固體物理習(xí)題解答PPT課件

.,1,第一章習(xí)題,1.1何謂布喇菲格子？試畫出NaCl晶體的結(jié)點所構(gòu)成的布喇菲格子。,答：所謂布喇菲格子是指晶體由完全相同的原子組成，原子與晶格的格點相重合，而且每個格點周圍的情況都一樣。（Bravais格子）,氯化鈉結(jié)構(gòu)：面心立方Na+布氏格子和面心立方Cl-的布氏格子套構(gòu)而成的復(fù)式格子。,.,2,1.2為何金剛石結(jié)構(gòu)是復(fù)式格子？,答：金剛石晶胞,位于立方體體內(nèi)原子和立方體角或面心原子價鍵的取向各不相同，所以是復(fù)式格子,這種復(fù)式格子實際上是兩個面心立方格子套構(gòu)而成的。,.,3,1.3對于六角密堆積結(jié)構(gòu)，試證明：。,底面原子及與體心原子之間均緊密接觸,則紅線的長度為,如果，則可認(rèn)為是由原子密排面所組成，但這些平面之間是疏松堆積的。,.,4,1.4金屬Na在273K因馬氏體相變從體心立方轉(zhuǎn)變?yōu)榱敲芏逊e結(jié)構(gòu)，假定相變時金屬的密度維持不變，已知立方相的晶格常數(shù)ac=0.423nm，設(shè)六角密堆積結(jié)構(gòu)相的c/a維持理想值，試求其晶格常數(shù)。,解：體心立方每個晶胞包含2個原子，一個原子所占的體積為,單位體積內(nèi)原子數(shù)（即密度）為,六角密堆積每個晶胞包含6個原子，一個原子所占的體積為,即：,因為密度不變，所以,.,5,1.5如將等體積的剛球分別排成簡立方、體心立方、面心立方、六角密積以及金剛石結(jié)構(gòu)，設(shè)x表示剛球體積與總體積之比，試針對不同的結(jié)構(gòu)求x。,解：理想晶體是由剛性原子球堆積而成，一個晶胞中剛性原子球占據(jù)的體積與晶胞體積的比值稱為晶體的致密度，即題中的x,設(shè)n為一個晶胞中的剛性原子球數(shù)，r表示剛性原子球半徑，V表示晶胞體積，則致密度為,.,6,(1)簡單立方,任意一個原子球有6個最近鄰，若原子以剛性球堆積，則有,晶胞內(nèi)包含一個原子，所以有：,任意一個原子球有8個最近鄰，若原子以剛性球堆積，則體心原子與處在8個頂角位置處的原子球相切，因此，對角線長度為,(2)體心立方,晶胞體積為,晶胞內(nèi)包含2個原子，所以有：,.,7,(3)面心立方,(4)六角密積,任意一個原子球有12個最近鄰，若原子以剛性球堆積，則面心原子與面角處4個原子球相切，因此，面對角線長度為,晶胞體積為,晶胞內(nèi)包含4個原子，所以有：,任意一個原子球有12個最近鄰，若原子以剛性球堆積，則面心原子與面上其它6個原子球相切，因此有,晶胞體積,由第1題知,晶胞內(nèi)包含6個原子，所以有：,.,8,(5)金剛石結(jié)構(gòu),任意一個原子球有4個最近鄰，若原子以剛性球堆積，則空間對角線四分之一處的原子與三個面上的面心原子球及頂角處原子球相切，因此有,晶胞體積為,晶胞內(nèi)包含8個原子，所以有：,簡立方、體心立方、面心立方、六角密積以及金剛石結(jié)構(gòu)的致密度依次為,.,9,1.6,基矢為,的晶體為何種結(jié)構(gòu)？,方法1：先計算出原胞體積,由原胞體積可推斷為體心結(jié)構(gòu),方法2：由已知的三個基矢構(gòu)造三個新的基矢,由此可推斷為體心結(jié)構(gòu),.,10,1.7、1.8、1.9、1.10、1.12和1.13見課件,1.11已知三斜晶系的晶體中，三個基矢為，和,現(xiàn)測知該晶體的某一晶面法線與基矢的夾角依次為、和，試求該晶面的面指數(shù),晶面指數(shù)為,其中是保證為互質(zhì)數(shù)的因子,稱為互質(zhì)因子,.,11,1.14如圖所示，B、C兩點是面心立方晶胞上的兩面心，求：（1）ABC面的密勒指數(shù)；（2）AC晶列的指數(shù)。,矢量與矢量的叉乘即是ABC面的法線矢量,ABC面的密勒指數(shù)為,（1）,.,12,（2）AC晶列的指數(shù),所以AC晶列的晶列指數(shù)為,13,.,第二章習(xí)題,2.1證明簡單六角布喇菲格子的倒格子仍為簡單六角布喇菲格子，并給出其倒格子的晶格常數(shù)。,解：在直角坐標(biāo)系中，簡單六角布喇菲格子的基矢為：,相應(yīng)的倒格子基矢為：,容易看出此倒格子為簡單六角布喇菲格子,晶格常數(shù)為：,14,.,2.2對正交簡單晶格，假設(shè)沿三個基矢方向的周期分別為a、b和c的，當(dāng)入射X射線方向沿100方向（其重復(fù)周期為a）時，試確定在哪些方向上會出現(xiàn)衍射極大？什么樣的X射線波長才能觀察到極大？,解：,任意倒格矢,因入射X射線方向沿100方向故有,晶體衍射的布里淵表述,假定衍射極大出現(xiàn)在方向,15,.,16,.,所以衍射極大出現(xiàn)在方向,為觀察到衍射極大要求入射波波長滿足,17,.,2.3證明：體心立方晶格的倒格子是面心立方面心立方晶格的倒格子是體心立方,由倒格子定義,體心立方格子原胞基矢,倒格子基矢,同理,18,.,面心立方格子原胞基矢,倒格子基矢,同理,19,.,2.4證明倒格子原胞體積,倒格子基矢,倒格子體積,.,20,2.5正格子中晶面指數(shù)為的晶面和倒格矢正交,證明,所以晶面族與和倒格矢正交,同理可證,21,.,2.6試導(dǎo)出倒格矢的長度與晶面族面間距間的關(guān)系,見課件,2.8試畫出周期為的一維布喇菲格子的第一和第二布里淵區(qū)。,2.9試畫出邊長為的二維正方格子的第一和第二布里淵區(qū)。,22,.,2.7如果基矢構(gòu)成簡單正交系證明晶面族的面間距為說明面指數(shù)簡單的晶面，其面密度比較大，容易解理,簡單正交系,倒格子基矢,23,.,倒格子矢量,晶面族的面間距,面指數(shù)越簡單的晶面，其晶面的間距越大晶面上格點的密度越大，這樣的晶面越容易解理,倒格子基矢,24,.,2.10假設(shè)具有立方對稱、由同種原子構(gòu)成的某種晶體，在對其進(jìn)行x射線分析時，在衍射譜圖中只觀察到（110）、（200）、（220）或（222）等衍射峰，但沒有觀察到（100）、（300）、（111）或（221）等衍射峰，試通過分析說明該晶體具有何種類型的晶體結(jié)構(gòu)。,解：對立方對稱晶體，有簡單立方、體心立方和面心立方三種典型的晶體結(jié)構(gòu)。,對同種原子組成的面心立方晶體，衍射指數(shù)全偶或全奇時，衍射強(qiáng)度最強(qiáng)，而衍射指數(shù)中部分為奇或部分為偶的衍射峰消失。（200）、（220）或（222）衍射峰的的衍射指數(shù)全為偶數(shù)，但同時出現(xiàn)（110）衍射峰，這是部分為奇和部分為偶的情況，故可判斷該晶體并非面心立方結(jié)構(gòu)。,對簡單立方，只能出現(xiàn)偶數(shù)指數(shù)的衍射峰，由于（110）衍射峰的出現(xiàn)，可判斷該晶體并非簡單立方結(jié)構(gòu)。,25,.,對同種原子組成的體心立方晶體，晶胞中包含2個原子，其中一個在立方體頂角，另一個在立方體體心，它們的坐標(biāo)分別為（000）和（1/2，1/2，1/2），得到衍射強(qiáng)度為,可見，當(dāng)衍射指數(shù)之和為奇數(shù)時，反射消失，而對于衍射指數(shù)之和為偶數(shù)時，衍射加強(qiáng),（110）、（200）、（220）或（222）等衍射峰符合衍射指數(shù)之和為偶數(shù)的條件（衍射加強(qiáng)），而（100）、（300）、（111）或（221）等衍射峰符合衍射指數(shù)之和為奇數(shù)的條件（反射消失）,因此，根據(jù)觀察到的衍射峰特征可判斷該晶體具有體心立方結(jié)構(gòu)。,26,.,2.11對面心立方的KBr晶體，其中K和Br離子各自組成一套面心格子，試通過分析論證該晶體的衍射譜圖有何特征？,解：對面心立方結(jié)構(gòu)的晶體，晶胞中共包含4個原子，其中一個在立方體頂角，另三個在立方體面心，它們的坐標(biāo)分別為（000）、（1/2，0，1/2）、（1/2，1/2，0）和（0，1/2，1/2），由此得到衍射強(qiáng)度為,可見，對于衍射指數(shù)中部分為奇或部分為偶時，,而對衍射指數(shù)全偶或全奇時,此時衍射強(qiáng)度最小,衍射強(qiáng)度最強(qiáng),27,.,2.12從形式上看，KCl非常相似KBr，但對KCl進(jìn)行衍射分析時，實驗上觀察到和KBr相似的面指數(shù)全為偶數(shù)的衍射峰，但沒有觀察到面指數(shù)全為奇數(shù)的衍射峰，為什么？,答：實驗上觀察到和KBr相似的面指數(shù)全為偶數(shù)的衍射峰，說明KCl晶體具有和KBr相似的面心立方結(jié)構(gòu)，但沒有觀察到面指數(shù)全為奇數(shù)的衍射峰，說明兩者又不完全相同。這是因為KCl中兩種離子的電子數(shù)目相等，散射振幅幾乎相同，因此，對X-射線來說，就好似一個晶格常數(shù)為a/2的單原子簡單立方晶格，對簡單立方晶格，只出現(xiàn)偶數(shù)指數(shù)的衍射峰。,28,.,2.13對由同種原子（碳）構(gòu)成的金剛石晶體，試求出衍射強(qiáng)度不為零的條件。,對于金剛石晶體，選擇立方體作為晶胞，則每個晶胞中共有8個原子，一個在立方體頂角上，坐標(biāo)為,三個在立方體的面心位置，坐標(biāo)分別為,另外四個在立方體對角線的1/4位置處，坐標(biāo)分別,將這些原子坐標(biāo)代入式得到衍射強(qiáng)度為,29,.,由上式很容易求出衍射強(qiáng)度不為零的條件是：衍射面指數(shù)nh、nk和nl均為奇數(shù)；衍射面指數(shù)nh、nk和nl均為偶數(shù)且也為偶數(shù)。如果衍射面指數(shù)不滿足上述兩條件，則衍射消失。,.,30,3.1證明兩種一價離子組成一維晶格的馬德隆常數(shù),假設(shè)參考離子帶負(fù)電荷，則正離子取“+”、負(fù)離子取“-”,參考離子,則有,利用,第三章習(xí)題,.,31,3.2若一晶體兩個離子之間的相互作用能可以表示為,計算1)平衡間距r02)結(jié)合能W（單個原子的）3)體彈性模量4)若取計算的值,32,.,1)平衡間距r0的計算,平衡條件,2)單個原子的結(jié)合能,晶體內(nèi)能,33,.,3)體彈性模量,晶體的體積,A為常數(shù)，N為原胞數(shù)目,晶體內(nèi)能,34,.,體彈性模量,由平衡條件,35,.,體彈性模量,36,.,4)若取計算的值,37,.,3.3設(shè)若一晶體平衡時體積為V0，原子間總的相互作用能為U0，如果原子間相互作用能由式所表述，試證明壓縮系數(shù)為,證明：體彈性模量,晶體體積,因此，體彈性模量可表示為,38,.,3.4已知有N個離子組成的NaCl晶體，其結(jié)合能為現(xiàn)以來代替排斥項，且當(dāng)晶體處于平衡時，這兩者對互作用勢能的貢獻(xiàn)相同，試求n和的關(guān)系。,將結(jié)合能在平衡位置處展開,39,.,以代替后,根據(jù)題意,結(jié)合能,40,.,兩式相比,n和的關(guān)系,.,41,3.5計算面心立方簡單格子的A6和A12,(1)只計最近鄰；（2）計算到次近鄰。,o,1,1,1,角頂o原子周圍有8個這樣的晶胞,標(biāo)號為1的原子是原子o的最近鄰，總共有12個最近鄰，以最近鄰距離度量，則aj=1,2,2,2,R為最近鄰距離,若只計最近鄰則,標(biāo)號為2的原子是原子o的次近鄰，總共有6個次近鄰，以最近鄰距離度量，則aj=21/2,若計算到次近鄰則,42,.,4.1對一維雙原子分子鏈，原子質(zhì)量均為m，原子統(tǒng)一編號，任一原子與兩最近鄰的間距不同，力常數(shù)分別為1和2，晶格常數(shù)為a，求原子的運動方程以及色散關(guān)系。,123,n-1nn+1,N-2N-1N,第n-1與第n+1個原子屬于同一種原子,n+2n+3,第n與第n+2個原子屬于同一種原子,于是第n個原子受的力為,第n+1個原子受的力為,第四章習(xí)題,43,.,對每種原子，可寫出其運動方程,將方程的解寫成角頻率為的簡諧振動的形式，即,44,.,色散關(guān)系,得到,A、B非0解的條件是系數(shù)行列式必須為0，即,由此得到,45,.,4.2問長光學(xué)支格波與長聲學(xué)支格波在本質(zhì)上有何區(qū)別？,長光學(xué)支格波的特征是每個原胞內(nèi)的不同原子做相對振動，振動頻率較高，包含了晶格振動頻率最高的振動模式。,長聲學(xué)支格波的特征是原胞內(nèi)的不同原子沒有相對位移，原胞做整體振動，振動頻率較低，包含了晶格振動頻率最低的振動模式。,任何晶體都存在聲學(xué)支格波，但簡單晶格晶體不存在光學(xué)支格波。,46,.,4.3按德拜模型試計算晶體中的聲子數(shù)目，并對高溫和很低溫度兩種情況分別進(jìn)行討論。,頻率為的格波的聲子數(shù),對德拜模型，模式密度或頻率分布函數(shù)為,則總的聲子數(shù),高溫,所以高溫時聲子數(shù)為,47,.,很低溫度,作變量變換,48,.,4.4設(shè)一長度為L的一維簡單晶格，原子質(zhì)量為m，原子間距為a，原子間的相互作用勢可表示成試由簡諧近似求（1）色散關(guān)系；（2）模式密度D（）；（3）晶格比熱。,（1）色散關(guān)系,恢復(fù)力常數(shù),代入,得到色散關(guān)系為,49,.,設(shè)單原子鏈長度,波矢取值,每個波矢的寬度,狀態(tài)密度,dq間隔內(nèi)的狀態(tài)數(shù),對應(yīng)q，取值相同，d間隔內(nèi)的狀態(tài)數(shù)目,（2）模式密度D（）,50,.,一維單原子鏈色散關(guān)系,令,兩邊微分得到,d間隔內(nèi)的狀態(tài)數(shù)目,51,.,代入,一維單原子鏈的頻率分布函數(shù),52,.,（3）晶格比熱,頻率為的格波的熱振動能為,整個晶格的熱振動能為,53,.,4.5設(shè)晶體中每個振子的零點振動能為，試用德拜模型求晶體的零點振動能,根據(jù)量子力學(xué)零點能是諧振子所固有的，與溫度無關(guān)，故T=0K時振動能E0就是各振動模零點能之和,54,.,4.6如果原子離開平衡位置位移后的勢能為如用經(jīng)典理論，試證明比熱為：,55,.,4.7假設(shè)晶體總的自由能可表示為其中表示晶格振動對系統(tǒng)自由能的貢獻(xiàn)，是絕對零度時系統(tǒng)的內(nèi)能，若可表示其中是德拜溫度，試證明：（1）壓力，為格林愛森常數(shù)；（2）線膨脹系數(shù),56,.,4.8（1）溫度一定時，問一個光學(xué)波的聲子數(shù)目和一個聲學(xué)波的聲子數(shù)目哪個多？（2）對同一個振動模式，問溫度高時的聲子數(shù)目和溫度低時的聲子數(shù)目哪個多？,頻率為的格波的平均聲子數(shù)為,（1）光學(xué)波的頻率總是比聲學(xué)波的頻率高，所以，溫度一定時，一個光學(xué)波的聲子數(shù)目少于一個聲學(xué)波的聲子數(shù)目,（2）溫度高時的聲子數(shù)目多于溫度時的聲子數(shù)目,.,57,5.1試問絕對零度時價電子與晶格是否交換能量？,晶格的振動形成格波，價電子與晶格交換能量，實際上是價電子與格波交換能量，格波的能量子稱為聲子，因此，價電子與格波交換能量可看成是價電子與聲子交換能量。,頻率為的格波的聲子數(shù),絕對零度時，任何頻率的格波的聲子全部消失，因此，絕對零度時價電子與晶格不再交換能量。,第五章習(xí)題,.,58,5.2試問晶體膨脹時費米能級如何變化？,費米能級,晶體膨脹時，體積變大，但電子數(shù)目不變，故n變小，因此，費米能級降低。,.,59,5.3試問為什么價電子的濃度越高，電導(dǎo)率越高？,從公式看，電導(dǎo)率正比于價電子的濃度，因此，價電子濃度越高，電導(dǎo)率就越高,然而，并非所有價電子都參與導(dǎo)電，僅僅費米面附近的電子才參與對導(dǎo)電的貢獻(xiàn)，因此，費米球越大，對導(dǎo)電有貢獻(xiàn)的電子數(shù)目就越多，而費米球的半徑,可見，電子濃度越高，費米球就越大，對導(dǎo)電有貢獻(xiàn)的電子什么也就越多，因此，電導(dǎo)率就越高,.,60,5.4假設(shè)二維電子氣的能態(tài)密度試證明費米能為其中n為單位面積的電子數(shù)。,單位面積金屬的電子總數(shù)為,.,61,5.5試求一維金屬中自由電子的能態(tài)密度、費米能級、電子平均動能以及一個電子對比熱的貢獻(xiàn)。,設(shè)一維金屬中有N個導(dǎo)電電子，晶格常數(shù)為a，則狀態(tài)密度為,能態(tài)密度,則在kk+dk范圍內(nèi)電子數(shù)為,在EE+dE內(nèi)電子數(shù)為,.,62,絕對零度時費米能級以下所有態(tài)被電子占據(jù)，故有,平均一個電子所具有的能量,.,63,平均一個電子對比熱的貢獻(xiàn)為,.,64,5.6試求二維金屬中自由電子的能態(tài)密度、費米能級、電子平均動能以及一個電子對比熱的貢獻(xiàn)。,設(shè)二維金屬的面積為S，則狀態(tài)密度為,能態(tài)密度,則在kk+dk范圍內(nèi)電子數(shù)為,在EE+dE內(nèi)電子數(shù)為,.,65,絕對零度時費米能級以下所有態(tài)被電子占據(jù)，故有,平均一個電子所具有的能量,平均一個電子對比熱的貢獻(xiàn)為,.,66,5.7證明，當(dāng)時，電子數(shù)目每增加一個，則費米能變化為其中為費米能級處的能態(tài)密度。,電子數(shù)目每增加一個，費米能的變化,.,67,5.8每個原子占據(jù)的體積為a3，絕對零度時價電子的費米半徑為，計算每個原子的價電子數(shù)目,根據(jù)自由電子氣模型，絕對零度時費米半徑為,而已知金屬絕對零度時費米半徑為,兩者比較可知電子密度為,因此該金屬的原子具有兩個價電子,68,.,銀的質(zhì)量密度原子量電阻率,5.9若將銀看成具有球形費米面的單價金屬計算以下各量,1)費密能量和費密溫度2)費密球半徑3)費密速度4)在室溫以及低溫時電子的平均自由程,69,.,1)費密能量和費密溫度,費密能量,費密溫度,70,.,2)費密球半徑,3)費密速度,71,.,4)在室溫以及低溫時電子的平均自由程,電導(dǎo)率,馳豫時間,平均自由程,0K到室溫之間的費密半徑變化很小,72,.,平均自由程,73,.,6.1電子在周期場中的勢能函數(shù),且a=4b，是常數(shù)。1)畫出此勢能曲線，并計算勢能的平均值；2)用近自由電子模型計算晶體的第一個和第二個帶隙寬度,第六章習(xí)題,74,.,75,.,勢能的平均值,76,.,勢能的平均值,令,77,.,近自由電子近似中，勢能函數(shù)的第n個傅里葉系數(shù),禁帶寬帶,第一帶隙寬度,第二帶隙寬度,78,.,6.2對于一維周期勢場中運動的電子，試求電子處在下列態(tài)中的的波矢,其中a是晶格常數(shù),79,.,根據(jù)布洛赫定理,一維情形布洛赫定理,1)電子的波函數(shù),電子的波矢,80,.,2)電子的波函數(shù),電子的波矢,81,.,3)電子的波函數(shù),電子的波矢,82,.,4)電子的波函數(shù),電子的波矢,83,.,能隙,布里淵頂角(/a,/a)處的能隙,84,.,布里淵頂角,85,.,布里淵頂角處的能隙,86,.,6.4假設(shè)有一維單原