固體物理復(fù)習(xí)資料

1、作者:日期:固體物理1 .固體固體是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)。 與液體和氣體相比固體有比較 固定的體積和形狀、質(zhì)地比較堅(jiān)硬。固體是由數(shù)量級(jí)為1 0 *2 3的粒子所結(jié)合成的宏觀體系，是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)。固體的基態(tài)（即T= 0K時(shí)的狀態(tài)）不僅是能量最低的狀態(tài)，而且還是某種有序狀態(tài)。從微觀角度分析，實(shí)驗(yàn)上所測(cè)得的宏觀屬性是固體在外擾動(dòng)作用下從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)。2 .晶體的分類,按晶胞分：立方 六方 四方 三方 正交 單斜 三斜品系 按對(duì)稱性分：立方體六方體按功能分：導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體磁介質(zhì)電介質(zhì)超導(dǎo)體按結(jié)合方式分：共價(jià)離子金屬v3 . X射線波長(zhǎng)介于紫外線和 y射線間的電磁輻射。X射線是一

2、種波 長(zhǎng)很短的電磁輻射，具波長(zhǎng)約為（200.06） X10 8厘米之間。X 射線光譜是原子中最靠?jī)?nèi)層的電子躍遷時(shí)發(fā)出來(lái)的。X射線彳注射X r ay diffra c tion- 揭示了晶體內(nèi)部結(jié) 構(gòu)定義：X射線受到原子核外電子的散射而發(fā)生的衍射現(xiàn) 象。由于晶體中規(guī)則的原子排列就會(huì)產(chǎn)生規(guī)則的衍射 圖像，可據(jù)此計(jì)算分子中各種原子間的距離和空間排 歹I。是分析大分子空間結(jié)構(gòu)有用的方法。原理191 2年勞埃等人根據(jù)理論預(yù)見(jiàn)，弁用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了 X射線 與晶體相遇時(shí)能發(fā)生衍射現(xiàn)象， 證明了 X射線具有電磁波的性質(zhì) 成為X射線衍射學(xué)的第一個(gè)里程碑。 當(dāng)一束單色X射線入射到晶 體時(shí)，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的

3、晶胞組成，這些規(guī)則排列 的原子間距離與入射 X射線波長(zhǎng)有X射線衍射分析相同數(shù)量級(jí), 故由不同原子散射的 X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強(qiáng) X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切 相關(guān)。這就是X射線衍射的基本原理。一體衍射基礎(chǔ)的著名公式 布拉格方程：2 d sin。二n入式中入為X射線的波長(zhǎng),n為任何正整數(shù)。4.倒格子與正格子之間的關(guān)系（注意：加粗的字母是矢量）一.正格原胞體積與倒格原胞體積之積等于 2兀的3次方二.正格子與倒格子互為對(duì)方的倒格子三.倒格矢Kh = hi b i+h2b2+h 3 b3與正格子晶面族（hih2h 3 ）正交四.倒格矢K h的模與晶面族（hi

4、h2h3）的面間距成反比5 .晶格動(dòng)力學(xué)（第三章第一節(jié)）6 .聲子概念聲子就是“品格振動(dòng)的簡(jiǎn)正模能量量子?！庇⑽氖莗honon。為什么要引入？引入聲子的概念便于處理固體中相互作用問(wèn)題，把聲子當(dāng)作有能量和動(dòng)量的玻色粒子來(lái)處理，十分方便。在固體物理學(xué)的概念中, 結(jié)晶態(tài)固體中的原子或分子是按一 定的規(guī)律排列在品格上的。在晶體中，聲子間有相互作用，原子弁 非是靜止的，它們總是圍繞著其平衡位置在作不斷的振動(dòng)。另一方面,這些原子又通過(guò)其間的相互作用力而連系在一起,即它們各自的振動(dòng)不是彼此獨(dú)立的。 原子之間的相互作用力一般可以很 好地近似為彈性力。形象地講，若把原子比作小球的話，整個(gè)晶 體猶如由許多規(guī)則排列

5、的小球構(gòu)成 ,而小球之間又彼此由彈簧連 接起來(lái)一般，從而每個(gè)原子的振動(dòng)都要牽動(dòng)周圍的原子，使振動(dòng)以彈性波的形式在晶體中傳播。 這種振動(dòng)在理論上可以認(rèn)為是一 系列基本的振動(dòng)（即簡(jiǎn)正振動(dòng)）的疊加。當(dāng)原子振動(dòng)的振幅與原 子間距的比值很小時(shí)（這在一般情況下總是固體中在定量上高度 正確的原子運(yùn)動(dòng)圖象），如果我們?cè)谠诱駝?dòng)的勢(shì)能展開(kāi)式中只 取到平方項(xiàng)的話（這即所謂的簡(jiǎn)諧近似），那么，這些組成晶體中彈性波的各個(gè)基本的簡(jiǎn)正振動(dòng)就是彼此獨(dú)立的。換句話說(shuō)，每一種簡(jiǎn)正振動(dòng)模式實(shí)際上就是一種具有特定的頻率V、波長(zhǎng)入和一定傳播方向的彈性波，整個(gè)系統(tǒng)也就相當(dāng)于由一系列相互獨(dú)立 的諧振子構(gòu)成。在經(jīng)典理論中，這些諧振子的能量

6、將是連續(xù)的， 但按照量子力學(xué)，它們的能量則必須是量子化的，只能取h3 的 整數(shù)倍，即E n=（n + 1 /2 ） h 丫（其中1/2h 丫為零點(diǎn)能）。這樣, 相應(yīng)的能態(tài)En就可以認(rèn)為是由n個(gè)能量為 hv的“激發(fā)量子” 相加而成。而這種量子化了的彈性波的最小單位就叫聲子。聲子是一種元激發(fā)聲子弁不是一個(gè)真正的粒子,聲子可以產(chǎn)生和消滅，有相互作用的聲子數(shù)不守恒，聲子動(dòng)量的守恒律也不同于一 般的粒子，弁且聲子不能脫離固體存在。 聲子只是格波激發(fā)的量 子，在多體理論中稱為集體振蕩的元激發(fā)或準(zhǔn)粒子。聲子的化學(xué)勢(shì)為零，屬于玻色子,服從玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)。 聲子本身弁不具有物理動(dòng)量，但是攜帶有準(zhǔn)動(dòng)量,弁具有

7、能量。光子與聲子是既有區(qū)別，又有共性：其共性之一是：它們都具有波的周期性、衍射、干擾等特 性。其共性之二是：它們能量最小單元都為hvo其共性之三是：它們都可用測(cè)定波源與觀測(cè)點(diǎn)間的距離l及二點(diǎn)間傳輸?shù)臅r(shí)間t ，求出（平均）波速其共性之四是：它們都可用測(cè)定波的頻率V與波長(zhǎng) 入,求出波速u =v入。其共性之五是：它們都有具有波源的運(yùn)動(dòng)不會(huì)改變（某坐標(biāo)系中的）波速的特性光子和聲子的產(chǎn)生機(jī)制根據(jù)光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。光和物質(zhì)相互作用時(shí)表現(xiàn)出粒 子性，即光子。聲子不能脫離固體存在 ,聲子只是格波激發(fā)的量 子，在多體理論中稱為集體震蕩的元激發(fā)或準(zhǔn)粒子。光子和聲子的聯(lián)系光波與離子晶體的長(zhǎng)光學(xué)橫波可以發(fā)生強(qiáng)烈的

8、耦合，形成聲光子。在非離子晶體中，光子也能與晶格振動(dòng)發(fā)生相互作用，因 為晶格振動(dòng)使晶體內(nèi)的電子分布發(fā)生變化，從而使晶體的光學(xué)常數(shù)發(fā)生變化，如折射率，這就會(huì)使在晶體中傳播的光波頻率和波 矢都發(fā)生相應(yīng)變化。另一方面,光波在晶體中傳播時(shí)，光電場(chǎng)會(huì) 使晶體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,如彈性系數(shù),從而使晶體的晶格振 動(dòng)也發(fā)生相應(yīng)的變化,光子也能和晶格振動(dòng)發(fā)生相互作用 ,這種 相互作用可以理解為光子收到聲子的非彈性散射,同時(shí)滿足動(dòng)量守恒和能量守恒定律。光子與長(zhǎng)聲學(xué)波聲子的相互作用一般稱為光子的布里淵散 射。光子和光學(xué)波聲子的相互作用稱為光子的拉漫散射。兩種散射都不會(huì)有倒逆散射。7 .黃昆先生(1 9 1 9 -

9、-2005)黃昆固體物理、半導(dǎo)體物理學(xué)家1 9 85年當(dāng)選為第三世界科學(xué)院院士。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、名譽(yù)所長(zhǎng)。是國(guó)際著名的中國(guó)物理學(xué)家、教育家、中國(guó)固體物理學(xué)先驅(qū)、中國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)奠基人。獲2 0 0 1年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)對(duì)固體物理的貢獻(xiàn)(1)四十年代,提出固體中雜質(zhì)缺陷導(dǎo)致 X光漫散射的理論，六十年代證實(shí)弁得到應(yīng)用，被稱為“黃曼散射” o(2) 1 9 50年同其夫人艾夫合作，首次提出多聲子無(wú)輻射躍遷理論“黃里斯理論”。(3) 1 9 51年，首次提出描述晶體中光學(xué)位移，宏觀電場(chǎng)與電極化三者關(guān)系的“黃方程”，196 3年，拉曼散射 實(shí)驗(yàn)證實(shí)。黃昆著作晶格動(dòng)力學(xué)理論玻恩，黃昆著 葛惟銀，賈惟義譯 北京 大學(xué)出版社 1 9 8 9 I S BN 7 -3 0 1-00 8 3 6- 8半導(dǎo)體物理進(jìn) 展與教學(xué)黃昆著半導(dǎo)體物理學(xué)黃昆,謝希德著 科學(xué)出版社 19 5 8固體物理學(xué)黃昆著，韓汝琦改編