鈦鋁合金系晶體缺陷的分析型嵌入原子方法模型研究中文摘要

在我們自己提出的改進(jìn)分析型EAM(MAEAM)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了hop和 boc金屬的WAEAM理論，不再運(yùn)用截尾函數(shù)。結(jié)合MD方法系統(tǒng)計(jì)算了boc和hop金屬的晶體缺陷性質(zhì)及其聲子譜。構(gòu)筑了TiAl 、FeAl、 CoAl和 NiAl金屬間化合物的MAEAM勢(shì)，運(yùn)用這些勢(shì)和MD方法系統(tǒng)地計(jì)算了它們的缺陷性質(zhì)（空位、反位置、雙空位及擴(kuò)散性質(zhì)），利用MAEAM模型及蒙特卡洛方法改編了合金表面聚集的計(jì)算程序，成功地計(jì)算了Au-Cu等合金系的表面聚集。所有這些計(jì)算不但與實(shí)驗(yàn)相吻合，而且糾正了文獻(xiàn)中用Baskes原EAM模型計(jì)算的某些不合理結(jié)果。本項(xiàng)目的完成標(biāo)志著MAEAM理論趨于成熟，具有重要科學(xué)意義，為原子尺次計(jì)算材料科學(xué)建立及應(yīng)用奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。華夏英才基金支持項(xiàng)目負(fù)責(zé)人出版專著。

原子核模型(nuclearmodels)在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上建立的描述核結(jié)構(gòu)的模型。由于至今對(duì)于核力還不能作嚴(yán)格而全面的描述，為了說(shuō)明核結(jié)構(gòu)特性，只能在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上建立有關(guān)核結(jié)構(gòu)的唯象的模型，再將由此得出的結(jié)果與更多的實(shí)驗(yàn)事實(shí)作比較，使之完善充實(shí)。這種模型的研究方法往往成為新的理論和實(shí)驗(yàn)研究的起點(diǎn)。

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我們之所以沒(méi)有建立起一個(gè)相對(duì)完善的原子模型，是因?yàn)槿狈σ粋€(gè)有效的原子核模型。

粒子模型原子核的場(chǎng)結(jié)構(gòu)與核外電子的運(yùn)動(dòng)軌道

首先讓我們先回顧一下氫原子的場(chǎng)結(jié)構(gòu)與核外電子的運(yùn)動(dòng)軌道，參見圖2-7。我們以硼11為例展開討論(忽略中性場(chǎng)的作用)。

圖7-3中c的中心縱向剖視圖如圖7-4所示。從圖7-4中可以看出，硼11原子核的極性場(chǎng)分列四個(gè)象限中，且相鄰象限的極性場(chǎng)相互垂直。每個(gè)象限的極性場(chǎng)由核表面兩個(gè)質(zhì)子側(cè)面上的(混合)極性場(chǎng)組成，且它們具有相同方向。這四個(gè)方向上的極性場(chǎng)，在原子核物理中稱作原子核的四極矩。

當(dāng)核外電子進(jìn)入原子核的極性場(chǎng)中時(shí)，電子受到極性耦合引力的作用而改變運(yùn)動(dòng)方向。不考慮原子核中性場(chǎng)的引力作用，繞核運(yùn)動(dòng)的電子軌道呈正八邊形，每個(gè)極性場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生平均45度的偏轉(zhuǎn)作用。

所有原子核都具有四極矩的性質(zhì)，所不同的是每個(gè)極的極性場(chǎng)個(gè)數(shù)，最少的為1，如氫核、氦核；原子核越大每個(gè)極的極性場(chǎng)個(gè)數(shù)越多。但每個(gè)極都對(duì)核外電子產(chǎn)生90度的偏轉(zhuǎn)作用，每個(gè)極的極性場(chǎng)個(gè)數(shù)越多，電子軌道越接近于圓形。

粒子模型原子核的軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)與核外電子的分布

以碳12原子為例，如圖7-5所示。核外電子軌道沿原子核中軸線呈左右對(duì)稱分布，這就是電子殼層模型中電子的數(shù)量均為2的倍數(shù)的原因；從外到內(nèi)依次為1s、2s、2p軌道，且軌道半徑依次增大。

當(dāng)分別從兩端觀察1s軌道兩個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，我們會(huì)看到兩個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)方向正好相反，即一個(gè)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。如果從同一端觀察，在軌道上所有核外電子沿相同的方向運(yùn)動(dòng)。由于電子的自轉(zhuǎn)方向與軌道運(yùn)動(dòng)方向是一致的，因此實(shí)際觀測(cè)1s軌道上的兩個(gè)電子的自轉(zhuǎn)方向相反。這就是W.泡利不相容原理的本質(zhì)。

玻爾原子模型發(fā)展

1916年，愛因斯坦從玻爾的原子理論出發(fā)用統(tǒng)計(jì)的方法分析了物質(zhì)的吸收和發(fā)射輻射的過(guò)程，導(dǎo)出了普朗克輻射定律。愛因斯坦的這一工作綜合了量子論第一階段的成就，把普朗克、愛因斯坦、玻爾三人的工作結(jié)合成一個(gè)整體。

玻爾原子模型局限性

玻爾的原子理論第一次將量子觀念引入原子領(lǐng)域，提出了定態(tài)和躍遷的概念，成功地解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。但對(duì)于稍微復(fù)雜一點(diǎn)的原子如氦原子，玻爾理論就無(wú)法解釋它的光譜現(xiàn)象。這說(shuō)明玻爾理論還沒(méi)有完全揭示微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。它的不足之處在于保留了經(jīng)典粒子的觀念，仍然把電子的運(yùn)動(dòng)看做經(jīng)典力學(xué)描述下的軌道運(yùn)動(dòng)。

實(shí)際上，原子中電子的坐標(biāo)沒(méi)有確定的值。因此，我們只能說(shuō)某時(shí)刻電子在某點(diǎn)附近單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率是多少，而不能把電子的運(yùn)動(dòng)看做一個(gè)具有確定坐標(biāo)的質(zhì)點(diǎn)的軌道運(yùn)動(dòng)。（測(cè)不準(zhǔn)原理）

當(dāng)原子處于不同狀態(tài)時(shí)，電子在各處出現(xiàn)的概率是不一樣的。如果用疏密不同的點(diǎn)表示電子在各個(gè)位置出現(xiàn)的概率，畫出圖來(lái)，就像云霧一樣，可以形象地把它稱作電子云（electron cloud）