物理システム工学科３年次 物性工学概論 第2回講義2005.4.19 火曜１限0035教室 佐藤勝昭 第2回 2005.4.19 金属 • 第１回の感想、質問 • 第２回に学ぶこと – 周期表と金属 – 溶解と融解 – さまざまな金属 – 金属の機械的性質 元素周期表 遷移金属 典型金属 http://www.hk.airnet.ne.jp/shung/peri odic_table_s.htm IA II A IIIA IVA VA VIA VIIA 1 2 3 4 5 6 7 VIII 8 9 10 典型非金属 IB IIB IIIB IVB VB VIB VIIB 0 11 12 13 14 15 16 17 18 1 1 2 H He 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne 11 M g 13 14 15 16 17 18 Al Si P S Cl Ar 3 Na 4 5 6 7 12 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 55 56 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 Cs Ba 57～71 * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 87 88 Fr Ra 89～ 103 ** 104 105 106 107 108 109 Unq Unp Unh Uns Uno Une * ランタノイド元 素 ** アクチノイド元 素 * * * 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 周期表と電子配置 • • • • • • • • • H 1s1 He 1s2 閉殻 [He]と記述 Li [He] 2s1 Be [He] 2s2 B [He]2s22p1 C [He]2s22p2 N [He]2s22p3 ・・・ Ne [He]2s22p6 [Ne] • • • • • • • • • • Na Mg ・・・ Ar K Ca Sc Ti ・・・ Cu [Ne]3s1 [Ne]3s13s2 [Ne]3s23s6 [Ar] [Ar]4s1 [Ar]4s2 [Ar]4s23d1 [Ar]4s23d2 [Ar] 4s23d10 原子における電子配置 • 原子内の電子：中心力の場で原子核と結びつけ られている球面調和関数で記述される • 軌道の広がりの大きさを決めるのが主量子数n • 軌道の空間的な形状を決めるのが方位量子数 （軌道角運動量指数）lと磁気量子数m • nは1,2,3,4,5・・、 lは0, 1, ・・・, n-1、 mは-l,-l+1,・・・,l という値をとる 主量子数と軌道角運動量量子数 • 主量子数 n • 軌道角運動量量子数 l=n-1, .... ,0 n 1 2 3 l 0 0 1 0 1 2 1 2 1 1 m 0 0 0 0 0 0 軌道 縮重度 -1 -1 -1 1s 2s 2p 3s 3p -2 3d 2 2 6 2 6 10 溶解と融解はどう違うか • 溶解：溶媒の中に溶質が溶ける現象 イオンとなって溶ける場合と、微小な分子として混 じり込む場合がある。 • 融解：物質が固相から液相に変化する現象 変化する温度を融点という。合金の融点は出発 する２つの金属の融点より低下することがある。 電子のエネルギー準位1s2など • 1s2というのは1s軌道に2個の電子が存在することを表 す。s, p, d, f は軌道の型を表し、それぞれが方位量子 数l=0, 1, 2, 3に対応する。 3d orbital さまざまな金属元素 • • • • • • • Ia属(アルカリ金属) Li, K, Na, Rb, Cs, IIa属(アルカリ土類金属) Be, Mg, Sr, Ba Ib属(貴金属) Cu, Ag, Au IIb属(亜鉛属) Zn, Cd, Hg IIIb属 Al, Ga, In, Tl, IV属 Pb 半金属 IV: Sn, V: Sb, Bi 遷移金属 – 3d遷移金属：Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni – 4d遷移金属:Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd – 5d遷移金属:La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt • 希土類: – 4f:Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu – 5f:Th,Pa,U,Np,Pu,Am,Cm,Bk,Cf,Es,Fm,Md,No,Lr Ｉａ族(アルカリ金属) • WebElementsTM Periodic table （http://www.webelements.com/）より リチウム カリウム ナトリウム 1s22s1 2S 1/2 ルビジウム [Kr].5s1 [Ne].3s1 セシウム [Xe].6s1 [Ar].4s1 ＩＩa属金属(アルカリ土類) ベリリウム [He].2s2 1S 0 ストロンチウム [Kr].5s2 • マグネシウム カルシウム [Ne].3s2 [Ar].4s2 バリウム ラジウム [Xe].6s2 [Rn].7s2 WebElementsTM Periodic table （http://www.webelements.com/）より ３ｄ遷移元素 スカンジウム [Ar].3d1.4s2 2D 3/2 鉄 チタン • マンガン クロム [Ar].3d5.4s1 7S 3 [Ar].3d2.4s2 3F 2 コバルト [Ar].3d6.4s2 5D 4 バナジウム [Ar].3d3.4s2 4F3/2 ニッケル [Ar].3d7.4s2 4F 9/2 [Ar].3d5.4s2 6S 5/2 銅 [Ar].3d10.4s1 [Ar].3d8.4s2 2S 3F 1/2 4 WebElementsTM Periodic table （http://www.webelements.com/）より 貴金属 銅 金 銀 [Ar].3d10.4s1 [Kr].4d10.5s1 2S 1/2 [Xe].4f14.5d10.6s1 • WebElementsTM Periodic table （http://www.webelements.com/）より IIb属、IIIb属金属 亜鉛 [Ar].3d10.4s2 • カドミウム [Kr].4d10.5s2 水銀 [Xe].4f14.5d10.6s2 WebElementsTM Periodic table （http://www.webelements.com/）より 金属の機械的性質 • 金属は、弾性限界を超えた応力に対し永久歪みをともなって変形す る。このような変形を塑性(plasticity)という。 • 弾性変形と塑性変形の境界点を降伏点という。 • 塑性には展性 (malleability) と延性(ductility)がある。 – 展性：弾性限界を超えた応力によって物体が破壊されず箔に広げられる性質。 – 延性：弾性限界を超えた応力によって物体が破壊されず引き延ばされる性質。 硬度の高いものほど延性が小さい。 • 脆性破壊(brittle fracture)：塑性変形を伴わず、割れの急速な進展 によって破壊することである。劈開など。 • 疲労破壊(fatigue)：繰り返し応力が加わって破壊がおきる現象。軟 らかい（硬度の低い）金属は疲労破壊を生じない。 応力 応力-歪み曲線 http://www.nsbri.org/HumanPhysSpace/focus6/student2.html 授業の最後に出した問題 • 元素の周期表において 1. 上から下に行くに従って変わるのはどの量子数か 2. １つの行で左から右に行くに従って変わるのはどの 量子数か 3. 遷移金属における電子配置の特徴は何か。 次週の予告と予習のポイント • 次週の予告 – 金属の機械的性質続き – 金属の電気伝導・熱伝導 – 金属の色：金はなぜ金ぴかか • 様々な光の色を３原色(赤、緑、青)で表すことができるのは なぜか。 • 金属に外部から高周波電界の加わったとき、自由電子の運 動方程式を立てよ。 • 誘電率の実数部が負の値をとると、高い反射率となることを 確かめよう。 参考書：機能材料のための量子工学第４章
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