第一章原子结构与键合.docx

第一章原子结构与键合.docx

《第一章原子结构与键合.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章原子结构与键合.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第一章原子结构与键合

第一章原子结构与键合

1-1.   原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定？

1-2.   在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？

1-3.   在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？

从左到右或从上到下元素结构有什么区别？

性质如何递变？

1-4. 何谓同位素？

为什么元素的相对原子质量不总为正整数？

1-5. 铬的原子序数为24，它共有四种同位素：

w（Cr）=4.31%的Cr原子含有26个中子，w（Cr）＝83.76%的Cr含有28个中子，w（Cr）＝9.55%的Cr含有29个中子，且w（Cr）＝2.38%的Cr含有30个中子。

试求铬的相对原子质量。

1-6.铜的原子序数为29，相对原子质量为63.54，它共有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的同位素之含量百分比。

1-7. 锡的原子序数为50，除了4f亚层之外,其它内部电子亚层均已填满。

试从原子结构角度来确定锡的价电子数。

1-8. 铂的原子序数为78，它在5d亚层中只有9个电子，并且在5f层中没有电子，请问在Pt的6s亚层中有几个电子？

1-9. 已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？

哪个族？

并判断其金属性强弱。

1-10.  原子间的结合键共有几种？

各自特点如何？

1-11.图1-1绘出三类材料—金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离关系曲线，试指出它们各代表何种材料。

图1－1

1-12.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：

（a）能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？

（b）必须破坏的共价键之比例为多少？

1-13. S的化学行为有时象6价的元素，而有时却象4价元素。

试解释S这种行为的原因。

1-14. A和B元素之间键合中离子特性所占的百分比可近似的用下式表示：

这里xA和xB分别为A和B元素的电负性值。

已知Ti、O、In和Sb的电负性分别为1.5，3.5，1.7和1.9，试计算TiO2和InSb的IC%。

1-15. Al2O3的密度为3.8g/cm3，试计算a）1mm3中存在多少原子？

b）1g中含有多少原子？

1-16.  尽管HF的相对分子质量较低，请解释为什么HF的沸腾温度（19.4℃）要比HCl的沸腾温度（-85℃）高？

1-17.高分子链结构分为近程结构和远程结构。

他们各自包括内容是什么？

1-18.高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类，试从高分子链结构角度加以解释。

1-19.分别绘出甲烷（CH4）和乙烯（C2H4）之原子排列与键合.

1-20.高密度的聚乙烯可以通过氯化处理即用氯原子来取代结构单元中氢原子的方法实现。

若用氯取代聚乙烯中8%的氢原子，试计算需添加氯的质量分数。

1-21.高分子材料相对分子质量具有多分散性。

表1-1为聚乙烯相对分子质量分布表

表1-1

分子量范围（103）

平均分子量Mi（103）

分子数分数xi

xiMi

质量分数wi

wiMi

5～10

7.5

0.05

375

0.02

150

10～15

12.5

0.016

2000

0.10

1250

15～20

17.5

0.22

3850

0.18

3150

20～25

22.5

0.27

6075

0.29

6525

25～30

27.5

0.20

5500

0.26

7150

30～35

32.5

0.08

2600

0.13

4225

35～40

37.5

0.02

750

0.02

750

试计算该材料的数均相对分子质量

，重均相对分子质量

以及数均聚合度nn。

1-22.有一共聚物ABS（A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯），每一种单体的质量分数均相同，求各单体的摩尔分数。

1-23.嵌镶金相试样用的是酚醛树脂类的热固性塑料。

若酚醛塑料的密度为1.4g/cm3，试求10cm3的圆柱形试样含的分子量为多少？

1-24.一有机化合物，其组成的w（C）为62.1%，w（H）为10.3%，w（O）为27.6%。

试推断其化合物名称。

1-25.尼龙-6是HOCO（CH2）5NH2的缩聚反应的产物。

a）用分子式表示其缩聚过程；b）已知C-O、H-N、C-N、H-O的键能分别为360、430、305、500（kJ/mol），问形成一摩尔的H2O时，所放出的能量为多少？

1-26.已知线性聚四氟乙烯的数均相对分子质量为5X105，其C-C键长为0.154nm，键角为109o，试计算其总链长L和均方根末端距。

第二章固体结构

2-1.试证明四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。

2-2. 为什么密排六方结构不能称作为一种空间点阵？

2-3. 标出面心立方晶胞中（111）面上各点的坐标，并判断

是否位于（111）面上，然后计算

方向上的线密度。

2-4. 标出具有下列密勒指数的晶面和晶向：

①立方晶系

；②六方晶系

，

，

，

，

2-5.在立方晶系中画出

晶面族的所有晶面，并写出{123}晶面族和﹤221﹥晶向族中的全部等价晶面和晶向的密勒指数。

2-6. 在立方晶系中画出以

为晶带轴的所有晶面。

2-7. 试证明在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。

2-8. 已知纯钛有两种同素异构体，低温稳定的密排六方结构

和高温稳定的体心立方结构

，其同素异构转变温度为882.5℃，计算纯钛在室温（20℃）和900℃时晶体中（112）和（001）的晶面间距（已知aa20℃=0.2951nm,ca20℃=0.4679nm,aβ900℃=0.3307nm）。

2-9.试计算面心立方晶体的（100），（110），（111）等晶面的面间距和面致密度，并指出面间距最大的面。

2-10.平面A在极射赤面投影图中为通过NS极和点0°N，20°E的大圆，平面B的极点在30°N，50°W处，a）求极射投影图上两极点A、B间的夹角；b）求出A绕B顺时针转过40°的位置。

2-11. ①说明在fcc的（001）标准极射赤面投影图的外圆上，赤道线上和0°经线上的极点的指数各有何特点？

②在上述极图上标出

、

、

极点。

2-12. 根据标准的（001）极射赤面投影图指出在立方晶体中属于[110]晶带轴的晶带，除了已在图2-12中标出晶面外，在

晶面中那些属于[110]晶带？

。

2-13. 不用极射投影图，利用解析几何方法，如何确定立方晶系中①两晶向间的夹角

；②两晶面夹角

；③两晶面交线的晶向指数；④两晶向所决定的晶面指数。

2-14.图2-14为α-Fe的x射线衍射谱，所用x光波长λ=0.1542nm，试计算每个峰线所对应晶面间距，并确定其晶格常数。

2-15.采用Cu的kα（λ=0.1542nm）测得Cr的x射线衍射谱为首的三条2

=44.4°，64.6°和81.8°，若（bcc）Cr的晶格常数a=0.2885nm，试求对应这些谱线的密勒指数。

2-16.归纳总结三种典型的晶体结构的晶体学特征。

2-17. 试证明理想密排六方结构的轴比c/a=1.633。

2-18. Ni的晶体结构为面心立方结构，其原子半径为r=0.1243nm，试求Ni的晶格常数和密度。

的晶体结构为体心立方结构，其晶格常数a=0.3147nm，试求Mo的原子半径r。

的晶格常数a=0.2884nm，密度为ρ=7.19g/cm3，试确定此时Cr的晶体结构。

2-21. In具有四方结构，其相对原子质量Ar=114.82，原子半径r=0.1625nm，晶格常数a=0.3252nm，c=0.4946nm，密度ρ=7.286g/cm3，试问In的单位晶胞内有多少个原子?

In致密度为多少？

2-22. Mn的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm，ρ为7.26g/cm3，r为0.112nm，问Mn晶胞中有几个原子，其致密度为多少？

2-23. ①按晶体的钢球模型，若球的直径不变，当Fe从fcc转变为bcc时，计算其体积膨胀多少？

②经x射线衍射测定在912℃时，α-Fe的a=0.2892nm，γ-Fe的a=0.3633nm,计算从γ-Fe转变为α-Fe时，其体积膨胀为多少？

与①相比，说明其差别原因。

2-24.①计算fcc和bcc晶体中四面体间隙及八面体间隙的大小（用原子半径R表示），并注明间隙中心坐标；②指出溶解在γ-Fe中C原子所处位置，若此类位置全部被C原子占据，那么问在此情况下，γ-Fe能溶解C的质量分数为多少？

实际上，碳在铁中的最大溶解质量分数是多少？

两者在数值上有差异的原因是什么？

2-25. ①根据下表所给之值，确定哪一种金属可作为溶质与钛形成溶解度较大的固溶体：

Tihcpa=0.295nm

Behcpa=0.228nm

Alfcca=0.404nm

Vbcca=0.304nm

Crbcca=0.288nm

②计算固溶体中此溶质原子数分数为10%时，相应质量分数为多少？

-Zn和Cu-Sn组成固溶体最多可溶入多少原子数分数的Zn或Sn？

若Cu晶体中固溶入Zn的原子数分数为10%，最多还能溶入多少原子数分数的Sn?

2-27含w（Mn）为12.3%，w（C）为1.34%的奥氏体钢，点阵常数为0.3624nm，密度为7.83g/cm3，C，Fe，Mn的相对原子质量分别为12.01，55.85，54.94，试判断此固溶体的类型。

2-28.渗碳体（Fe3C）是一种间隙化合物，它具有正交点阵结构，其点阵常数a=0.4514nm，b=0.508nm，c=0.6734nm，其密度=7.66g/cm3，试求Fe3C每单位晶胞中含Fe原子与C原子的数目。

2-29.试从晶体结构的角度，试说明间隙固溶体、间隙相以及间隙化合物之间的区别。

2-30.试证明配位数为6的离子晶体中，最小的正负离子半径比为0.414。

2-31. MgO具有NaCl型结构。

Mg2+的离子半径为0.078nm，O2-的离子半径为0.132nm。

试求MgO的密度（ρ）、致密度（K）。

2-32.  某固溶体中含有x（MgO）为30%，x（LiF）为70%。

①试计算Li+1，Mg2+，F-1和O2-之质量分数；②若MgO的密度为3.6g/cm3，LiF的密度为2.6g/cm3，那么该固溶体的密度为多少？

2-33.铯与氯的离子半径分别为0.167nm，0.181nm,试问①在氯化铯内离子在<100>或<111>方向是否相接触？

②每个单位晶胞内有几个离子？

③各离子的配位数是多少？

④ρ和K各为多少？

2-34.K+和Cl-的离子半径分别为0.133nm，0.181nm，KCl具有CsCl型结构，试求其ρ和K。

2-35. Al3+和O2-的离子半径分别为0.051nm，0.132nm，试求Al2O3的配位数。

2固溶体中每6个Zr4+离子同时有一个Ca2+离子加入就可能形成一立方体晶格ZrO2。

若Zr4+离子形成fcc结构，而O2-离子则位于四面体间隙位置。

计算①100个阳离子需要有多少O2-离子存在？

②四面体间距位置被占据的百分比为多少？

2-37. 试计算金刚石结构的致密度。

2-38.金刚石为碳的一种晶体结构，其晶格常数a=0.357nm，当它转换成石墨（

＝2.25g/cm3）结构时，求其体积的变化？

具有金刚石型结构，试求Si的四面体结构中两共价键间的夹角。

2-40.结晶态的聚乙烯分子结构如图2-40所示，其晶格属斜方晶系，晶格常数a=0.74nm，b=0.493nm，c=0.253nm，两条分子链贯穿一个晶胞。

①试计算完全结晶态的聚乙烯的密度；②若完整非晶态聚乙烯的密度为0.9g/cm3，而通常商用的低密度聚乙烯的密度为0.92g/cm3，高密度聚乙烯的密度为0.96g/cm3，试估算上述两种情况下聚乙烯的结晶体积分数。

2-41.聚丙烯是由丙烯聚合而成，其化学式是C3H6，结晶态聚丙烯属单斜晶系，其晶格常数a=0.665nm，b=2.096nm，c=0.65nm，α=γ=90°,β=99.3°，其密度ρ=0.91g/cm3。

试计算结晶态聚丙烯的单位晶胞中C和H原子的数目。

2-42.何谓玻璃？

从内部原子排列和性能上看，非晶态和晶态物质主要区别何在？

2-43.有一含有苏打的玻璃，SiO2的质量分数为80%，而Na2O的质量分数为20%，。

试计算形成非搭桥的O原子数分数。

第三章晶体缺陷

3-1.设Cu中空位周围原子的振动频率为1013s-1,⊿Em为0.15⨯10-18J，exp（⊿Sm/k）约为1，试计算在700K和室温（27℃）时空位的迁移频率。

的晶体结构为bcc，其晶格常数为0.3294nm，密度为8.57g/cm3,试求每106Nb中所含空位数目。

的晶体结构为fcc，其晶格常数为0.3923nm，密度为21.45g/cm3，试计算其空位粒子数分数。

3-4.若fcc的Cu中每500个原子会失去一个，其晶格常数为0.3615nm，试求Cu的密度。

3-5.由于H原子可填入-Fe的间隙位置，若每200个铁原子伴随着一个H原子，试求-Fe理论的和实际的密度与致密度（已知-Fea=0.286nm，rFe=0.1241nm，rH=0.036nm）。

的密度为3.58g/cm3,其晶格常数为0.42nm，试求每个MgO单位晶胞内所含的Schottky缺陷之数目。

3-7.若在MgF2中溶入LiF，则必须向MgF2中引入何种形式的空位（阴离子或阳离子）？

相反，若欲使LiF中溶入MgF2，则需向LiF中引入何种形式的空位（阴离子或阳离子）？

3-8.若Fe2O3固溶于NiO中，其质量分数w（Fe2O3）为10%。

此时，部分3Ni2+被（2Fe3++□）取代以维持电荷平衡。

已知

，

，

，求1m3中有多少个阳离子空位数？

3-9.某晶体的扩散实验中发现，在500℃时，1010个原子中有一个原子具有足够的激活能可以跳出其平衡位置而进入间隙位置；在600℃时，此比例会增加到109。

①求此跳跃所需要的激活能？

②在700℃时，具有足够能量的原子所占的比例为多少？

3-10.某晶体中形成一个空位所需要的激活能为0.32×10-18J。

在800℃时，1×104个原子中有一个空位，求在何种温度时，103个原子中含有一个空位？

3-11.已知Al为fcc晶体结构，其点阵常数a=0.405nm，在550℃时的空位浓度为2×10-6，计算这些空位平均分布在晶体中的平均间距。

3-12.在Fe中形成1mol空位的能量为104.675kJ，试计算从20℃升温至850℃时空位数目增加多少倍？

3-13.由600℃降至300℃时，Ge晶体中的空位平衡浓度降低了六个数量级，试计算Ge晶体中的空位形成能。

3-14.W在20℃时每1023个晶胞中有一个空位，从20℃升至1020℃，点阵常数膨胀了（4⨯10-4）%，而密度下降了0.012%，求W的空位形成能和形成熵。

的空位形成能（EV）和间隙原子形成能（Ei）分别为0.76eV和3.0eV,求在室温（20℃）及500℃时Al空位平衡浓度与间隙原子平衡浓度的比值。

3-16.若将一位错线的正向定义为原来的反向，此位错的柏氏矢量是否改变？

位错的类型性质是否变化？

一个位错环上各点位错类型是否相同？

3-17.有两根左螺旋位错线，各自的能量都为E1，当他们无限靠拢时，总能量为多少？

3-18.如图3-18表示两根纯螺位错，一个含有扭折，而另一个含有割阶。

从图上所示的箭头方向为位错线的正方向，扭折部分和割阶部分都为纯刃型位错。

①若图示滑移面为fcc的（111）面，问这两对位错线段中（指割阶和扭折），那一对比较容易通过他们自身的滑移而去除？

为什么？

②解释含有割阶的螺型位错在滑动时是怎样形成空位的。

3-19.假定有一个b在

晶向的刃型位错沿着（100）晶面滑动，①如果有另一个柏氏矢量在[010]方向，沿着（001）晶面上运动的刃型位错，通过上述位错时该位错将发生扭折还是割阶？

②如果有一个b方向为[100]，并在（001）晶面上滑动的螺型位错通过上述位错，试问它将发生扭折还是割阶？

3-20.有一截面积为1mm2，长度为10mm的圆柱状晶体在拉应力作用下，①与圆柱体轴线成45°的晶面上若有一个位错线运动，它穿过试样从另一面穿出，问试样将发生多大的伸长量（设b=2⨯10-10m）？

②若晶体中位错密度为1014m-2，当这些位错在应力作用下，全部运动并走出晶体，试计算由此而发生的总变形量（假定没有新的位错产生）。

③求相应的正应变。

3-21.有两个被钉扎住的刃型位错A-B和C-D，他们的长度x相等，且具有相同的b大小和方向（图3-21）。

每个位错都可看作F-R位错源。

试分析在其增值过程中两者间的交互作用。

若能形成一个大的位错源，使其开动的c多大？

若两位错b相反，情况又如何？

3-22.如图3-22所示，在相距为h的滑移面上有两个相互平行的同号刃型位错A、B。

试求出位错B滑移通过位错A上面所需的切应力表达式。

3-23.已知金晶体的G=27GPa，且晶体上有一直刃位错b=0.2888nm，试绘出此位错所产生的最大分切应力与距离关系图，并计算当距离为2m时的最大分切应力。

3-24.两根刃位错的b大小相等且相互垂直（如图3-24所示），计算位错2从其滑移面上x=∞处移至x=a处所需的能量。

3-25.已知Cu晶体的点阵常数a=0.35nm，切变模量G=4×104MPa，有一位错b

，其位错线方向为

，试计算该位错的应变能。

3-26.在同一滑移面上有两根相平行的位错线，其柏氏矢量大小相等且相交成角，假设两柏氏矢量相对位错线呈成对配置（图3-26），试从能量角度考虑，在什么值时两根位错线相吸或相斥。

3-27.图3-27所示某晶体滑移面上有一柏氏矢量为b的位错环并受到一均匀切应力τ的作用，①分析各段位错线所受力的大小并确定其方向；②在τ作用下，若要使它在晶体中稳定不动，其最小半径为多大？

3-28.试分析在fcc中，下列位错反应能否进行?

并指出其中三个位错的性质类型？

反应后生成的新位错能否在滑移面上运动？

3-29.试证明fcc中两个肖克莱不全位错之间的平衡距离ds可近似由下式给出

。

3-30.已知某fcc的堆垛层错γ为0.01J/m2，G为7⨯1010Pa，a=0.3nm，v=0.3，试确定

和

两不全位错之间的平衡距离。

3-31.在三个平行的滑移面上有三根平行的刃型位错线A、B、C（图3-31.其柏氏矢量大小相等，AB被钉扎不能动，①若无其它外力，仅在A、B应力场作用下，位错C向哪个方向运动？

②指出位错向上述方向运动，最终在何处停下?

3-32. 如图3-32所示，离晶体表面l处有一螺位错1，相对应的在晶体外有一符号相反的镜像螺位错2，如果在离表面l/2处加以同号螺位错3,试计算加至螺位错3上的力，并指出该力将使位错3向表面运动还是向晶体内部运动；如果位错3与位错1的符号相反，则结果有何不同（所有位错的柏氏矢量都为b）？

3-33.铜单晶的点阵常数a=0.36nm，当铜单晶样品以恒应变速率进行拉伸变形时，3秒后，试样的真应变为6%，若位错运动的平均速度为4⨯10-3cm/s，求晶体中的平均位错密度。

3-34.铜单晶中相互缠结的三维位错网络结点间平均距离为D，①计算位错增殖所需的应力τ；②如果此应力决定了材料的剪切强度,为达到G/100的强度值，且已知G=50GPa，a=0.36nm，D应为何值？

③计算当剪切强度为42MPa时的位错密度ρ。

3-35. 试描述位错增殖的双交滑移机制。

如果进行双交滑移的那段螺型位错长度为100nm，而位错的柏氏矢量为0.2nm，试求实现位错增殖所必需的切应力（G=40GPa）。

3-36.在Fe晶体中同一滑移面上有三根同号且b相等的直刃型位错线A、B、C，受到分切应力τx的作用，塞积在一个障碍物前（图3-36），试计算出该三根位错线的间距及障碍物受到的力（已知G=80GPa,τx=200MPa，b=0.248nm）。

3-37.不对称倾斜晶界可看成由两组柏氏矢量相互垂直的刃位错b┴和b├交错排列而构成的。

试证明两组刃型位错距离为D┴

，D├

。

3-38.证明公式

也代表形成扭转晶界的两个平行螺型位错之间的距离，这个扭转晶界是绕晶界的垂直线转动了

角而形成。

3-39.在铝试样中，测得晶粒内部密度为5⨯109/cm2。

假定位错全部集中在亚晶界上，每个亚晶粒的截面均为正六边形。

亚晶间倾斜角为5°,若位错全部为刃型位错，

，柏氏矢量的大小等于2⨯10-10m，试求亚晶界上的位错间距和亚晶的平均尺寸。

晶体的错排间距为2000nm，假设每一个错排都是由一个额外的（110）原子面所产生的，计算其小倾角晶界的

角。

3-41.若由于嵌入一额外的（111）面，使得α-Fe内产生一个倾斜1°的小角度晶界，试求错排间的平均距离。

3-42.设有两个α晶粒与一个β相晶粒相交于一公共晶棱，并形成三叉晶界，已知β相所张的两面角为100°，界面能γαα为0.31Jm-2，试求α相与β相的界面能γαβ。

3-43.证明一维点阵的α-β相界面错配可用一列刃型位错完全调节，位错列的间距为

，式中αβ为β相的点阵常数，δ为错配度。

第四章原子及分子的运动

4-1.有一硅单晶片，厚0.5mm，其一端面上每107个硅原子包含两个镓原子，另一个端面经处理后含镓的浓度增高。

试求在该面上每107个硅原子需包含几个镓原子，才能使浓度梯度成为2×1026原子/m3.m硅的点阵常数为0.5407nm。

4-2.在一个富碳的环境中对钢进行渗碳，可以硬化钢的表面。

已知在1000℃下进行这种渗碳热处理，距离钢的表面1～2mm处，碳含量从x=5%减到x=4%。

估计在近表面区域进入钢的碳原子的流入量J（原子数/m2s）。

（γ-Fe在1000℃的密度为7.63g/cm3，碳在γ-Fe中的扩散常数D0=2.0×10-5m2/s,激活能Q=142kJ/mol）。

4-3.为研究稳态条件下间隙原子在面心立方金属中的扩散情况，在厚0.25mm的金属薄膜的一个端面（面积1000mm2）保持对应温度下的饱和间隙原子，另一端面为间隙原子为零。

测得下列数据：

温度（K）

薄膜中间隙原子的溶解度（kg/m3）

间隙原子通过薄膜的速率（g/s）

1223

14．4

0.0025

1136

19．6

0.0014

计算在这两个温度下的扩散系数和间隙原子在面心立方金属中扩散的激活能。

4-4.一块w（C）=0.1%C的碳钢在930℃渗碳，渗到0.05cm的地方碳的浓度达到0.45%。

在t>0的全部时间，渗碳气氛保持表面成分为1%，假设

=2.0×10-5exp（-140000/RT）（m2/s），

①计算渗碳时间；

②若将渗层加深一倍，则需多长时间？

③若规定w（C）=0.3%C作为渗碳层厚度的量度，则在930℃渗碳10小时的渗层厚度为870℃渗碳10小时的多少倍？

4-5.W（C）=0.85%的普碳钢加热到900℃在空气中保温1小时后外层碳浓度降到零。

①推导脱碳扩散方程的解，假定t>0时，x=0处，ρ=0。

②假如要求零件外层的碳浓度为0.8%，表面应车去多少深度？

（

=1.1×10-7cm2/s）

4-6.在950℃下对纯铁假设表面