2009復(fù)習(xí)題 (2)

1、解答內(nèi)容不得超過(guò)裝訂線(xiàn)一. 概念題 材料：由一定配比的若干相互作用的元素組成的具有一定結(jié)構(gòu)層次和確定性質(zhì)，并能用于制造器件、設(shè)備、工具和建筑物等的系統(tǒng)。應(yīng)力及應(yīng)變：材料單位面積上所受的附加內(nèi)力為應(yīng)力；材料受力時(shí)內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)移動(dòng)為應(yīng)變。軌道磁矩：電子圍繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)非常小的磁場(chǎng)，形成一個(gè)沿旋轉(zhuǎn)軸方向的磁矩，為軌道磁矩。磁疇：鐵磁質(zhì)中由于原子的強(qiáng)烈作用，在鐵磁質(zhì)內(nèi)部形成磁場(chǎng)很強(qiáng)，磁矩方向相同的小區(qū)域。均勻吸收：材料在可見(jiàn)光范圍對(duì)各種波長(zhǎng)的吸收程度相同。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：高能級(jí)的粒子數(shù)N2多于低能級(jí)的粒子數(shù)N1，稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)剪切應(yīng)變：材料受到平行于截面積的大小相等、方向相反的兩個(gè)剪

2、切應(yīng)力時(shí)發(fā)生的形變。超導(dǎo)體：在一定溫度下具有零電阻超導(dǎo)現(xiàn)象的材料。自旋磁矩：每個(gè)電子本身有自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)沿自旋軸方向的磁矩。鐵氧體：含鐵酸鹽的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈現(xiàn)出亞鐵磁性瑞利散射：線(xiàn)度小于光的波長(zhǎng)的微粒對(duì)入射光的散射晶界：同相晶粒之間的界面 二. 簡(jiǎn)述題（共 40分） 1、簡(jiǎn)述Maxwell模型和Voigt模型，并畫(huà)出示意圖（10分）答：理想彈簧：代表理想彈性體，其力學(xué)性質(zhì)服 Hook定律理想粘壺：代表理想粘性體，服從牛頓粘性定律Maxwell模型Voigt模型Maxwell模型：由一個(gè)理想彈簧和理想粘壺串聯(lián)成Voigt模型： 由一個(gè)理想彈簧和理想粘壺并聯(lián)成2、晶體能帶理論的基本要

3、點(diǎn)是什么？導(dǎo)體及半導(dǎo)體的能帶有何區(qū)別？分別論述導(dǎo)體及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制，并畫(huà)出示意圖（15分）要點(diǎn)：電子的運(yùn)動(dòng)看做基本上是獨(dú)立的，它們的運(yùn)動(dòng)遵守量子力學(xué)統(tǒng)計(jì)規(guī)律；考慮了晶體原子的周期勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響；導(dǎo)體及半導(dǎo)體的能帶區(qū)別：(a ) 電子占據(jù)狀態(tài)不同：半導(dǎo)體的導(dǎo)帶為空帶，而導(dǎo)體的導(dǎo)帶為半滿(mǎn)帶；(b) 禁帶寬度不同：導(dǎo)體的Eg比半導(dǎo)體的Eg寬c) 導(dǎo)電機(jī)制不同：半導(dǎo)體的Eg較小，約1eV，在溫度、光照等外加條件下，滿(mǎn)帶中的部分電子受熱運(yùn)動(dòng)的影響，越過(guò)禁帶，激發(fā)到空帶中去，在價(jià)帶和導(dǎo)帶中分別出現(xiàn)數(shù)量相同的空穴和自由電子，并共同參與導(dǎo)電；導(dǎo)體的導(dǎo)帶為半滿(mǎn)態(tài)，導(dǎo)電機(jī)制來(lái)自半滿(mǎn)態(tài)中的自由電子，即在外加

4、電場(chǎng)作用下，低能級(jí)的電子吸收能量，躍遷到高能級(jí)，形成電流。導(dǎo)體及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制示意圖電場(chǎng)強(qiáng)度 EcEvEgEcEvEgEcEvEga 導(dǎo)體導(dǎo)電狀態(tài) b 半導(dǎo)體激發(fā)狀態(tài) c 半導(dǎo)體導(dǎo)電狀態(tài)3、材料具有鐵磁性取決于哪兩個(gè)因素？軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料有何區(qū)別？畫(huà)出鐵磁材料的磁化曲線(xiàn)并說(shuō)明磁化曲線(xiàn)與磁疇的關(guān)系（15分）材料是否具有鐵磁性取決于兩個(gè)因素：(1) 原子是否具有由未成對(duì)電子，即自旋磁矩貢獻(xiàn)的凈磁矩(本征磁矩)(2) 原子在晶格中的排列方式軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料的區(qū)別軟磁材料具有較高的磁導(dǎo)率和較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場(chǎng)的方向和大小發(fā)生變化時(shí)磁疇壁很容易

5、運(yùn)動(dòng)）和較低磁滯損耗，磁滯回線(xiàn)很窄； 在磁場(chǎng)作用下非常容易磁化；取消磁場(chǎng)后很容易退磁化；硬磁材料又稱(chēng)永磁材料，難于磁化又難于退磁。 具有較大的矯頑力，磁滯回線(xiàn)較粗， 剩磁很大；這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。矩磁材料：磁滯回線(xiàn)呈矩形，又稱(chēng)， 剩磁接近于磁飽合磁感應(yīng)強(qiáng)度具有高磁導(dǎo)率、高電阻率；磁化曲線(xiàn)：oa段：M的增加比較緩慢，磁域界移動(dòng)，磁域逐漸改變，磁矩方向轉(zhuǎn)向，漸與磁場(chǎng)平行ab段：增加較快，單一磁域（飽和磁化）隨著外磁場(chǎng)增加，能夠提供轉(zhuǎn)向的磁疇越來(lái)越少，鐵磁質(zhì)中的磁場(chǎng)增加的速度變慢b點(diǎn)：達(dá)到Ms(飽和磁化強(qiáng)度)；所有磁疇方向相同，達(dá)到飽和，化至飽和后，磁化強(qiáng)度不再隨外磁場(chǎng)的增加而增

6、加。 bC段： M由飽和磁化隨M減少而減小，開(kāi)始退磁，磁過(guò)程中M的變化落后于H的變化。磁疇開(kāi)始轉(zhuǎn)向。4、簡(jiǎn)述磁性材料的分類(lèi)及各類(lèi)材料的特點(diǎn)（10分）答：可分為：抗磁性、順磁性、反磁性、鐵磁性和亞鐵磁性1. 抗磁性：沒(méi)有固有原子磁矩2. 順磁性：有固有磁矩，沒(méi)有相互作用3. 鐵磁性：有固有磁矩，直接交換相互作用4. 反鐵磁性：有磁矩，直接交換相互作用5. 亞鐵磁性：有磁矩，間接交換相互作用5、氧化物高溫超導(dǎo)有哪些結(jié)構(gòu)特征？從晶格上如何劃分，各自有何特征？ （15分）答：結(jié)構(gòu)特征a.它們具有層狀的畸變鈣鐵礦結(jié)構(gòu)；b.氧的非化學(xué)計(jì)量對(duì)樣品的缺陷形式和物理性質(zhì)有重要影響；c.都存在二維Cuo面，這被認(rèn)

7、為是超導(dǎo)電性存在的關(guān)鍵；d.這種Cu-O面被一種電荷源層所隔離，通過(guò)化學(xué)摻雜，該隔離層能控制超導(dǎo)面的荷電量；e、在費(fèi)米能級(jí)EF處的電子能帶是Cu3d和O2p態(tài)共同作用的結(jié)果；f、在揍雜過(guò)程中原來(lái)所處的反鐵磁絕緣態(tài)失去它的本征磁矩變成金屬態(tài)，繼而出現(xiàn)超導(dǎo)電性高溫超導(dǎo)體可以從晶格上劃分為載流子層(或電子通道層)和電荷庫(kù)層(提供和調(diào)節(jié)超導(dǎo)傳輸面上載流子)，而最基本的超導(dǎo)結(jié)構(gòu)就是Cu-O片a、導(dǎo)電層是指分別由Cu06八面體、CuO5四方錐和Cu-O4平面四邊形構(gòu)成的銅氧層，這種結(jié)構(gòu)組元是高溫氧化物超導(dǎo)體所共有的也是對(duì)超導(dǎo)電性至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)特征，它決定了氮化物超導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)上和物理物性上的二維持點(diǎn)。載流子

8、庫(kù)層：其他層狀結(jié)構(gòu)組元構(gòu)成，它的作用是調(diào)節(jié)銅氧層的載流子濃度或提供超導(dǎo)電性所必需的耦合機(jī)制6. 材料的功能轉(zhuǎn)化種類(lèi)，效應(yīng)？答：材料的功能轉(zhuǎn)化有力-熱-電功能轉(zhuǎn)化、電-光和光-彈功能轉(zhuǎn)化；力-熱-光功能轉(zhuǎn)化：電場(chǎng)應(yīng)力（壓電性），溫度應(yīng)力（熱彈性），溫度電場(chǎng)（熱電性）；有四種耦合效應(yīng)：熱彈效應(yīng)、溫度變化引起應(yīng)變的熱膨脹、應(yīng)力引起熵（熱）的壓熱效應(yīng)、應(yīng)變引起熵（熱）的形變熱、溫度變化而形狀不變時(shí)的熱壓力。電光效應(yīng)：由于電場(chǎng)強(qiáng)度不同而引起材料折射率變化的現(xiàn)象稱(chēng)為電光效應(yīng)。光彈效應(yīng)：由應(yīng)力引起折射率的變化稱(chēng)為光彈效應(yīng)。壓電效應(yīng)：當(dāng)在晶體的某些方向上加力時(shí)，在力方向的垂直平面上出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這種現(xiàn)象

9、稱(chēng)為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：正、負(fù)電荷重心的位移將導(dǎo)致晶體形變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)：有些晶體可以因?yàn)闇囟茸兓鹁w有表面電荷，這一現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。光電效應(yīng)：材料在受到光照后，往往會(huì)引起某些電性質(zhì)的變化，這一現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。熱點(diǎn)效應(yīng)：在用不同導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路中，若使其結(jié)合部出現(xiàn)溫度差，則在閉合回路中將會(huì)有熱電流流過(guò)，或產(chǎn)生熱電勢(shì)，此現(xiàn)象稱(chēng)為熱點(diǎn)效應(yīng)，有澤貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)三種。電光效應(yīng)：材料的光電特性受電場(chǎng)影響而發(fā)生變化的現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為電光效應(yīng)，其中物質(zhì)的折射率受電場(chǎng)影響而發(fā)生改變的電光效應(yīng)分為泡克耳斯效應(yīng)和克爾效應(yīng)。磁光效應(yīng)：置于磁場(chǎng)中的物體，受磁場(chǎng)影響后其

10、光學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為磁光效應(yīng)，有磁光法拉第效應(yīng)和磁光克爾效應(yīng)等。聲光效應(yīng)：聲波作用于某些物質(zhì)而使其光學(xué)特性發(fā)生改變的現(xiàn)象稱(chēng)為聲光效應(yīng)。7聲波滿(mǎn)足哪三個(gè)物理定律？各有何意義？答：三個(gè)基本物理定律：牛頓第二定律、質(zhì)量守恒定律和絕熱熱縮定律，由此可以分別推導(dǎo)出介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方程（p-V）關(guān)系、連續(xù)性方程（V-關(guān)系）和物態(tài)方程（p-關(guān)系），并由此推導(dǎo)出聲波方程p、V和等對(duì)空間、時(shí)間坐標(biāo)的微分方程。8海水中聲波傳播損失的主要來(lái)源？答：海水中聲吸收由三種效應(yīng)引起：一種是切變黏滯性效應(yīng)，另一種是體積黏滯性效應(yīng)，以及在100KHz以下，海水中硫化鎂（MgSO4）分子的離子弛豫引起的吸收。9水聲材料的主要技術(shù)要

11、求？答：水聲材料主要用于制作各種聲波發(fā)射器呃水聽(tīng)器，隨著水聲換能器技術(shù)的發(fā)展，要求具有功率大、頻率常數(shù)低、時(shí)間和溫度穩(wěn)定性好、強(qiáng)電場(chǎng)下性能好以及能承受動(dòng)態(tài)張應(yīng)力大的材料，如近期開(kāi)發(fā)的鐵電陶瓷材料、鎳基磁致伸縮材料等，壓電晶體和陶瓷是產(chǎn)生超聲波的一類(lèi)重要材料。三、計(jì)算題1. 一圓桿的直徑為2.5 mm、長(zhǎng)度為25cm并受到4500N的軸向拉力，若直徑拉細(xì)至2.4mm，且拉伸變形后圓桿的體積不變,求在此拉力下的真應(yīng)力、真應(yīng)變、名義應(yīng)力和名義應(yīng)變，并比較討論這些計(jì)算結(jié)果。（9分）解：根據(jù)題意可得下表拉伸前后圓桿相關(guān)參數(shù)表體積V/mm3直徑d/mm圓面積S/mm2拉伸前1227.22.54.909拉伸

12、后1227.22.44.524 由計(jì)算結(jié)果可知：真應(yīng)力大于名義應(yīng)力，真應(yīng)變小于名義應(yīng)變。2.室溫中KT=0.024eV，有一比費(fèi)米能級(jí)高0.12eV的狀態(tài)，采用波爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)相對(duì)于費(fèi)米-迪拉克統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)計(jì)算的誤差是多少？（9分）3.一塊n型硅半導(dǎo)體，施主濃度ND=1015/cm3，本征費(fèi)米能級(jí)在禁帶正中，費(fèi)米能級(jí)EF在Ei之上0.29eV處，設(shè)施主電離能DED=0.05eV，計(jì)算T=300K時(shí)，施主能級(jí)上的電子濃度。（11分）4. 垂直于板面方向磁化的大薄片磁性材料，去掉磁化場(chǎng)后的磁極化強(qiáng)度是J =0M = 1Wb/m2, 計(jì)算板中心的退磁場(chǎng)大小。（10分）解：垂直于板面方向磁化,則為

13、垂直于磁場(chǎng)方向J = 0M = 1Wb/m2退磁場(chǎng)Hd = - NM大薄片材料,退磁因子Na = Nb = 0, Nc = 1所以Hd = - M = -=7.96×105A/m5. 光通過(guò)一塊厚度為1mm的透明Al2O3板后強(qiáng)度降低了15%，計(jì)算其吸收和散射系數(shù)的總和。（9分）解: 6. 分別畫(huà)出應(yīng)力松弛和應(yīng)變?nèi)渥兣c時(shí)間的關(guān)系示意圖，并算出t = 0,t = 和t = 時(shí)的縱坐標(biāo)表達(dá)式（9分）。解：Maxwell模型可以較好地模擬應(yīng)力松弛過(guò)程： Voigt模型可以較好地模擬應(yīng)變?nèi)渥冞^(guò)程： 以上兩種模型所描述的是最簡(jiǎn)單的情況，事實(shí)上由于材料力學(xué)性能的復(fù)雜性，我們會(huì)用到用多個(gè)彈簧和多個(gè)

14、黏壺通過(guò)串并聯(lián)組合而成的復(fù)雜模型。如采用四元件模型來(lái)表示線(xiàn)性高聚物的蠕變過(guò)程等。7. NaCl和KCl具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，在低溫下的Debye溫度D分別為310K與230K，KCl在5K時(shí)的定容摩爾熱容為3.8×10-2J/（K.mol）,計(jì)算NaCl在5K和KCl在2K時(shí)的定容摩爾熱容（9分）。8分別計(jì)算摻有下列雜質(zhì)的硅，在室溫時(shí)的載流子濃度和電阻率（12分）：（1）3×1015硼原子/CM3（2）1.3×1016硼原子/CM3+1×1016磷原子/CM3（2）1.3×1016磷原子/CM3+1×1016硼原子/CM3+1×1017砷原子/CM39. 試證明拉莫進(jìn)動(dòng)頻率WL = （9分）證明:由于逆磁體中自旋磁矩相互抵消,只須考