材料科學與工程1

1、材料科學基礎材料科學基礎材料各向異性與織構教育部重點實驗室材料各向異性與織構教育部重點實驗室p 新材料技術、信息技術、生物技術、能源技術并列為新材料技術、信息技術、生物技術、能源技術并列為新技術新技術革命的重要標志革命的重要標志，是，是21世紀科學技術的核心。世紀科學技術的核心。 p 先進材料是信息技術、生物技術、先進能源技術以及空天技先進材料是信息技術、生物技術、先進能源技術以及空天技術、海洋技術、先進制造技術等的術、海洋技術、先進制造技術等的物質基礎物質基礎，是新技術革命的，是新技術革命的先導先導，是人類進步的強大，是人類進步的強大“引擎引擎”。p 材料的研究、開發(fā)和應用，反映一個國家科學

2、技術與工業(yè)水材料的研究、開發(fā)和應用，反映一個國家科學技術與工業(yè)水平，悠關平，悠關綜合國力與國家安全綜合國力與國家安全。一、一、 材料的重要地位材料的重要地位材料領域發(fā)展指導原則：堅持滿足當前需求與實施長遠戰(zhàn)材料領域發(fā)展指導原則：堅持滿足當前需求與實施長遠戰(zhàn)略相結合，堅持新興產業(yè)培育與傳統(tǒng)結構調整相結合，堅略相結合，堅持新興產業(yè)培育與傳統(tǒng)結構調整相結合，堅持技術創(chuàng)新引領與市場需求帶動相結合。持技術創(chuàng)新引領與市場需求帶動相結合。p 材料科學材料科學研究研究“為什么為什么”，核心是，核心是結構與性能結構與性能關系材料科學關系材料科學的基礎理論體系。如：強度、磁性、再結晶、相變等。的基礎理論體系。如：

3、強度、磁性、再結晶、相變等。p 材料工程材料工程解決解決“怎樣做怎樣做”，根據(jù)結構性能關系，如何，根據(jù)結構性能關系，如何制備制備材材料的結構、性能和形狀（判據(jù)：經濟、質量、資源、環(huán)保、能源）。料的結構、性能和形狀（判據(jù)：經濟、質量、資源、環(huán)保、能源）。p 材料科學為材料工程提供設計依據(jù)，為選擇材料、使用材料、發(fā)展材料科學為材料工程提供設計依據(jù)，為選擇材料、使用材料、發(fā)展新材料提供理論基礎。新材料提供理論基礎。p 材料工程為材料科學提供豐富的研究課題。材料工程為材料科學提供豐富的研究課題。p 材料科學和材料工程緊密聯(lián)系，沒有明顯界線。常將二者合稱為材材料科學和材料工程緊密聯(lián)系，沒有明顯界線。常將

4、二者合稱為材料科學與工程。料科學與工程。材料科學與工程材料科學與工程材料材料結構結構性能性能制備制備二、二、材料科學與工程材料科學與工程內容內容宏觀結構（宏觀結構（Macroscopic structure）-借助借助naked eye和低倍放大鏡觀察到的組織結構和低倍放大鏡觀察到的組織結構電子結構電子結構（Electronic structure）-原子、分子、晶體中電子的排列（運動）方式原子、分子、晶體中電子的排列（運動）方式晶體結構（晶體結構（Crystal structure）-晶體中原子或分子的排列方式晶體中原子或分子的排列方式顯微結構（顯微結構（Microscopic struct

5、ure）-借助顯微鏡借助顯微鏡(microscope)觀察到的組織結構觀察到的組織結構n 結構結構（ Structure ）內部組元的排列方式內部組元的排列方式二、二、材料科學與工程材料科學與工程內容內容 力學性能力學性能（力的作用）（力的作用） 物理性能物理性能（電、熱、磁、光的作用）（電、熱、磁、光的作用） 化學性能化學性能（腐蝕環(huán)境的作用）（腐蝕環(huán)境的作用）n 性能（性能（properties）材料的特性材料的特性-材料對外部作用的反應（類型、程度）材料對外部作用的反應（類型、程度）n 制備（制備（processing） 冶煉冶煉 鑄造鑄造 加工與成形加工與成形 處理與改性處理與改性二、

6、二、材料科學與工程材料科學與工程內容內容晶體結構晶體結構力學性能力學性能“Crystals are like people, it is the defects in them whichtend to make them interesting!” Colin Humphreys.微觀組織晶體缺陷微觀組織晶體缺陷位錯（位錯（dislocation）材料科學基礎材料科學基礎( (上上)-1)-1電子結構電子結構 晶體結構晶體結構n 第一章：原子和分子的電子結構第一章：原子和分子的電子結構 波函數(shù)和薛定諤方程；單電子和多電子原子的電子結波函數(shù)和薛定諤方程；單電子和多電子原子的電子結構；原子軌道分

7、布圖；分子軌道理論。構；原子軌道分布圖；分子軌道理論。n 第二章：金屬電子理論（能帶理論）第二章：金屬電子理論（能帶理論） 布洛赫定理；費米分布函數(shù)；近自由電子近似；緊束布洛赫定理；費米分布函數(shù)；近自由電子近似；緊束縛近似；布里淵區(qū)；能帶理論應用?？`近似；布里淵區(qū)；能帶理論應用。n 第三章：晶體結構第三章：晶體結構 空間點陣；密勒指數(shù)；晶向和晶面族；晶帶；典型的空間點陣；密勒指數(shù)；晶向和晶面族；晶帶；典型的晶體結構（晶體結構（FCC/BCC/HCP）；晶體對稱；合金相。）；晶體對稱；合金相。掌握材料的電子結構和晶體結構的基礎理論掌握材料的電子結構和晶體結構的基礎理論電子的排列方式（運動狀態(tài)）電

8、子的排列方式（運動狀態(tài)）第一章第一章 原子和分子的電子結構原子和分子的電子結構粒子性粒子性具有集中、獨立存在的性質具有集中、獨立存在的性質 特征量：特征量： （E，p）波動性波動性在空間和時間上周期性變化的性質在空間和時間上周期性變化的性質特征量：特征量： （，）光光波粒二象性波粒二象性(Wave-particle duality) 微觀粒子的基本特征微觀粒子的基本特征光電效應光電效應E=h p=h/ 愛因斯坦愛因斯坦(1905) 1923年諾貝爾獎年諾貝爾獎 只有當光的頻率大于某一定值時，才有光電子發(fā)射出來。 逸出電子能量只與光頻率有關，與光強無關。 按電磁理論，光的能量決定于光波強度（振幅

9、）而與頻率無關。只要強度足夠，任何頻率的光都能產生光電效應，電子動能隨光強增加而增大。 光子波包1.1 微觀粒子的運動規(guī)律微觀粒子的運動規(guī)律德布羅意德布羅意關系式關系式E=h p=h/ 實物粒子實物粒子德布羅依的假設遭到導師反對，愛因斯坦關照才獲博士學位德布羅依的假設遭到導師反對，愛因斯坦關照才獲博士學位 34103166.626 107.28 109.1 1010hmvm電子：電子：m石頭：石頭：35123410626. 6101010626. 6mh1924年提出（24歲），1929年諾貝爾獎n 德布羅意德布羅意向巴黎大學理學院提交的博士論文中提出：在光向巴黎大學理學院提交的博士論文中提出

10、：在光學上，比起波動的研究，過于忽略粒子的一面；學上，比起波動的研究，過于忽略粒子的一面；在物質理論上，是否發(fā)生了相反的錯誤把粒子在物質理論上，是否發(fā)生了相反的錯誤把粒子的圖象想得太多，而過于忽略波的圖象。一切物的圖象想得太多，而過于忽略波的圖象。一切物質粒子都具有粒子性和波動性，在一定條件下，質粒子都具有粒子性和波動性，在一定條件下，表現(xiàn)出粒子性，在另一些條件下體現(xiàn)出波動性。表現(xiàn)出粒子性，在另一些條件下體現(xiàn)出波動性。證明電子波動性的衍射實驗證明電子波動性的衍射實驗n 戴維遜戴維遜- -革末革末電場加速的電子束電場加速的電子束 單晶鎳（背反射）單晶鎳（背反射） 1927年實驗，年實驗，1937

11、年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎 根據(jù)衍射電子束的角度和晶體常數(shù)可用根據(jù)衍射電子束的角度和晶體常數(shù)可用Bragg方程計方程計算出電子的物質波波長算出電子的物質波波長(2dsin =n )。從衍射數(shù)據(jù)中求。從衍射數(shù)據(jù)中求得的波長與從德布羅意關系式得的波長與從德布羅意關系式 =h/p計算的波長一致。計算的波長一致。 用底片拍攝的衍射圖樣是一系列同心圓，根據(jù)衍射圓環(huán)用底片拍攝的衍射圖樣是一系列同心圓，根據(jù)衍射圓環(huán)直徑確定衍射角，計算得到的電子波波長（直徑確定衍射角，計算得到的電子波波長（2dsin =n ），），與德布羅意關系式與德布羅意關系式 =h/p計算的波長一致。計算的波長一致。 n 湯姆遜湯

12、姆遜 電子束電子束 垂直穿透金、鋁、鉑的薄片垂直穿透金、鋁、鉑的薄片 1927年實驗，年實驗，1937年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎如何描述微觀粒子的運動狀態(tài)？如何描述微觀粒子的運動狀態(tài)？宏觀粒子：宏觀粒子：( (坐標，動量坐標，動量) )，運動規(guī)律服從牛頓力學方程，運動規(guī)律服從牛頓力學方程 微觀粒子微觀粒子? ?海森堡海森堡1927年提出（年提出（26歲）歲）1932年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎電子單縫衍射p p /2測不準原理：測不準原理：smxm/1025. 510101025. 52/294235子彈sm/103可用經典物理學處理可用經典物理學處理 smxm/1077. 5101

13、01 . 91025. 52/5103135sm/106分子中的電子應用量子力學處理應用量子力學處理 smxm/77. 510101 . 91025. 52/53135sm/106真空管中電子可用經典物理學處理可用經典物理學處理 微觀粒子的運動狀態(tài)不是在任何情況下都須用量子力學微觀粒子的運動狀態(tài)不是在任何情況下都須用量子力學來描述。但在原子或分子空間須用量子力學來處理。來描述。但在原子或分子空間須用量子力學來處理。 描述微觀粒子狀態(tài)的時間描述微觀粒子狀態(tài)的時間t和坐標和坐標r的函數(shù)的函數(shù) 波函數(shù)波函數(shù) 自由粒子單色平面波：自由粒子單色平面波： (r,t)=Aei/(pr-Et) 波函數(shù)如何體現(xiàn)

14、波粒二象性？（物理意義）波函數(shù)如何體現(xiàn)波粒二象性？（物理意義）慢速電子衍射實驗慢速電子衍射實驗 對于大量電子而言，衍射強度大的地方，電對于大量電子而言，衍射強度大的地方，電子出現(xiàn)的數(shù)目多；對于單個電子而言，衍射強度子出現(xiàn)的數(shù)目多；對于單個電子而言，衍射強度大的地方，電子出現(xiàn)的機會多。大的地方，電子出現(xiàn)的機會多。 t t時刻在時刻在r r處粒子出現(xiàn)的幾率與處粒子出現(xiàn)的幾率與t t時刻波函數(shù)在時刻波函數(shù)在r r處處的絕對值平方的絕對值平方(r,t)(r,t)2 2成正比，成正比，(r,t)(r,t)2 2代表粒子在時代表粒子在時空的空的幾率密度分布幾率密度分布。 按波動學理論，衍射強度用波函數(shù)絕對

15、值平方表示，按波動學理論，衍射強度用波函數(shù)絕對值平方表示，博恩博恩據(jù)此提出微觀粒子波函數(shù)物理意義的解釋：據(jù)此提出微觀粒子波函數(shù)物理意義的解釋：（單位體積中微觀粒子出現(xiàn)的幾率）（單位體積中微觀粒子出現(xiàn)的幾率） 單個電子就具有波動性，電子的波動性是單個電子就具有波動性，電子的波動性是和電子運動的統(tǒng)計規(guī)律性聯(lián)系在一起；電子運和電子運動的統(tǒng)計規(guī)律性聯(lián)系在一起；電子運動服從統(tǒng)計規(guī)律，統(tǒng)計性顯示出波動性動服從統(tǒng)計規(guī)律，統(tǒng)計性顯示出波動性。 物質波是幾率波，物質波是幾率波，幾率幾率波將微觀粒子的波波將微觀粒子的波動性和粒子性統(tǒng)一起來。動性和粒子性統(tǒng)一起來。俯仰微觀粒子的波粒二象性：微觀粒子的波粒二象性：q

16、波動性不同于經典的波動性，不是振動的傳播，是波波動性不同于經典的波動性，不是振動的傳播，是波強與電子出現(xiàn)幾率成正比的幾率波；強與電子出現(xiàn)幾率成正比的幾率波；q 粒子性不同于經典的粒子性，沒有運動的軌道，只有粒子性不同于經典的粒子性，沒有運動的軌道，只有在空間不同位置有規(guī)律的幾率分布。在空間不同位置有規(guī)律的幾率分布。2222)()(),(rertrtEi定態(tài)的微觀粒子在空間各處出現(xiàn)的幾率密度不隨定態(tài)的微觀粒子在空間各處出現(xiàn)的幾率密度不隨時間改變時間改變tEiertr)(),(如微觀粒子所處的勢場不隨時間變化如微觀粒子所處的勢場不隨時間變化定態(tài)波函數(shù)定態(tài)波函數(shù)),(tr)(r振幅波函數(shù)或簡稱振幅波

17、函數(shù)或簡稱波函數(shù)波函數(shù)能量能量E E具有確定值（不隨位置、時間變化）具有確定值（不隨位置、時間變化）波函數(shù)波函數(shù)能量能量微觀粒子的運動狀態(tài)微觀粒子的運動狀態(tài)如何求解波函數(shù)、能量？如何求解波函數(shù)、能量？（定態(tài)）（定態(tài)）薛定諤方程薛定諤方程)()()(222rErrVV(r):微觀粒子的勢能函數(shù)；微觀粒子的勢能函數(shù)； E:微觀粒子的能量；微觀粒子的能量； (r):微觀粒子的波函數(shù)。微觀粒子的波函數(shù)。1926年提出（年提出（39歲）歲）1933年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎（定態(tài)）薛定諤方程的物理意義（定態(tài)）薛定諤方程的物理意義一個質量為一個質量為 、在勢能為、在勢能為V(r)的場中運動的的場中運

18、動的微粒，有一個與穩(wěn)定態(tài)對應的滿足該方程微粒，有一個與穩(wěn)定態(tài)對應的滿足該方程的波函數(shù)的波函數(shù) (r)和能量和能量E。)()()(222rErrV 薛定諤方程成功描述了薛定諤方程成功描述了 (r)的行為，但并沒有解釋的行為，但并沒有解釋 (r)的的意義。意義。1926年，在薛定諤第四篇論文發(fā)表之后，年，在薛定諤第四篇論文發(fā)表之后，馬克斯馬克斯玻恩玻恩提出提出概率幅概率幅的概念，成功地解釋了的概念，成功地解釋了 (r)的物理意義。但薛定諤的物理意義。但薛定諤一直不承認這種一直不承認這種統(tǒng)計統(tǒng)計或或概率概率的解釋。的解釋。電子的運動狀態(tài)電子的運動狀態(tài) 勢能函數(shù)勢能函數(shù)薛定諤方程薛定諤方程能量、波函數(shù)能量、波函數(shù))()()(222rErrV能量為能量為E的電