物理システム工学科３年次 物性工学概論 第2回講義 火曜１限0035教室

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1 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

2 第2回　 　 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

3 元素周期表 典型金属 遷移金属 典型非金属 IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIII IB IIB IIIB IVB VB VIB VIIB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 H 2 He 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 55 Cs 56 Ba 57～71 * 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra 89～103 ** 104 Unq 105 Unp 106 Unh 107 Uns 108 Uno 109 Une * 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu ** 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr * ランタノイド元素 ** アクチノイド元素

4 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 [Ne]3s1 Mg [Ne]3s13s2 ・・・ Ar [Ne]3s23s6 [Ar] K [Ar]4s1 Ca [Ar]4s2 Sc [Ar]4s23d1 Ti [Ar]4s23d2 Cu [Ar] 4s23d10

5 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

6 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 l m 1 1s 2 2s -1 2p 6
縮重度 1 1s 2 2s -1 2p 6 3 3s 3p -2 3d 10

7 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。

8 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

9 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

10 Ｉａ族(アルカリ金属) [Ar].4s1 1s22s1 2S1/2 [Ne].3s1 [Kr].5s1 [Xe].6s1
WebElementsTM Periodic table （ リチウム ナトリウム カリウム [Ar].4s1 1s22s1 2S1/2 [Ne].3s1 ルビジウム セシウム [Kr].5s1 [Xe].6s1

11 ＩＩa属金属(アルカリ土類) ベリリウム マグネシウム カルシウム [He].2s2 1S0 [Ne].3s2 [Ar].4s2
ストロンチウム バリウム ラジウム [Xe].6s2 [Kr].5s2 [Rn].7s2 WebElementsTM Periodic table （

12 ３ｄ遷移元素 スカンジウム チタン バナジウム クロム マンガン [Ar].3d5.4s1 [Ar].3d5.4s2
3F2 [Ar].3d3.4s2 4F3/2 鉄 コバルト ニッケル 銅 [Ar].3d6.4s2 [Ar].3d7.4s2 [Ar].3d10.4s1 [Ar].3d8.4s2 5D4 4F9/2 2S1/2 3F4 WebElementsTM Periodic table （

13 貴金属 銅 銀 金 [Ar].3d10.4s1 [Kr].4d10.5s1 2S1/2 [Xe].4f14.5d10.6s1
WebElementsTM Periodic table （

14 IIb属、IIIb属金属 亜鉛 カドミウム 水銀 [Ar].3d10.4s2 [Kr].4d10.5s2
[Xe].4f14.5d10.6s2 WebElementsTM Periodic table （

15 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。

16 応力-歪み曲線 応力

17 授業の最後に出した問題 元素の周期表において 上から下に行くに従って変わるのはどの量子数か
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 遷移金属における電子配置の特徴は何か。

18 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