3.1 Cấu tạo kim loại và bản chất mối liờn kết trong kim loại
3.1.1. Cấu trỳc tinh thể và sự hỡnh thành mạng tinh thể
3.1.1.1 Cấu trỳc nguyờn tử
Trong tự nhiờn vật chất tồn tại ở ba trạng thỏi rắn lỏng khớ và chỳng được hỡnh thành từ những phần tử nhỏ - Đú là cỏc nguyờn tử.
Nguyờn tử là thành phần nhỏ nhất mang đầy đủ tớnh chất của một nguyờn tố hoỏ học. Tớnh chất của một nguyờn tố hoỏ học hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trỳc nguyờn tử và cỏch sắp xếp của điện tử trong nguyờn tố đú. Bởi vậy, nghiờn cứu về vật liệu kim loại, phải nghiờn cứu từ cấu trỳc nguyờn tử và sự liờn quan giữa cỏc yếu tố trong một nguyờn tử, cấu trỳc nguyờn tử bao gồm:
Hạt nhõn: Nếu ta quan niệm nguyờn tử cú dạng hỡnh cầu thỡ hạt nhõn là phần tử phần vật chất nằm ở tõm và mang điện tớch dương.
Ta đó biết nguyờn tử luụn trung hoà về điện. Bởi vậy điện tử chuyển động trờn quỹ đạo mang điện tớch trỏi dấu đỳng bằng độ lớn điện tớch hạt nhõn. Cỏc nguyờn tử khi chuyển động trờn cỏc mặt cầu quanh hạt nhõn đều tuõn theo cỏc lý thuyết về cơ học súng. Người ta cú thể xỏc định được mật độ của cỏc lớp mõy điện tử quanh hạt nhõn bằng phương trỡnh Schrodinger. Đú là phương trỡnh biểu diễn hệ toạ độ cầu trong khụng gian:
Giải phương trỡnh này ta thu được trạng thỏi năng lượng từng vị trớ của cỏc điện tử.
Ứng với mỗi trạng thỏi năng lượng của nguyờn tử ta thu được trạng thỏi năng lượng của điện tử nhờ bốn số lượng tử n, Z, m1, ms. Cỏc trạng thỏi lượng tử thường cú giỏ trị Z= 0, 1, 2, 3, .... và dựng cỏc ký hiệu s, p, d, f để mụ tả trạng thỏi lượng tử.
s: sharp – mạnh d: diffuse – khuyếch tỏn d: Sprincipal – chớnh f: fulldamental – Cơ bản Với mức năng lượng nhỏ thỡ: Z= 0 (khi s nhỏ)
r . .
R
Z= 1 (khi p nhỏ) Z= 2 (khi d nhỏ) Z= 3 (khi f nhỏ)
Như vậy trạng thỏi lượng tử của cỏc nguyờn tử hoàn toàn phụ thuộc vào n và Z.
Hỡnh 3.1 Hệ toạ độ cầu của chất điểm
Cỏc điện tử của một số nguyờn tử sẽ chiếm cõc vị trớ cú trạng thỏi lượng tử tuõn theo một quy luật nhất định, theo nguyờn lý nămg lượng tối thiểu và nguyờn lý Paoly. Mức năng lượng của diện tử hoàn toàn phụ thuộc vào n và Z và được biểu diễn cỏc cấu trỳc đú bằng lượng tử Z và số điện tử là số mũ.
Tổng số mũ của trạng thỏi lượng tử khỏc nhau chỉ số điện tử của nguyờn tử ấy bằng số thứ tự trong bảng tuần hoàn nguyờn tố hoỏ học của Mendeleep. Khi nguyờn tử hấp thụ hay thải năng lượng thỡ trạng thỏi năng lượng của cỏc điện tử sẽ thay đổi sang mức năng lượng khỏc.
3.1.1.2 Cấu trỳc tinh thể
Lực liờn kết giữa cỏc nguyờn tử:
Ở trạng thỏi rắn cỏc nguyờn tử được giữ cõn bằng bởi cỏc lực tương tỏc, lực tương tỏc thay đổi khi nhiệt độ và ỏp suất thay đổi.
Trờn hỡnh vẽ 2.5 cho ta thấy thế năng thực tế của một cặp nguyờn tử bằng khụng khi hai nguyờn tử ở cỏch xa nhau vài trăm Ăngtron (A0) và trở nờn õm khi chỳng ở gần nhau hơn do lực hỳt giữa hai nguyờn tử gõy nờn.
Hỡnh 3.2 Sự thay đổi thế năng theo khoảng cỏch nguyờn tử En: Thế năng giữa hai nguyờn tử.
Ea: Thế năng hỳt giữa hai nguyờn tử.
Et:: Tổng thế năng hỳt và đẩy giữa hai nguyờn tử.
Hỡnh 3.2 cũng cho ta thấy được sự biến đổi của cỏc loại lực phụ thuộc vào khoảng cỏch của hai nguyờn tử. Khi tăng nhiệt độ, cú nghĩa là cấp thờm cho nguyờn tử một năng lượng mới. Làm khả năng chuyển động của nguyờn tử tăng, hay núi cỏch khỏc là năng lượng tự do của nguyờn tử được cấp thờm năng lượng đó vượt giỏ trị năng lượng tự do cõn bằng vốn cú của nú.
Bởi vậy nguyờn tử trong mạng tinh thể kim loại luụn đạt giỏ trị năng lượng cõn bằng (Lực hỳt, lực đẩy đạt giỏ trị xỏc định ở điều kiện ở điều kiện cõn bằng). Đú là mức năng lượng tối thiểu cú thể cú của mạng kim loại ở mỗi nhiệt độ khỏc nhau (Với điều kiện ỏp suất bằng 1 at) do đú khi xột đến khả năng tồn tại của vật liệu kim loại ta phải xột đến khả năng liờn kết và cỏc lực liờn kết cú trong mạng tinh thể. Đú là cỏc