3.1.1.1. Cấu trúc nguyên tử
Trong tự nhiên vật chất tồn tại ở ba trạng thái rắn – lỏng - khí và chúng đ−ợc hình thành từ những phần tử nhỏ - đó là các nguyên tử.
Nguyên tử là thành phần nhỏ nhất mang đầy đủ tính chất của một nguyên tố hóa học. Tính chất của một nguyên tố hóa học hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc của nguyên tử và cách sắp xếp của điện tử trong nguyên tử đó. Bởi vậy, nghiên cứu về vật liệu kim loại, phải nghiên cứu từ cấu trúc nguyên tử và sự liên quan giữa các yếu tố trong một nguyên tử, cấu trúc nguyên tử bao gồm:
Hạt nhân: nếu ta quan niệm nguyên tử có dạng hình cầu, thì hạt nhân là phần vật chất nằm ở tâm và mang điện tích d−ơng.
Ta đã biết nguyên tử luôn luôn trung hòa về điện. Bởi vậy điện tử chuyển động trên quỹ đạo mang điện tích trái dấu đúng bằng độ lớn của điện tích hạt nhân. Các nguyên tử khi chuyển động trên các mặt cầu quanh hạt nhân đều tuân theo các lý thuyết về cơ học sóng. Ng−ời ta có thể xác định
đ−ợc mật độ của các lớp mây điện tử quanh hạt nhân bằng ph−ơng trình
Schrodinger. Đó là ph−ơng trình biểu diễn hệ tọa độ cầu trong không gian
Ψ=R(r).Φ(ϕ).θ(θ). (3-1)
Giải ph−ơng trình (3-1) ta thu đ−ợc trạng thái năng l−ợng ở từng vị trí của các điện tử.
ứng với mỗi trạng thái năng l−ợng của nguyên tử ta thu đ−ợc trạng thái năng l−ợng của điện tử nhờ bốn số l−ợng tử n, Z, m1, ms. Các trạng thái l−ợng tử th−ờng có giá trị Z = 0, 1, 2, 3... và dùng các ký hiệu s, p, d, f để mô tả trạng thái l−ợng tử.
s: sharp - mạnh d: diffuse - khuyếch tán
ở mức năng l−ợng nhỏ thì: Z = 0 (khi s nhỏ). Z = 1 (khi p nhỏ). Z = 2 (khi d nhỏ). Z = 3 (khi f nhỏ).
Nh− vậy trạng thái l−ợng tử của các nguyên tử hoàn toàn phụ
thuộc vào n và Z. θ ϕ r M(x,y,z) Z O Y X M'
Hình 3.1. Hệ toạ độ cầu của chất điểm
Các điện tử của một số nguyên tử sẽ chiếm các vị trí có trạng thái l−ợng tử tuân theo một quy luật nhất định, theo nguyên lý năng l−ợng tối thiểu và nguyên lý Paoly. Mức năng l−ợng của điện tử hoàn toàn phụ thuộc vào n và Z và đ−ợc biểu diễn các cấu trúc đó bằng l−ợng tử Z và số điện tử là số mũ.
Tổng số mũ của trạng thái l−ợng tử khác nhau chỉ số điện tử của nguyên tử ấy bằng số thứ tự trong bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học của Mendelêep. Khi nguyên tử hấp thụ hay thải năng l−ợng thì trạng thái năng l−ợng của các điện tử sẽ thay đổi sang mức năng l−ợng khác.
3.1.1.2. Cấu trúc tinh thể
Lực liên kết giữa các nguyên tử:
ở trạng thái rắn các nguyên tử đ−ợc giữ cân bằng bởi các lực t−ơng tác, lực t−ơng tác thay đổi khi nhiệt độ và áp suất thay đổi.
Trên hình 3.2 cho ta thấy thế năng thực tế của một cặp nguyên tử bằng không khi hai nguyên tử ở cách xa nhau vai trăm ăngstron (A0) và trở nên âm khi chúng ở gần nhau hơn do lực hút giữa hai nguyên tử gây nên.
(+) Mn Ea Et (-) Emin r T h ế n ă n g
Hình 3.2. Sự thay đổi thế năng theo khoảng cách nguyên tử
En: Thế năng giữa hai nguyên tử. Ea: Thế năng hút giữa hai nguyên tử.
Et: Tổng thế năng hút và đẩy giữa hai nguyên tử.
Hình 3.2 cũng cho ta thấy đ−ợc sự biến đổi của các loại lực phụ thuộc vào khoảng cách của hai nguyên tử. Khi tăng nhiệt độ, có nghĩa là cấp thêm
cho nguyên tử một năng l−ợng mới. Làm khả năng chuyển động của nguyên
tử tăng, hay nói cách khác là năng l−ợng tự do của nguyên tử sau khi đ−ợc cấp thêm năng l−ợng đã v−ợt giá trị năng l−ợng tự do cân bằng vốn có của nó.
Bởi vây nguyên tử trong mạng tinh thể kim loại luôn đạt giá trị năng l−ợng cân bằng (lực hút, lực đẩy đạt giá trị xác định ở điều kiện cân bằng). Đó là mức năng l−ợng tối thiểu có thể có của mạng kim loại ở mỗi nhiệt độ khác nhau (với điều kiện áp suất bằng 1 at) do đó khi xét đến khả năng tồn tại của vật liệu kim loại ta phải xét đến khả năng liên kết và các lực liên kết có trong mạng tinh thể. Đó là các loại liên kết ion, liên kết đồng hóa trị, liên kết kim loại.
* Các loại liên kết th−ờng gặp trong vật liệu.
- Liên kết ion:
Liên kết này th−ờng gặp ở các nguyên tử kim loại và á kim, đó là các nguyên tử kim loại nhóm kiềm và kiềm thổ còn các á kim đ−ợc đặc tr−ng bởi các nhóm Halozen.
Theo tính toán về năng l−ợng của điện tử hóa trị thì ở nhóm kim loại kiềm và kiềm thổ lớp điện tử ngoài cùng có năng l−ợng lớn nhất, chỉ cần có điều kiện là các điện tử đó oxy hóa biến thành ion mang điện tích d−ơng.
Me - ne → Me+n + ne
Còn các á kim nhóm Halozen chỉ cần có điều kiện khử thì các nguyên tố này thể hiện mạnh tính oxy hóa để trở thành ion âm.
A + ne → A-n
Do đó hai loại ion này thể hiện lực hút tĩnh điện mạnh.
Liên kết của ion càng mạnh khi điện tích, ion càng lớn và bán kính ion nhỏ. Liên kết ion là liên kết có tính giòn cao, nên trong vật liệu dùng chế tạo máy ít đ−ợc sử dụng.
- Liên kết đồng hóa trị.
Loại liên kết này đ−ợc hình thành từ hai nguyên tử cùng một nguyên tố hóa học. Sở dĩ hình thành liên kết này là do hai nguyên tử dùng chung cặp điện tử để trung hòa về điện, bởi vậy chúng tồn tại d−ới dạng phân tử hai nguyên tử.
Với tổ chức liên kết đồng hóa trị thì ít biến dạng dẻo độ dòn cao.
- Liên kết kim loại.
Đây là loại liên kết trong mạng tinh thể cùng tên. Liên kết này gần với đồng hóa trị, nh−ng khác với liên kết đồng hóa trị là các điện tử tự do không chiếm vị trí xác định trên quỹ đạo của nguyên tử, chúng chuyển động với tốc độ lớn từ nguyên tử này sang nguyên tử khác tạo ra các đám mây liên kết, mật độ điện tử hoàn toàn phụ thuộc số l−ợng điện tử hóa trị và phải xác định mật độ bằng ph−ơng trình sóng (3-1). Sự chuyển động của các e (electron) luôn tuân theo quy luật “nguyên tử trung hòa về điện”. Nhờ có kiểu liên kết này mà kim loại có tính dẻo cao, độ dẫn nhiệt và dẫn điện lớn.
Từ việc nghiên cứu vi mô về nguyên tử, đến các vấn đề liên kết của chúng trong vật liệu, các nhà vật liệu học càng đi sâu vào nghiên cứu về cấu trúc dạng khối của kim loại để tìm ra đ−ợc các thông số −u việt nhất phục vụ cho việc tạo ra các vật liệu đa dạng phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, đặc biệt là vật liệu phục vụ ngành chế tạo máy còn non trẻ của đất n−ớc hiện nay.