為什么不因正負電荷相互吸引而落入帶正電的原子核中。要抵消電子向原子核坍塌的辦法是讓電子繞核運動起來，如地球繞太陽旋轉(zhuǎn)一樣。轉(zhuǎn)動中電子的速率可能保持不變，但運動方向一直在改變，所以電子速度是一直變化的，因為速度是由速率大小和運動方向合成得到的。電子速度的不斷變化必然導致輻射能量，*終電子仍然應(yīng)該沿著螺旋線型方向落入原子核。因此，即使引進軌道運動模型，仍然不能阻止盧瑟福模型中原子的坍塌。這一問題的探索引發(fā)了物理學深刻的革命，標志著量子理論年代的到來。 1.2 氫原子光譜 光譜學研究對理解原子結(jié)構(gòu)和建立原子結(jié)構(gòu)理論有極大的促進作用。現(xiàn)在知道，元素的光譜與該元素原子的電子激發(fā)能有關(guān)。如果在可見光的某個范圍內(nèi)，并且吸收某一部分光線，那它就顯示剩下的那部分光線的顏色。如果該原子的電子激發(fā)能非常低，可以吸收任意的光線，該原子就是黑色的；如果該原子的電子激發(fā)能非常高，不能吸收任何光線，該原子就是白色的；如果該原子能吸收短波部分的光線，該原子就是紅色或黃色的。人們早已發(fā)現(xiàn)，每種元素都有自己的特征譜線圖，即使和該元素作用的光的強度或加熱溫度有所變化，譜線圖也不發(fā)生改變。譜線的規(guī)律清楚地表明元素的原子僅發(fā)射和吸收特定頻率的光。光譜學研究可追溯到19世紀早期，威廉 沃拉斯頓（William Wollaston）在研究來自太陽的光譜中發(fā)現(xiàn)有一些黑線，合理的解釋是光線從很熱的太陽表面發(fā)出后經(jīng)過太陽氣層中較冷的氣團物質(zhì)被吸收掉了特定頻率的光。光譜技術(shù)為化學家鑒別物質(zhì)成分和純度提供了一種特別有用的方法，但直到尼爾斯 玻爾（Niels Bohr）的研究工作出現(xiàn)后才成為探索原子結(jié)構(gòu)的工具。 氫原子是*簡單的原子，只包含一個帶正電的質(zhì)子及核外一個帶負電的電子，因此它的光譜也非常簡單。氫原子在可見光區(qū)（400～700 nm）有四條顏色不同的譜線：H、H、H和H，分別呈現(xiàn)紅色、青色、藍紫色和紫色，其頻率分別為4.57×1014s1、6.17×1014s1、6.91×1014s1和7.31×1014s1，相對應(yīng)的波長分別是656.3nm、486.1nm、434.0nm和410.2nm。 1885年，也就是尼爾斯 玻爾出生的那一年，瑞士年近花甲的中學物理教師約翰 巴耳末（Johann Balmer）給出了一個符合氫原子可見光區(qū)譜線波長的經(jīng)驗公式： （1.1） 當n = 3、4、5和6時，式（1.1）就分別給出氫原子光譜中H、H、H和H四條譜線的波長。 后來，氫原子的紅外與紫外光譜區(qū)的若干譜線系相繼被發(fā)現(xiàn)。于是在1890年，瑞典物理學家約翰內(nèi)斯 里德伯（Johannes Rydberg）總結(jié)了更具普遍性的氫原子光譜的頻率公式： （1.2） 式中，n1和n2為正整數(shù)且n1＜n2。當n1=2時，即為可見光區(qū)的巴耳末系；n1=1時為紫外光譜區(qū)的萊曼（Lyman）系；n1=3和4時依次為紅外光譜區(qū)帕邢（Paschen）系和布拉開（Brackett）系。 這些經(jīng)驗公式都早已被物理學家接受并寫進了大學的教科書。經(jīng)驗和結(jié)果吻合得如此之好，說明這些公式背后有一些有意義的內(nèi)容，其中到底蘊藏著什么，又是如何與物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，這些仍然是等待揭開的奧秘。 1.3 玻爾原子結(jié)構(gòu)理論 如何解釋原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜的實驗事實與經(jīng)驗公式，經(jīng)典物理學無能為力。在經(jīng)典電磁理論框架內(nèi)，原子應(yīng)該是不穩(wěn)定的，繞核不斷變化速度旋轉(zhuǎn)的電子將自動而且連續(xù)地輻射能量，*終電子會坍塌到原子核，并且發(fā)射的光譜應(yīng)該是連續(xù)光譜而不是線狀光譜。 1913年，丹麥物理學家玻爾接受了馬克斯 普朗克（Max Planck）量子論和愛因斯坦光子論的觀點，提出了新的原子結(jié)構(gòu)理論。 普朗克是德國理論物理學家，他在1900年為黑體輻射譜找到一個完美的數(shù)學公式，為探尋這個公式背后的物理意義，他提出了量
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