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固体物理_复习重点

固体物理_复习重点
固体物理_复习重点

晶体:是由离子,原子或分子(统称为粒子)有规律的排列而成的,具有周期性和对称性

非晶体:有序度仅限于几个原子,不具有长程有序性和对称性

点阵:格点的总体称为点阵

晶格:晶体中微粒重心,周期性的排列所组成的骨架,称为晶格

格点:微粒重心所处的位置称为晶格的格点(或结点)

晶体的周期性和对称性:晶体中微粒的排列按照一定的方式不断的做周期性重复,这样的性质称为晶体结构的周期性。晶体的对称性指晶体经过某些对称操作后,仍能恢复原状的特性。(有轴对称,面对称,体心对称即点对称)

密勒指数:某一晶面分别在三个晶轴上的截距的倒数的互质整数比称为此晶面的密勒指数

配位数:可用一个微粒周围最近邻的微粒数来表示晶体中粒子排列的紧密程度,称为配位数

致密度:晶胞内原子所占体积与晶胞总体积之比称为点阵内原子的致密度

固体物理学元胞:选取体积最小的晶胞,称为元胞:格点只在顶角,内部和面上都不包含其他格点,整个元胞只含有一个格点:元胞的三边的平移矢量称为基本平移矢量(或者基矢);突出反映晶体结构的周期性

晶胞:体积通常较固体物理学元胞大;格点不仅在顶角上,同时可以在体心或面心上;晶胞的棱也称为晶轴,其边长称为晶格常数,点阵常数或晶胞常数;突出反映晶体的周期性和对称性。

布拉菲格子:晶体由完全相同的原子组成,原子与晶格的格点相重合而且每个格点周围的情况都一样

复式格子:晶体由两种或者两种以上的原子构成,而且每种原子都各自构成一种相同的布拉菲格子,这些布拉菲格子相互错开一段距离,相互套购而形成的格子称为复式格子,复式格子是由若干相同的布拉菲格子相互位移套购而成的

声子:晶格简谐振动的能量化,以hv l来增减其能量,hv l就称为晶格振动能量的量子叫声子

非简谐效应:在晶格振动势能中考虑了δ2以上δ高次项的影响,此时势能曲线能是非对称的,因此原子振动时会产生热膨胀与热传导

点缺陷的分类:晶体点缺陷:①本征热缺陷:弗伦克尔缺陷,肖脱基缺陷②杂质缺陷:置换型,填隙型③色心④极化子

布里渊区:在空间中倒格矢的中垂线把空间分成许多不同的区域,在同一区域中能量是连续的,在区域的边界上能量是不连续的,把这样的区域称为布里渊区

固体物理复习要点

第一章 1、晶体有哪些宏观特性?

答:自限性、晶面角守恒、解理性、晶体的各向异性、晶体的均匀性、晶体的对称性、固定的熔点这是由构成晶体的原子和晶体内部结构的周期性决定的。说明晶体宏观特性是微观特性的反映

2、什么是空间点阵?

答:晶体可以看成由相同的格点在三维空间作周期性无限分布所构成的系统,这些格点的总和称为点阵。

3、什么是简单晶格和复式晶格?

答:简单晶格:如果晶体由完全相同的一种原子组成,且每个原子周围的情况完全相同,则这种原子所组成的网格称为简单晶格。

复式晶格:如果晶体的基元由两个或两个以上原子组成,相应原子分别构成和格点相同的网格,称为子晶格,它们相对位移而形成复式晶格。

4、试述固体物理学原胞和结晶学原胞的相似点和区别。

答:(1)固体物理学原胞(简称原胞)

构造:取一格点为顶点,由此点向近邻的三个格点作三个不共面的矢量,以此三个矢量为边作平行六面体即为固体物理学原胞。

特点:格点只在平行六面体的顶角上,面上和内部均无格点,平均每个固体物理学原胞包含1个格点。它反映了晶体结构的周期性。

(2)结晶学原胞(简称晶胞)

构造:使三个基矢的方向尽可能地沿着空间对称轴的方向,它具有明显的对称性和周期性。

特点:结晶学原胞不仅在平行六面体顶角上有格点,面上及内部亦可有格点。其体积是固体物理学原胞体积的整数倍。

5、晶体包含7大晶系,14种布拉维格子,32个点群?试写出7大晶系名称;并写出立方晶系包含哪几种布拉维格子。

答:七大晶系:三斜、单斜、正交、正方、六方、菱方、立方晶系。

6.在晶体的宏观对称性中有哪几种独立的对称元素?写出这些独立元素。

答:

7.密堆积结构包含哪两种?各有什么特点?

答:(1)六角密积

第一层:每个球与6个球相切,有6个空隙,如编号1,2,3,4,5,6。

第二层:占据1,3,5空位中心。

第三层:在第一层球的正上方形成ABABAB······排列方式。

六角密积是复式格,其布拉维晶格是简单六角晶格。

基元由两个原子组成,一个位于(000),另一个原子位于

c b a r 213132:++=即

(2)立方密积

第一层:每个球与6个球相切,有6个空隙,如编号为1,2,3,4,5,6。

第二层:占据1,3,5空位中心。

第三层:占据2,4,6空位中心,按ABCABCABC······方式排列,形成面心立方结构,称为立方密积。

8.试举例说明哪些晶体具有简单立方、面心立方、体心立方、六角密积结构。并写出这几种结构固体物理学原胞基矢。

答:CsCl 、ABO3 ; NaCl ; ; 纤维锌矿ZnS

9.会从正格基矢推出倒格基矢,并知道倒格子与正格子之间有什么区别和联系?

10.会画二维晶格的布里渊区。

12.会求晶向指数、晶面指数,并作出相应的平面。

13.理解原子的形状因子,会求立方晶格结构的几何结构因子。

14.X射线衍射的几种基本方法是什么?各有什么特点?

答:劳厄法:(1)单晶体不动,入射光方向不变;(2)X射线连续谱,波长在

间变化,反射球半径

转动单晶法:(1)X射线是单色的;(2)晶体转动。

粉末法:(1)X射线单色( 固定);(2)样品为取向各异的单晶粉末。

第二章 1、什么是晶体的结合能,按照晶体的结合力的不同,晶体有哪些结合类型及其结合力是什么力?

答:晶体的结合能就是将自由的原子(离子或分子)结合成晶体时所释放的能量。

结合类型:离子晶体—离子键分子晶体—范德瓦尔斯力共价晶体—共价键

金属晶体—金属键氢键晶体—氢键

2、原子间的排斥力主要是什么原因引起的?

库仑斥力与泡利原理引起的

3、离子晶体有哪些特点?为什么会有这些特点?

答:离子晶体主要依靠吸引较强的静电库仑力而结合,其结构十分稳固,结合能的数量级约在800kJ/mol。结合的稳定性导致了导电性能差,熔点高,硬度高和膨胀系数小等特点。

4、试述共价键定义,为什么共价键具有饱和性和方向性的特点?

答:共价键是化学键的一种,两个或多个原子共同使用它们的外层电子,在理想情况下达到电子饱和的状态,由此组成比较稳定和坚固的化学结构叫做共价键。

当原子中的电子一旦配对后,便再不能再与第三个电子配对,因此当一个原子与其他原子结合时,能够形成共价键的数目有一个最大值,这个最大值取决于它所含有的未配对的电子数。即由于共价晶体的配位数较低,所以共价键才有饱和性的特点。另一方面,当两个原子在结合成共价键时,电子云发生交叠,交叠越厉害,共价键结合就越稳固,因此在结合时,必定选取电子云交叠密度最大的方位,这就是共价键具有方向性的原因。

5、金属晶体的特点是什么?为什么会有这些特点?一般金属晶体具有何种结构,最大配位数为多少?

答:特点:良好的导电性和导热性,较好的延展性,硬度大,熔点高。

金属性的结合方式导致了金属的共同特性。金属结合中的引力来自于正离子实与负电子气之间的库仑相互作用,而排斥力则有两个来源,由于金属性结合没有方向性要求的缘故,所以金属具有很大的塑性,即延展性较好。

金属晶体多采用立方密积(面心立方结构)或六角密积,配位数均为12;少数金属为体心立方结构,配位数为8。

6、简述产生范德瓦斯力的三个来源?为什么分子晶体是密堆积结构?

答:来源:1、极性分子间的固有偶极矩产生的力称为Keesen力;

2、感应偶极矩产生的力称为Debye力;

3、非极性分子间的瞬时偶极矩产生的力称为London力。

由于范德瓦耳斯力引起的吸引能与分子间的距离r的6次方成反比,因此,只有当分子间的距离r很小时范德瓦耳斯力才能起作用。而分子晶体的排斥能与分子间的距离r的12次方成反比,因此排斥能随分子间的距离增加而迅速减少。范德瓦耳斯力没有方向性,也不受感应电荷是否异同号的限制,因此,分子晶体的配位数越大越好。配位数越大,原子排列越密集,分子晶体的结合能就越大,分子晶体就越稳定,在自然界排列最密集的晶体结构为面心立方或六方密堆积结构。

7、什麽叫氢键?试举出氢键晶体的例子

答:氢原子同时与两个负电性较大,而原子半径较小的原子(O、F、N等)结合,构成氢键。

如:水(H2O),冰,磷酸二氢钾(KH2PO40),脱氧核糖酸(DNA)等。

爱因斯坦模型(爱因斯坦对晶格振动采用了一个极简单的假设,即晶格中的各原子振动都是独立的,这样所有原子振动都有同一频率。)在低温下与实验存在偏差的根源是什么?

答:按照爱因斯坦温度的定义,爱因斯坦模型的格波的频率大约为1013Hz,属于光学支频率,但光学格波在低温时对热容的贡献非常小,低温下对热容贡献大的主要是长声学格波,也就是说爱因斯坦没考虑声学波对热容的贡献是爱因斯坦模型在低温下与实验存在偏差的根源。

在低温的德拜模型[德拜模型只考虑弹性波对热容的贡献]符合很好,原因是什么?答:在甚低温下, 不仅光学波得不到激发, 而且声子能量较大的短声学格波也未被激发, 得到激发的只是声子能量较小的长声学格波. 长声学格波即弹性波. 德拜模型只考虑弹性波对热容的贡献. 因此, 在甚低温下, 德拜模型与事实相符, 自然与实验相符.

陶瓷中晶界对材料性能有很大的影响,试举例说明晶界的作用

答:晶界是一种面缺陷,是周期性中断的区域,存在较高界面能和应力,且电荷不平衡,故晶界是缺陷富集区域,易吸附或产生各种热缺陷和杂质缺陷,与体内微观粒子(如电子)相比,晶界微观粒子所处的能量状态有明显差异,称为晶界态。

在半导体陶瓷,通常可以通过组成,制备工艺的控制,使晶界中产生不同起源的受主态能级,在晶界产生能级势垒,显著影响电子的输出行为,使陶瓷产生一系列的电功能特性(如PTC特性,压敏特性,大电容特性等)。这种晶界效应在半导体陶瓷的发展中得到了充分的体现和应用。

从能带理论的角度简述绝缘体,半导体,导体的导电或绝缘机制

答:⑴在金属能带中,价带与导带迭合,价带中存在空能级或者价带全满但导带中有电子,故电子易迁移进入较高能量状态的空能级中,金属具有优异的导电性⑵在绝缘体的能带中,其价带全部填满,而导带全部为空能级,在价带与导带之间存在很宽的禁带(>3.0eV),因而电子难以由价带跃迁到导带中,绝缘体的导电性很差⑶半导体的能带结构与绝缘体相似,但其禁带较窄(<3.0eV),因而在外电场激发下(如热激发),电子可由价带跃进导带中而导电,如果在禁带中靠近导带(或价带)的位置引入附加能级(施主或受主)将显著提高半导体的导电性.

画出钙钛矿的晶体结构,并指出它是由哪几种布拉菲格子组成的.

答:此为钙钛矿结构(BaTiO3,SrTiO3等),A,B,O1,O2,O3各自组成5个简单立方布氏格子套购而成。

试从结合键的角度说明水在结冰是何以会膨胀?

答:水结成冰,是从液态往固态转化,形成晶体结构,晶格与晶格之间是通过氢键结合,氢原子不但与一个氧原子结合成共价键O-H,而且还和另一个氧原子结合,但结合较弱,键较长,用O-H表示,氧原子本身则组成一个四面体。

经典的自由电子理论的要点,用其解释金属的电性能

答:要点:金属晶体就是靠自由价电子和金属离子所形成的点阵间的相互作用而结合在一起的,这种

相互作用称为金属键.

⑴金属中存在大量可自由运动的电子,其行为类似理想气体⑵电子气体除与离子实碰撞瞬间外,其他时间可认为是自由的⑶电子←→电子之间的相互碰撞(作用)忽略不计⑷电子气体通过与离子实的碰撞而达到热平衡,电子运动速度分布服从M—B经典分布.

在金属中的自由价电子的数目是较多的且基本上不随温度而变,所以当温度升高的时候,金属电导率的变化主要取决去电子运动的速度.因为晶格中的原子和离子不是静止的,它们在晶格的格点上作一定的振动,且随温度升高这种振动会加剧,证实这种振动对电子的流动起着阻碍作用,温度升高,阻碍作用加大,电子迁移率下降,电导率自然也下降了

索莫非量子理论的成功之处

答:金属中的电子不受任何其他外力的作用,彼此间也无相互作用,可把它看成是在一个长,宽,高,分别为a,b,c的方匣子中运动的自由离子,在金属内部每一个电子的势能是一个常数(或0),在边界处和边界外面的势能则为无穷大,所以可把金属中的电子看成是在具有一定深度势阱中运动的自由电子,把这样一个体系作为三维势箱中的平动子来考虑.

成功之处:1解释了金属键的本质;2对电子的比热问题进行了较好的解释

长光学支格波与长声学支格波本质上有何差异?

答:长光学支格波的特征是每个元胞内的不同原子做相对振动,振动频率较高,它包含了晶格振动频率最高的振动模式,长声学支格波的特征是元胞内的不同原子没有相对位移,元胞做整体运动,振动频率较低,它包含了晶格振动频率最低的振动模式,波速是一常数,任何晶体都存在声学支格波,但简单晶格(非复式格子)晶体不存在光学支格波.

从导电率的角度简述绝缘体,半导体,导体的导电或绝缘机制

答:⑴从电导率角度讲,由于金属的可自由移动电子较多,所以电导率很大,并且电导率随着温度的升高而降低.⑵从电导率角度讲,由于绝缘体的可自由移动电子很少,所以电导率很小,并且电导率随着温度的升高而升高.

按缺陷在空间分布的情况,对晶体的缺陷进行分类,并举例说明掺杂对材料结构和性能的影响

答:①点缺陷:本征热缺陷(弗伦克尔缺陷,肖脱基缺陷),杂质缺陷(置换,填隙),色心,极化子.线缺陷:刃性位错,螺旋位错;面缺陷:小角晶界,晶界,堆积缺陷;体缺陷:孔洞,聚集,微裂纹②在Fe中掺杂C,使C聚集在晶界,提高Fe的韧性;在Si中掺杂微量P,B等元素能使Si成为半导体,电导率得到大幅度提高;在白宝石Al2O3晶体中掺杂Cr替代Al,可由白宝石变成红宝石,改变Al2O3晶体的光学特性

简述石墨的结构特点,并说明其结构与性能的关系

答:石墨晶体,是金刚石的同素异构体,组成石墨的一个碳原子以其最外层的三个价电子与其最近邻的三个原子组成共价键结合,这三个键几乎在同意平面上,使晶体呈层状;另一个价电子则较自由的在整个层中运动,具有金属键的性质,这是石墨具有较好导电本领的根源层与层之间又依靠分子晶体的瞬时偶极矩的互作用而结合,这又是石墨质地疏松的根源.

简述离子晶体中缺陷对电导率有何影响?

答:由于离子晶体是正负离子在库仑力的作用下结合而成的,因而使离子晶体中点缺陷带有一定的电荷,这就引起离子晶体的点缺陷具有一般点缺陷没有的特性,理想的离子晶体是典型的绝缘体,满价带与空带之间有很宽的禁带,热激发几乎不可能把电子由满价带激发到空带上去,但实际上离子晶体都有一定的导电性,其电阻明显地依赖于温度和晶体的纯度.因为温度升高和掺杂都可能在晶体中产生缺陷,所以可以断定离子晶体的导电性与缺陷有关.

从能带理论可以这样理解离子晶体的导电性:离子晶体中带点的点缺陷可以是束缚电子或空穴,形成一种不同于布洛赫的局域态.这种局域态的能级处于满带和空带的能隙中,且离空带的带地或者满带的带顶较近,从而可能通过热激发向空带提供电子或接受满带电子,使离子晶体表现出类似于半导体的导电特性.

为什么组成晶体的粒子(分子,原子或离子)间的互作用力除吸引力还要排斥力?排斥力的来源是

什么?答:电子云重叠——泡利不相容原理排斥力的来源:相邻的原子靠的很近,以至于它们内层闭合壳层的电子云发生重叠时,相邻的原子间使产生巨大排斥力,也就是说,原子间的排斥作用来自相邻原子内层闭合壳层电子云的重叠。

本征半导体的能带与绝缘体的能带有何异同?

答:在低温下,本征半导体的能带与绝缘体的能带结构相同,但本征半导体的禁带较窄,禁带宽度通常小于2eV,由于禁带窄,本征半导体禁带下满带项的电子可以借助热激发,跃迁到禁带上面空带的底部,使得满带不满,空带不空,二者都对导电有贡献。

试述范德瓦尔斯力的起源和特点

答:范德瓦尔斯力:是分子间微弱的相互作用力,主要由静电力(偶极子-偶极子相互作用)(极性分子之间),诱导力(偶极子-诱导偶极子相互作用)(极地分子和非极地分子之间),色散力(非极性分子的诱导偶极子-诱导偶极子的相互作用)之间的相互作用而结合;

特点:①存在于所有分子间②作用范围在几个A内③没有方向性和饱和性④不同分子中,静电力,诱导力和色散力所占比例不同,一般色散力所占比例较大。

为什么金属具有延展性而原子晶体和离子晶体却没有延展性?

答:正离子间可流动的“电子海”,对原子移动时克服势垒起到“调剂”作用。因此,原子间(主要是密置层间)比较容易相对位移,从而使金属有较好的延展性和可塑性。原子晶体具有方向性和饱和性;离子晶体间相对位移出现同号相邻现象,产生斥力

试从金属键的结合特性说明,何以多数金属形成密集结构?

答:金属结合中,受到最小能量原理的约束,要求原子实与共有电子电子云间的库伦能要尽可能的低(绝对值尽可能的大)原子实越紧凑,原子实与共有电子电子云靠的就越紧密,库伦能就越低,所以,许多金属的结构为密积结构

在讨论晶体的结合时,有时说,由于电子云的交叠使互作用能减小,出现引力,形成稳定结构;有事又说,由于电子云的交叠,使原子间初相斥力,这两种说法有无矛盾?

答:共价结合,形成共价键的配对电子,它们的自旋方向相反,这两个电子的电子云交迭使得体系的能量降低,结构稳定,但当原子靠的很近时,原子内部充满壳层电子的电子云交叠,量子态相同的电子产生巨大的排斥力,使得系统的能量急剧增大。

2、什么叫格波?

答:晶格中的原子振动是以角频率为ω的平面波形式存在的,这种波就叫格波。

3、什么叫声子?与光子有何区别?

答:将格波的能量量子叫声子。

声子和光子的区别:光子是一种真实粒子,它可以在真空中存在;但声子是人们为了更好地理解和处理晶格集体振动设想出来的一种粒子,它不能游离于固体之外,更不能跑到真空中,离开了晶格振动系统,也就无所谓声子,所以,声子是种准粒子。声子和光子一样,是玻色子,它不受泡利不相容原理限制,粒子数也不守恒,并且服从玻色-爱因斯坦统计。

1.在利用能带理论计算晶体能带时,固体是由大量原子组成,每个原子又有原子核和电子,实际上是要解多体问题的薛定鄂方程,而我们要把多体问题转化为单电子问题,需要对整个系统进行简化,试叙述需要哪些简化近似?

答:首先应用绝热近似,由于电子质量远小于离子质量,电子的运动速度就比离子要大得多,故相对于电子,可认为离子不动,或者说电子的运动可随时调整来适应离子的运动。

第二个近似是平均场近似,在多电子系统中,可把多电子中的每一个电子看作在离子场及其他电子产生的平均场中运动这种考虑叫平均场近似。

第三个近似是周期场近似,每个电子都在完全相同的严格周期性势场中运动,因此每个电子的运动

都可以单独考虑。

2.布洛赫定理的表达形式和布洛赫定理的物理意义?

答:它表明在不同原胞的对应点上,波函数相差一个相位因子exp(ikRn),相位因子不影响波函数模的大小,所以不同原胞对应点上,电子出现的概率是相同的。

3.简述近自由电子模型。

答:该模型假设晶体势很弱,晶体电子的行为很像是自由电子,我们可以在自由电子模型结果的基础上用微扰方法去处理势场的影响,这种模型得到的结果可以作为简单金属价带的粗略近似。

4.简述紧束缚电子模型。

答:原子势很强,晶体电子基本上是围绕一个固定电子运动,与相邻原子存在的很弱的相互作用可以当作微扰处理,所得结果可以作为固体中狭窄的内壳层能带的粗略近似。

固体物理复习资料

1. 解理面(即用刀切开的那个面)是指数低的晶面还是指数高的晶面。为什么?

答:晶体容易沿解理面劈裂,说明平行于解理面的原子层之间的结合力弱,即平行解理面的原子层的间距大. 因为面间距大的晶面族的指数低, 所以解理面是面指数低的晶面.

2:引入波恩-卡门条件的理由是什么?

(1)方便于求解原子运动方程.

由本教科书的(3.4)式可知, 除了原子链两端的两个原子外, 其它任一个原子的运动都与相邻的两个原子的运动相关. 即除了原子链两端的两个原子外, 其它原子的运动方程构成了个联立方程组. 但原子链两端的两个原子只有一个相邻原子, 其运动方程仅与一个相邻原子的运动相关, 运动方程与其它原子的运动方程迥然不同. 与其它原子的运动方程不同的这两个方程, 给整个联立方程组的求解带来了很大的困难.

(2)与实验结果吻合得较好.

对于原子的自由运动, 边界上的原子与其它原子一样, 无时无刻不在运动. 对于有N 个原子构成的的原子链, 硬性假定0 ,01==N u u 的边界条件是不符合事实的. 其实不论什么边界条件都与事实不符. 但为了求解近似解, 必须选取一个边界条件. 晶格振动谱的实验测定是对晶格振动理论的最有力验证(参见本教科书§3.2与§3.4). 玻恩卡门条件是晶格振动理论的前提条件. 实验测得的振动谱与理论相符的事实说明, 玻恩卡门周期性边界条件是目前较好的一个边界条件

3.什么是简正振动模式?简正振动数目,格波振动模式或数目是否是一回事?

答:为了使问题既简化又能抓住主要矛盾,在分析讨论晶格振动时,将原子间互作用力的泰勒级数中的非线形项忽略掉的近似称为简谐近似. 在简谐近似下, 由N 个原子构成的晶体的晶格振动, 可等效成3N 个独立的谐振子的振动. 每个谐振子的振动模式称为简正振动模式, 它对应着所有的原子都以该模式的频率做振动, 它是晶格振动模式中最简单最基本的振动方式. 原子的振动, 或者说格波振动通常是这3N 个简正振动模式的线形迭加.

简正振动数目、格波数目或格波振动模式数目是一回事, 这个数目等于晶体中所有原子的自由度数之和, 即等于3N .

6.结晶学中晶胞是按晶体什么特性选取的?

答:在结晶学中, 晶胞选取的原则是既要考虑晶体结构的周期性又要考虑晶体的宏观对称性.

7.晶体中声子数是否守恒?

高温时, 晶体中的声子数目与温度成正比.(不守恒)

低温时, 晶体中的声子数目与T 3成正比.(不守恒)

8.?温度一定,光学波多还是声学波多? 光<声

频率为ω的格波的(平均) 声子数为

11

)(/-=T k B e n ωω .

因为光学波的频率O ω比声学波的频率A ω高, (1/-T k B O e ω )大于(1/-T k B A e ω ), 所以在

温度一定情况下, 一个光学波的声子数目少于一个声学波的声子数目.

?对同一个振动模式, 温度高时的声子数目多呢, 还是温度低时的声子数目多?

答:设温度T H >T L , 由于(1/-H B T k e ω )小于(1/-L B T k e ω ), 所以温度高时的声子数目多于温度低时的声子数目.

9.高温时, 频率为ω的格波的声子数目与温度有何关系?

答:温度很高时, 1/-≈ωω T k B e , 频率为ω的格波的(平均) 声子数为

11

)(/-=T k B e n ωω ω T

k B ≈.

可见高温时, 格波的声子数目与温度近似成正比.

10.简单晶格是否存在强烈的红外吸收?

答:实验已经证实, 离子晶体能强烈吸收远红外光波. 这种现象产生的根源是离子晶体中的长光学横波能与远红外电磁场发生强烈耦合. 简单晶格中不存在光学波, 所以简单晶格不会吸收远红外光波.

11.与布里渊区边界平行的晶面族对什么状态的电子具有强烈的散射?

当电子的波矢k 满足关系式

0)2(=+?n n K k K

时, 与布里渊区边界平行且垂直于n K 的晶面族对波矢为k 的电子具有强烈的散射作用. 此时, 电子的波矢很大, 波矢的末端落在了布里渊区边界上, k 垂直于布里渊区边界的分量的模等于2/n K .

15.长光学支格波与长声学支格波本质上有何差别?

答:长光学支格波的特征是每个原胞内的不同原子做相对振动, 振动频率较高, 它包含了晶格振动频率最高的振动模式. 长声学支格波的特征是原胞内的不同原子没有相对位移, 原胞做整体运动, 振动频率较低, 它包含了晶格振动频率最低的振动模式, 波速是一常数. 任何晶体都存在声学支格波, 但简单晶格(非复式格子)晶体不存在光学支格波.

(下面的稍微看看就可以了)

12. 固体呈现宏观弹性的微观本质是什么?

答:固体受到外力作用时发生形变,在外力撤销后形变消失的性质称为固体的弹性,设无外力时相邻原子的距离为a ,当相邻原子间的距离>a 时,吸引力起主导作用,当相邻原子间的距离

13. 拉曼散射中光子会不会产生倒逆散射?

拉曼散射是长光学波声子与光子(红外光)的相互作用,长光学波声子的波矢很小,响应 的动量小,产生倒逆散射的条件要求波长小,散射角大,拉曼散射不满足条件所以不会产生倒逆散射。

16体心立方元素晶体, [111]方向上的结晶学周期为多大? 实际周期为多大?

解:结晶学的晶胞,其基矢为c b a , ,,只考虑由格矢=R h a +k b +l c 构成的格点. 因此, 体心立方元素晶体[111]方向上的结晶学周期为a 3, 但实际周期为a 3/2.

17. 晶格常数为a , 求立方晶系密勒指数为(hkl )的晶面族的面间距?

解:晶系密勒指数为(hkl )的晶面族的

面间距22222222l k h a a l a k a h d hkl hkl ++=++==k j i K πππππ

18. 证明:体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体心立方。

19. 试用德拜模型,求T=0K时、晶格的零点振动能。

20.设一维晶体的电子能带可以写成

其中a为晶格常数,m为电子质量。

计算(1)能带的宽度

(2)电子在波矢k的状态时的速度

(3)能带底部和能带顶部电子的有效质量

固体物理试题库(大全)

一、名词解释 1.晶态--晶态固体材料中的原子有规律的周期性排列,或称为长程有序。 2.非晶态--非晶态固体材料中的原子不是长程有序地排列,但在几个原子的范围内保持着有序性,或称为短程有序。 3.准晶--准晶态是介于晶态和非晶态之间的固体材料,其特点是原子有序排列,但不具有平移周期性。 4.单晶--整块晶体内原子排列的规律完全一致的晶体称为单晶体。 5.多晶--由许多取向不同的单晶体颗粒无规则堆积而成的固体材料。 6.理想晶体(完整晶体)--内在结构完全规则的固体,由全同的结构单元在空间无限重复排列而构成。 7.空间点阵(布喇菲点阵)--晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地做周期性无限重复排列,这些点子的总体称为空间点阵。 8.节点(阵点)--空间点阵的点子代表着晶体结构中的相同位置,称为节点(阵点)。 9.点阵常数(晶格常数)--惯用元胞棱边的长度。 10.晶面指数—描写布喇菲点阵中晶面方位的一组互质整数。 11.配位数—晶体中和某一原子相邻的原子数。 12.致密度—晶胞内原子所占的体积和晶胞体积之比。 13.原子的电负性—原子得失价电子能力的度量;电负性=常数(电离能+亲和能) 14.肖特基缺陷—晶体内格点原子扩散到表面,体内留下空位。 15.费仑克尔缺陷--晶体内格点原子扩散到间隙位置,形成空位-填隙原子对。 16.色心--晶体内能够吸收可见光的点缺陷。 17.F心--离子晶体中一个负离子空位,束缚一个电子形成的点缺陷。 18.V心--离子晶体中一个正离子空位,束缚一个空穴形成的点缺陷。 19.近邻近似--在晶格振动中,只考虑最近邻的原子间的相互作用。 20.Einsten模型--在晶格振动中,假设所有原子独立地以相同频率ωE振动。 21.Debye模型--在晶格振动中,假设晶体为各向同性连续弹性媒质,晶体中只有3支声学波,且ω=vq 。 22.德拜频率ωD──Debye模型中g(ω)的最高频率。 23.爱因斯坦频率ωE──Einsten模型中g(ω)的最可几频率。 24.电子密度分布--温度T时,能量E附近单位能量间隔的电子数。 25.接触电势差--任意两种不同的物质A、B接触时产生电荷转移,并分别在A和B上产生电势V A、V B,这种电势称为接触电势,其差称为接触电势差。 25.BLoch电子费米气--把质量视为有效质量→ m,除碰撞外相互间无互作用,遵守费米分布的 Bloch电子的集合称为BLoch电子费米气。 26.惯用元胞(单胞):既能反映晶格周期性,又能反映其对称性的结构单元。 27.简谐近似:晶体中粒子相互作用势能泰勒展开式中只取到二阶项的近似。 28.杜隆-伯替定律:高温下固体比热为常数。 29.晶体的对称性:经过某种对称操作后晶体能自身重合的性质。

本科阶段固体物理期末重点计算题完整版

本科阶段固体物理期末 重点计算题 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】

第一章 晶体结构 1. 氯化钠与金刚石型结构是复式格子还是布拉维格子,各自的基元为何?写出这两种结 构的原胞与晶胞基矢,设晶格常数为a 。 解: 氯化钠与金刚石型结构都是复式格子。氯化钠的基元为一个Na +和一个Cl -组成的正负离子对。金刚石的基元是一个面心立方上的C原子和一个体对角线上的C原子组成的C原子对。 由于NaCl 和金刚石都由面心立方结构套构而成,所以,其元胞基矢都为: 相应的晶胞基矢都为: 2. 六角密集结构可取四个原胞基矢123,,a a a 与4a ,如图所示。试写出13O A A '、1331A A B B 、 2255A B B A 、123456A A A A A A 这四个晶面所属晶面族的晶面指数()h k l m 。 解:(1).对于13O A A '面,其在四个原胞基矢上的截矩分别为:1,1,1 2-,1。所以, 其晶面指数为()1121。 (2).对于1331A A B B 面,其在四个原胞基矢上的截矩分别为:1,1,1 2 -,∞。所 以,其晶面指数为()1120。 (3).对于2255A B B A 面,其在四个原胞基矢上的截矩分别为:1,1-,∞,∞。所以,其晶面指数为()1100。

(4).对于123456A A A A A A 面,其在四个原胞基矢上的截矩分别为:∞,∞,∞,1。所以,其晶面指数为()0001。 3. 如将等体积的硬球堆成下列结构,求证球体可能占据的最大体积与总体积的比为: 简立方: 6 π ;面心立方:6;六角密集:6;金刚石:16。 证明:由于晶格常数为a ,所以: (1).构成简立方时,最大球半径为2 m a R = ,每个原胞中占有一个原子, (2).构成体心立方时,体对角线等于4倍的最大球半径,即:4m R ,每个晶胞中占有两个原子, (3).构成面心立方时,面对角线等于4倍的最大球半径,即:4m R ,每个晶胞占有4个原子, (4).构成六角密集结构时,中间层的三个原子与底面中心的那个原子恰构成一个正 四面体,其高则正好是其原胞基矢c 的长度的一半,由几何知识易知3 m R =c 。原胞底面边长为2m R 。每个晶胞占有两个原子, 33 482233 m m m V R R ππ∴=?=, 原胞的体积为:()2 3 462sin 60 3 m m m V R R ==

固体物理复习整理

固体物理复习整理 第12章 1.什么是布拉菲格子? 2.布拉菲格子与晶体结构之间的关系. 3.什么是复式格子?复式格子是怎么构成的? 4.原胞和晶胞是怎样选取的?它们各自有什么特点? 5.如何在复式格子中找到布拉菲格子?复式格子是如何选取原胞和晶胞的? 6.金刚石结构是怎样构成的? 7.氯化钠、氯化铯的布拉菲格子是什么结构? 8.密堆积有几种密积结构?它们是布拉菲格子还是复式格子? 9.8种独立的基本对称操作是什么? 10.7大晶系是什么? 11.怎样确定晶列指数和晶面指数? 12.晶面指数与晶面在三坐标轴上的截距之间的关系? 13.通过原点的晶面如何求出其晶面指数? 14.倒格子的定义?正倒格子之间的关系? 内容 ?正空间:晶体的结构以及特点 ?正空间:晶体的结构参数的确定→晶向指数和晶面指数 ?从正空间到倒空间→倒格子和布里渊区 晶体所呈现的物理性质来源其特殊的空间结构,所以对其空间结构的了解以及描述很有必要;而对于涉及到波函数,比如格波→晶格振动(13章)和电子波→能带论(14章)的讨论都是在倒空间中完成的,所以本章还涉及到正空间和倒空间的相互转换,以及布里渊区概念的提出和构建。 概念 ?格点和基元 ?布拉菲格子(简单格子)和复式格子 ?原胞和晶胞 ?七大晶系和十四种布拉菲格子 ?立方晶系的三种布拉菲格子:简单立方、面心立方、体心立方的结构特点——晶 胞(立方晶系)和原胞基矢的建立 ?立方晶系的几种复式格子:氯化钠结构、氯化铯结构、金刚石结构和闪锌矿结构 ——结构特点和代表物质 ?最密堆积的两种基本方式:ABAB→六方密堆积(六方晶系的复式格子)和

ABCABC→立方密堆积(立方晶系的布拉菲格子:面心立方) ?晶体的八种独立的宏观对称要素:C1、C2、C3、C4、C6、σ、i、S4 ?32点群和230空间群 ?倒格矢和晶面以及晶面间距之间的关系? ?倒格矢和正格矢之间的关系? ?布里渊区物理性质的重复? 方法 ?一维、二维和三维晶体的原胞和晶胞的选取,以及其基矢的建立,格矢的确定?(包括 简单格子和复式格子) ?晶向指数和晶面指数的确定?(从图到指数,依据指数画图) ?正格子到倒格子的转换——原胞基矢的互换:一维、二维和三维(立方晶系的正倒格子 关系)? ?求正格子和倒格子的体积Ω和Ω*? ?布里渊区的几何画法?布里渊区边界方程应用? 第13章 1.一维单原子晶格的色散关系?色散关系周期性的物理意义? 2.一维双原子晶格的色散关系? 3.同一原胞内两种原子有什么振动特点? 4.晶格振动的波矢数、格波支数及格波数是如何确定的? 5.声子这个概念是怎样引出的?它是怎样描述晶格振动的? 内容 ?对晶格振动形态的描述:从运动方程到色散关系;(简单的一维无限长模型) ?周期边界条件以及对格波状态的讨论(多维有限长模型——原胞数有限) ?格波的能量——声子的引出 ?晶格比热——声子能量的进一步讨论 概念 1、一维单原子和一维双原子的色散关系? 2、声学波和光学波的运动特点? 3、波恩卡门条件:格波支数、每支格波格波数、总格波数(n维有限——简单或者复 式格子) 4、声子的基本概念——格波能量量子化——公式? 5、了解,晶格比热的历史沿革——经典下的矛盾,爱因斯坦和德拜模型的成功与不足?方法 1、运动方程→试探解→色散方程? 2、利用周期边界条件求格波波矢(状态)?

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一、填空 1.固体按其微结构的有序程度可分为 _______、_______和准晶体。 2.组成粒子在空间中周期性排列,具有长程有序的固体称为 _______;组成粒子在空间中的分布完全无序或仅仅具有短程有序的固体称为 _________。 3.在晶体结构中,所有原子完全等价的晶格称为 ______________;而晶体结构中,存在两种或两种以上不等价的原子或离子的晶格称为 ____________。 4晶体结构的最大配位数是____;具有最大配位数的晶体结构包括 ______________晶体结构和 ______________晶体结构。 5.简单立方结构原子的配位数为 ______;体心立方结构原子的配位数为 ______。6.NaCl 结构中存在 _____个不等价原子,因此它是 _______晶格,它是由氯离子和钠离子各自构成的 ______________格子套构而成的。 7.金刚石结构中存在 ______个不等价原子,因此它是 _________晶格,由两个_____________结构的布拉维格子沿空间对角线位移1/4 的长度套构而成,晶胞中有 _____个碳原子。 8. 以结晶学元胞(单胞)的基矢为坐标轴来表示的晶面指数称为________指数。 9. 满足 a i b j 2 ij 2 ,当i j时 关系的 b1,b 2, b 3为基矢,由0,当 i ( i, j 1,2,3) j时 K h h b h b h构b成的点阵,称为 _______。 1 1 2 2 3 10.晶格常数为 a 的一维单原子链,倒格子基矢的大小为 ________。 11.晶格常数为 a 的面心立方点阵初基元胞的体积为 _______;其第一布里渊区的体积为 _______。 12.晶格常数为 a 的体心立方点阵初基元胞的体积为 _______;其第一布里渊区的体积为 _______。 13.晶格常数为 a 的简立方晶格的 (010)面间距为 ________ 14.体心立方的倒点阵是 ________________点阵,面心立方的倒点阵是 ________________点阵,简单立方的倒点阵是________________。 15.一个二维正方晶格的第一布里渊区形状是 ________________。 16.若简单立方晶格的晶格常数由 a 增大为 2a,则第一布里渊区的体积变为原来的 ___________倍。

固体物理_复习重点

晶体:是由离子,原子或分子(统称为粒子)有规律的排列而成的,具有周期性和对称性 非晶体:有序度仅限于几个原子,不具有长程有序性和对称性 点阵:格点的总体称为点阵 晶格:晶体中微粒重心,周期性的排列所组成的骨架,称为晶格 格点:微粒重心所处的位置称为晶格的格点(或结点) 晶体的周期性和对称性:晶体中微粒的排列按照一定的方式不断的做周期性重复,这样的性质称为晶体结构的周期性。晶体的对称性指晶体经过某些对称操作后,仍能恢复原状的特性。(有轴对称,面对称,体心对称即点对称) 密勒指数:某一晶面分别在三个晶轴上的截距的倒数的互质整数比称为此晶面的密勒指数 配位数:可用一个微粒周围最近邻的微粒数来表示晶体中粒子排列的紧密程度,称为配位数 致密度:晶胞内原子所占体积与晶胞总体积之比称为点阵内原子的致密度 固体物理学元胞:选取体积最小的晶胞,称为元胞:格点只在顶角,内部和面上都不包含其他格点,整个元胞只含有一个格点:元胞的三边的平移矢量称为基本平移矢量(或者基矢);突出反映晶体结构的周期性 晶胞:体积通常较固体物理学元胞大;格点不仅在顶角上,同时可以在体心或面心上;晶胞的棱也称为晶轴,其边长称为晶格常数,点阵常数或晶胞常数;突出反映晶体的周期性和对称性。 布拉菲格子:晶体由完全相同的原子组成,原子与晶格的格点相重合而且每个格点周围的情况都一样 复式格子:晶体由两种或者两种以上的原子构成,而且每种原子都各自构成一种相同的布拉菲格子,这些布拉菲格子相互错开一段距离,相互套购而形成的格子称为复式格子,复式格子是由若干相同的布拉菲格子相互位移套购而成的 声子:晶格简谐振动的能量化,以hv l来增减其能量,hv l就称为晶格振动能量的量子叫声子 非简谐效应:在晶格振动势能中考虑了δ2以上δ高次项的影响,此时势能曲线能是非对称的,因此原子振动时会产生热膨胀与热传导 点缺陷的分类:晶体点缺陷:①本征热缺陷:弗伦克尔缺陷,肖脱基缺陷②杂质缺陷:置换型,填隙型③色心④极化子 布里渊区:在空间中倒格矢的中垂线把空间分成许多不同的区域,在同一区域中能量是连续的,在区域的边界上能量是不连续的,把这样的区域称为布里渊区 固体物理复习要点 第一章 1、晶体有哪些宏观特性? 答:自限性、晶面角守恒、解理性、晶体的各向异性、晶体的均匀性、晶体的对称性、固定的熔点这是由构成晶体的原子和晶体内部结构的周期性决定的。说明晶体宏观特性是微观特性的反映 2、什么是空间点阵? 答:晶体可以看成由相同的格点在三维空间作周期性无限分布所构成的系统,这些格点的总和称为点阵。 3、什么是简单晶格和复式晶格? 答:简单晶格:如果晶体由完全相同的一种原子组成,且每个原子周围的情况完全相同,则这种原子所组成的网格称为简单晶格。 复式晶格:如果晶体的基元由两个或两个以上原子组成,相应原子分别构成和格点相同的网格,称为子晶格,它们相对位移而形成复式晶格。 4、试述固体物理学原胞和结晶学原胞的相似点和区别。 答:(1)固体物理学原胞(简称原胞) 构造:取一格点为顶点,由此点向近邻的三个格点作三个不共面的矢量,以此三个矢量为边作平行六面体即为固体物理学原胞。

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第一章晶体的结构 a)晶体的共性: i.长程有序:晶体中的原子按一定规则排列 ii.自限性:晶体自发地形成封闭几何多面体的特性,晶面夹角守恒定律 iii.各向异性:晶体的物理性质是各向异性的,是区别晶体与非晶体的中要特征。 b)密堆积: i.正方堆积:最简单的堆积方式 ii.体心立方堆积: iii.立方堆积和六角堆积:配位数为12 c)配位数和致密度: i.配位数:一个原子球与最近邻的相切原子的个数,如配位数为12即与1个 原子求与相邻的12个原子相切。 ii.致密度:晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积的比值。 d)布喇菲空间点阵原胞和晶胞 i.布喇菲点阵:对实际晶体结构的抽象成无数相同的点的分布,把这些点构成 的总体称为布喇菲点阵。 ii.原胞:晶体中体积最小的重复单元称为原胞,他们并不是唯一的,但是体积总是相等的。 iii.晶胞(布喇菲原胞):晶体中体积不一定是最小的,但是能够反映出晶体对称的特征的重复单元称为晶胞。 iv.原胞基矢:原胞重复单元的边长称为原胞基矢,以a1、a2、a3表示。 v.晶胞基矢:晶胞重复单元的边长称为晶胞基矢,以a、b、c表示。 e)立方晶系: i.简立方:晶胞和原胞是统一的,对应一个结点。 ii.体心立方:原胞体积V= a1 ·(a2*a3) / 2 = a^3 / 2,a是晶胞边长,又称晶格常数。一个体心立方晶胞对应两个格点。 iii.面心立方:原胞体积V=a1 ·(a2*a3)= a^3 / 4;为晶胞体积的1/4,一个面心立方晶胞对应4个格点。 iv.NaCl结构:简立方结构,一个原胞对应一个基元,包含一个钠离子一个氯离子。 v.金刚石结构:构成面心立方结构, vi.简单晶格:基元包含一个原子的晶格,又称布喇菲格子。 vii.复式晶格:基元包含两个或者以上的原子的晶格。 f)晶列、晶面指数: i.晶列的特征:1. 取向;2. 格点的周期。 ii.原胞基矢的晶列指数:设,其中l1,12,l3互质。那么称为晶列指数。晶列指数的周期为,|R|。 iii.晶胞基矢的晶列指数:设,其中m、n、p互质。那么称 [mnp] 称为晶列指数。

固体物理基础课后1到10题答案

一.本章习题 P272习题 1.试证理想六方密堆结构中c/a=. 一. 说明: C 是上下底面距离,a 是六边形边长。 二. 分析: 首先看是怎样密堆的。 如图(书图(a),P8),六方密堆结构每个格点有12个近邻。 (同一面上有6个,上下各有3个) 上下底面中间各有一个球,共有六个球与之相切,每个球直径为a 。 中间层的三个球相切,又分别与上下底面的各七个球相切。球心之间距离为a 。 所以球心之间即格点之间距离均为a (不管是同层还是上下层之间)。 三. 证明: 如图OA=a ,OO ’=C/2(中间层是上下面层的一半),AB=a O ’是ΔABC 的三垂线交点 3 3 'a AB AO = = ∴ (由余弦定理 ) 330cos 2,30cos 230cos 2222a a x x a ax x a x ===-+=οο ο 633.13 22384132)2()2()3 ()2(2 22 222 22 2 2' '≈===∴+=+=+ =a c c a a c a a c OA AO OO

2.若晶胞基矢c b a ρ ρρ,,互相垂直,试求晶面族(hkl )的面间距。 一、分析: 我们想到倒格矢与面间距的关系G d ρπ 2=。 倒格矢与晶面族 (hkl )的关系321b l b k b h G ρρρρ ++= 写出)(321b b b ρρρ与正格子基矢 )(c b a ρ ρρ的关系。即可得与晶面族(hkl ) 垂直的倒格矢G ρ。进而求 得此面间距d 。 二、解: c b a ρρρΘ,,互相垂直,可令k c c j b b i a a ρρρρρρ ===,, 晶胞体积abc c b a v =??=)(ρ ρρ 倒格子基矢: k c j b i a abc b a v b j b i a k c abc a c v b i a k c j b ab c c b v b ρρρρρρρρρρρρρρρρρρπππππππππ2)(2)(22)(2)(22)(2)(2321=?=?==?=?==?=?= 而与 (hkl )晶面族垂直的倒格矢 2 22321)()()(2) (2c l b k a h G k c l j b k i a h b l b k b h G ++=∴++=++=ππρρρρρρρρ 故(hkl ) 晶面族的面间距 2222 22)()()(1)()()(222c l b k a h c l b k a h G d ++= ++= =ππ π ρ

固体物理题目总汇

填空题 1、根据固体材料中原子排列的方式可以将固体材料分为晶体、非晶体 和准晶体。 2、晶体结构=点阵+ 基元。 3、晶体的比热包括晶格比热和电子比热。 4、结晶学中,属于立方晶系的布拉维晶胞有简单立方、体心立方 和面心立方三种。 5、密堆结构有两种:六方密堆积和立方密堆积。 6、原子电负性在一个周期内由左到右不断升高,周期表由上到下,负电性逐渐降低。 7、限定波矢q的取值范围在第一布里渊区 8、金属的未满能带叫价带或导带。 1、人们利用X射线衍射测定晶体结构。 3、晶体的热学性质,如比热、热膨胀和热传导等就与晶格振动密切有关。 4、声子是一种准粒子,不具有通常意义下的动量,常把?q称为声子 的准动量。 5、根据晶体缺陷在空间延伸的线度晶体缺陷可分为点缺陷~线缺陷、面缺陷和体缺陷。 6、V心是F心的反型体。 1、晶体的基本结构单元称为基元。 2、面心立方晶胞的晶格常数为a,其倒格子原胞的体积等于32 3/a3。 3、布拉维空间点阵共有14 种,归为7种晶系。 5、一维双原子链的色散关系中频率较低的一支叫声学支(声频支),它很像单原子链中的声学支,;频率较高的一支则叫光学支(光频支)。 6、面缺陷有堆垛层错、小角晶界和晶粒间界三种主要形式。 8、一般情况下晶体电子的近似质量是张量,自由电子的惯性质量是标量。 9、对复式晶格,格波可分为声学波和光学波。

1、体心立方结构的第一布里渊区是菱形十二面 体。 2、已知某晶体的基矢取为1a 、2a 、3a ,某一晶面在三个基矢上的截距分别 为3,2,-1,则该晶面的晶面指数为()623 3、倒格矢体现了晶面的面间距 和 法向。 8、晶体中的载流子是 电子 和 空穴 。 2、正格子原胞体积Ω与倒格子原胞体积*Ω之积为 ()3 2π 3、金刚石晶体的基元含有 2 个原子,其晶胞含有 8 个碳原 子。 6、准晶是介于周期性晶体 和非晶玻璃之间的一种新的固体物质形态。 8、晶格振动的简化模型主要有爱因斯坦模型和德拜模型。 1、面心立方结构的第一布里渊区是 十四面 体。 2、代表基元中的几何点称为格点。 4、布里渊区的边界由倒格矢 的垂直平分面构成。 5、由于碱金属电离能低和卤素原子 亲和能高,这两种原子很容易形成离子 键。 6、声子和光子一样,是 玻色 子;声子的数目和 温度 密切相关。 7、在CH 4分子中,C 原子的 2s 和 2p 轨道组合成新的4个 sp 3 杂化轨道。 9、能量愈低的能带愈 窄 ,能量愈高的能带愈 宽。 10、三维简立方结构晶格点阵的基失ai a =1,aj a =2,ak a =3,原胞体积 为3a ,对应的倒格子基矢为i a b π21=,j a b π22=,,,k a b π23=。 3、元素周期表中第IV 族元素C 、Si 、Ge 、Sn 的晶体是 共价 晶体的典型 代表。 5、热缺陷有两种形式即 肖特基 缺陷和 弗兰克尔 缺陷。 6、立方晶系的[hkl]晶向与(hkl)晶面 垂直。 7、由于原子的s 态能级和p 态能级相距较近时 1 个s 电子和 3个p 电子 的轨道混合,形成一种sp 3杂化轨道。

固体物理重点计算题详细解答

1.3、证明:面心立方的倒格子是体心立方;体心立方的倒格子是面心立方。 证明:(1)面心立方的正格子基矢(固体物理学原胞基矢):123()2()2()2a a j k a a i k a a i j ?=+?? ?=+?? ?=+?? r r r r r r r r r 由倒格子基矢的定义:1232()b a a π= ?Ω r r r 31230, ,22 (), 0,224 ,,0 2 2a a a a a a a a a a Ω=??==r r r Q ,223,,, 0,()224,,0 2 2 i j k a a a a a i j k a a ?==-++r r r r r r r r 213422()()4a b i j k i j k a a ππ∴=??-++=-++r r r r r r r 同理可得:232() 2() b i j k a b i j k a ππ=-+=+-r r r r r r r r 即面心立方的倒格子基矢与体心立方的正格基矢相同。 所以,面心立方的倒格子是体心立方。 (2)体心立方的正格子基矢(固体物理学原胞基矢):123()2()2()2a a i j k a a i j k a a i j k ?=-++?? ?=-+?? ?=+-??r r r r r r r r r r r r 由倒格子基矢的定义:1232()b a a π=?Ω r r r 3123,, 222 (),,2222 ,,222 a a a a a a a a a a a a a -Ω=??=-= - r r r Q ,223,,,,()2222,,222i j k a a a a a a j k a a a ?=-=+-r r r r r r r 213222()()2a b j k j k a a ππ∴=??+=+r r r r r

固体物理学整理要点

固体物理复习要点 第一章 1、晶体有哪些宏观特性? 答:自限性、晶面角守恒、解理性、晶体的各向异性、晶体的均匀性、晶体的对称性、固定的熔点 这是由构成晶体的原子和晶体内部结构的周期性决定的。说明晶体宏观特性是微观特性的反映 2、什么是空间点阵? 答:晶体可以看成由相同的格点在三维空间作周期性无限分布所构成的系统,这些格点的总和称为点阵。 3、什么是简单晶格和复式晶格? 答:简单晶格:如果晶体由完全相同的一种原子组成,且每个原子周围的情况完全相同,则这种原子所组成的网格称为简单晶格。 复式晶格:如果晶体的基元由两个或两个以上原子组成,相应原子分别构成和格点相同的网格,称为子晶格,它们相对位移而形成复式晶格。 4、试述固体物理学原胞和结晶学原胞的相似点和区别。 答:(1)固体物理学原胞(简称原胞) 构造:取一格点为顶点,由此点向近邻的三个格点作三个不共面的矢量,以此三个矢量为边作平行六面体即为固体物理学原胞。 特点:格点只在平行六面体的顶角上,面上和内部均无格点,平均每个固体物理学原胞包含1个格点。它反映了晶体结构的周期性。 (2)结晶学原胞(简称晶胞) 构造:使三个基矢的方向尽可能地沿着空间对称轴的方向,它具有明显的对称性和周期性。 特点:结晶学原胞不仅在平行六面体顶角上有格点,面上及内部亦可有格点。其体积是固体物理学原胞体积的整数倍。 5、晶体包含7大晶系,14种布拉维格子,32个点群?试写出7大晶系名称;并写出立方晶系包含哪几种布拉维格子。 答:七大晶系:三斜、单斜、正交、正方、六方、菱方、立方晶系。 6.在晶体的宏观对称性中有哪几种独立的对称元素?写出这些独立元素。 答: 7.密堆积结构包含哪两种?各有什么特点? 答:(1)六角密积 第一层:每个球与6个球相切,有6个空隙,如编号1,2,3,4,5,6。 第二层:占据1,3,5空位中心。 第三层:在第一层球的正上方形成ABABAB······排列方式。 六角密积是复式格,其布拉维晶格是简单六角晶格。 基元由两个原子组成,一个位于(000),另一个原子位于 c b a r 213132:++=即 (2)立方密积 第一层:每个球与6个球相切,有6个空隙,如编号为1,2,3,4,5,6。 第二层:占据1,3,5空位中心。 第三层:占据2,4,6空位中心,按ABCABCABC······方式排列,形成面心立方结构,称为立方密积。 8.试举例说明哪些晶体具有简单立方、面心立方、体心立方、六角密积结构。并写出这几种结构固体物理学原胞基矢。 答:CsCl 、ABO3 ; NaCl ; ; 纤维锌矿ZnS 9.会从正格基矢推出倒格基矢,并知道倒格子与正格子之间有什么区别和联系? 11.会求晶格的致密度。 14.X 射线衍射的几种基本方法是什么?各有什么特点? 答:劳厄法:(1)单晶体不动,入射光方向不变;(2)X 射线连续谱,波长在 间变化,反射球半径 转动单晶法:(1)X 射线是单色的;(2)晶体转动。 粉末法 :(1)X 射线单色(λ固定);(2)样品为取向各异的单晶粉末。 第二章 1、什么是晶体的结合能,按照晶体的结合力的不同,晶体有哪些结合类型及其结合力是什么力? 答:晶体的结合能就是将自由的原子(离子或分子)结合成晶体时所释放的能量。 结合类型:离子晶体—离子键 分子晶体—范德瓦尔斯力 共价晶体—共价键 金属晶体—金属键 氢键晶体—氢键 max min ~λλ

固体物理基础解答吴代鸣

固体物理基础解答吴代鸣

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1.试证理想六方密堆结构中c/a =1.633. 证明: 如图所示,六方密堆结构的两个晶格常数为a 和c 。右边为底面的俯视图。而三个正三角形构成的立体结构,其高度为 2.若晶胞基矢c b a ,,互相垂直,试求晶面族(hkl )的面间距。 解: c b a ,,互相垂直,可令k c c j b b i a a ===,, 晶胞体积abc c b a v =??=)( 倒格子基矢: k c j b i a abc b a v b j b i a k c abc a c v b i a k c j b ab c c b v b πππππππππ2)(2)(22)(2)(22)(2)(2321=?=?==?=?==?=?= 而与 (h kl )晶面族垂直的倒格矢 2 22321)()()(2) (2c l b k a h G k c l j b k i a h b l b k b h G ++=∴++=++=ππ 故(hkl ) 晶面族的面间距 2222 22)()()(1)()()(222c l b k a h c l b k a h G d ++= ++= =ππ π

3.若在体心立方晶胞的每个面中心处加一个同类原子,试说明这种晶体的原胞应如何选择?每个原胞含有几个原子? 答: 通过分析我们知道,原胞可选为简单立方,每个原胞中含有5个原子。 体心,八个顶点中取一个,对面面心各取一个原子(即三个)作为基元。布拉菲晶格是简单立方格子。 4.试求面心立方结构的(111)和(110)面的原子面密度。 解: (111)面 平均每个(111)面有22 1 3613=?+?个原子。 (111)面面积 ()222232 322)2 2( )2(22 1 a a a a a a =?= -? 所以原子面密度2 2)111(34 2 32a a = = σ (110)面 平均每个(110)面有22 1 2414=?+? 个原子。 (110)面面积2 22a a a =? 所以(110)面原子面密度22 )110(2 22a a ==σ 5.设二维矩形格子的基矢为j a a i a a 2,21==,试画出第一、二、三、布里渊区。 解: 倒格子基矢: j b j a j a j ax x a a a a v b k x a i a x i a x a a a a v b 113233212 12212222)(2) (2222)(2===??=?===??=?=πππππππ 所以倒格子也是二维矩形格子。2b 方向短一半。 最近邻;,22b b - 次近邻;2,2,,2211b b b b -- 再次近邻;,,,12122121b b b b b b b b ---+- 再再次近邻;3,322b b - 做所有这些点与原点间连线的垂直平分线,围成布里渊区。再按各布里渊区的判断原则进行判断,得: 第一布里渊区是一个扁长方形; 第二布里渊区是2块梯形和2块三角形组成; 第三布里渊区是2对对角三角和4个小三角以及2个等腰梯形组成。

2013固体物理复习题及答案要点

固体物理卷(A ) 第一部分:名词解释(每小题5分,共40分) 1.原胞:在完整晶体中,晶格在空间的三个方向上都具有一定的周期对称性,这样可以取一个以结点为顶点,边长等于这三个方向上的周期的平行六面体作为最小的重复单元,来概括晶格的特征,这样的重复单元称为初基原胞或简称原胞。 2.晶面指数:一个晶面得取向可以由这个晶面上的任意三个不共线的点确定,如果这三个点处在不同的晶轴上,则通过有晶格常量321,,a a a 表示这些点的坐标就能标定它们所决定的晶面,它们具有相同比率的最小整数称为晶面指数 3.布拉格定律:假设入射波从晶体中的平行原子平面作镜面反射,每个平面反射很少一部分辐射,就像一个轻微镀银的镜子一样。在这种类似镜子的镜面反射中,其反射角等于入射角。当来自平行原子平面的反射发生相长干涉时,就得出衍射束。考虑间距为d 的平行晶面,入射辐射线位于纸面平面内。相邻平行晶面反射的射线行程差是2dsinx ,式中从镜面开始量度。当行程差是波长的整数倍时,来自相继平面的辐射就发生了相长干涉。 这就是布拉格定律。布拉格定律用公式表达为:2dsinx=n*λ(d 为平行原子平面的间距,λ为入射波波长,x 为入射光与晶面之夹角) ,布拉格定律的成立条件是波长小于等于2d 。 布拉格定律是晶格周期性的直接结果。 4.简述三维空间的晶系种类及其所包括的晶格类型 三斜1, 单斜2, 正交 4, 四角 2, 立方3, 三角1, 六角1。 5.布里渊区:在固体物理学中,第一布里渊区是动量空间中晶体倒易点阵的原胞。固体的能带理论中,各种电子态按照它们波矢的分类。在波矢空间中取某一倒易阵点为原点,作所有倒易点阵矢量的垂直平分面,这些面波矢空间划分为一系列的区域:其中最靠近原点的一组面所围的闭合区

(完整word版)固体物理总复习资料及答案...doc

固体物理总复习题 一、填空题 1.原胞是的晶格重复单元。对于布拉伐格子,原胞只包含个原子。 2.在三维晶格中,对一定的波矢q ,有支声学波,支光学波。3.电子在三维周期性晶格中波函数方程的解具有形式,式中在晶格平移下保持不变。 4.如果一些能量区域中,波动方程不存在具有布洛赫函数形式的解,这些能 量区域称为;能带的表示有、、三种图式。 5.按结构划分,晶体可分为大晶系,共布喇菲格子。 6.由完全相同的一种原子构成的格子,格子中只有一个原子,称为 格子,由若干个布喇菲格子相套而成的格子,叫做格子。其原胞中有以上的原子。 7.电子占据了一个能带中的所有的状态,称该能带为;没有任何电子占据的能带,称为;导带以下的第一满带,或者最上面的一个满带称为;最 下面的一个空带称为;两个能带之间,不允许存在的能级宽度,称为。 8.基本对称操作包 括,,三种操作。 9. 包含一个 n 重转轴和 n 个垂直的二重轴的点群叫。 10.在晶体中,各原子都围绕其平衡位置做简谐振动,具有相同的位相和频率, 是一种最简单的振动称为。 11.具有晶格周期性势场中的电子,其波动方程 为。 12. 在自由电子近似的模型中,随位置变化小,当 作来处理。 13.晶体中的电子基本上围绕原子核运动,主要受到该原子场的作用,其他原子 场的作用可当作处理。这是晶体中描述电子状态 的

模型。 14. 固体可分 为 , , 。 15. 典型的晶格结构具有简立方结 构, , , 四种结构。 16. 在自由电子模型中,由于周期势场的微扰,能量函数将在 K= 处 断开,能量的突变为 。 17. 在紧束缚近似中,由于微扰的作用,可以用原子轨道的线性组合来描述电 子共有化运动的轨道称为 ,表达式 为 。 18.爱因斯坦模型建立的基础是认为所有的格波都以相同的 振动, 忽略了频率间的差别,没有考虑 的色散关系。 19.固体物理学原胞原子都在 ,而结晶学原胞原子可以在顶点也可以 在 即存在于 。 20.晶体的五种典型的结合形式是 、 、 、 、 。 21.两种不同金属接触后,费米能级高的带 电,对导电有贡献的是 的电子。 22.固体能带论的三个基本假设是: 、 、 。 23.费米能量与 和 因素有关。 二、名词解释 1.声子; 2.;布拉伐格子; 3. 布里渊散射; 4. 能带理论的基本假设 . 5.费米能; 9.晶体; 10. 6. 晶体的晶面; 7. 布里渊散射; 11. 喇曼散射; 晶格; 12. 8. 近自由电子近似。 喇曼散射; 三、简述题 1.试说明在范德瓦尔斯结合、金属性结合、离子性结合和共价结合中,哪一种或哪几种结合最可能形成绝缘体、导体和半导体。 2 .什么是声子?声子与光子有什么相似之处和不同之处?

固体物理基础答案解析吴代鸣

1.试证理想六方密堆结构中c/a=1.633. 证明: 如图所示,六方密堆结构的两个晶格常数为a 和c 。右边为底面的俯视图。而三个正三角形构成的立体结构,其高度为 2.若晶胞基矢c b a ,,互相垂直,试求晶面族(hkl )的面间距。 解: c b a ,,互相垂直,可令k c c j b b i a a ,, 晶胞体积abc c b a v )( 倒格子基矢: k c j b i a abc b a v b j b i a k c abc a c v b i a k c j b ab c c b v b 2)(2)(22)(2)(22)(2)(2321 而与 (hkl )晶面族垂直的倒格矢 2 22321)()()(2) (2c l b k a h G k c l j b k i a h b l b k b h G 故(hkl ) 晶面族的面间距 2222 22)()()(1)()()(222c l b k a h c l b k a h G d 3.若在体心立方晶胞的每个面中心处加一个同类原子,试说明这种晶体的原胞应如何选择?每个原胞含有几个原子? 答: 通过分析我们知道,原胞可选为简单立方,每个原胞中含有5个原子。 体心,八个顶点中取一个,对面面心各取一个原子(即三个)作为基元。布拉菲晶格是简单立

方格子。 4.试求面心立方结构的(111)和(110)面的原子面密度。 解: (111)面 平均每个(111)面有22 1 3613 个原子。 (111)面面积 222232 322)2 2( )2(22 1 a a a a a a 所以原子面密度2 2)111(34 2 32a a (110)面 平均每个(110)面有22 1 2414 个原子。 (110)面面积2 22a a a 所以(110)面原子面密度22 )110(2 22a a 5.设二维矩形格子的基矢为j a a i a a 2,21 ,试画出第一、二、三、布里渊区。 解: 倒格子基矢: j b j a j a j ax x a a a a v b k x a i a x i a x a a a a v b 113233212 12212222)(2) (2222)(2 所以倒格子也是二维矩形格子。2b 方向短一半。 最近邻;,22b b 次近邻;2,2,,2211b b b b 再次近邻;,,,12122121b b b b b b b b 再再次近邻;3,322b b 做所有这些点与原点间连线的垂直平分线,围成布里渊区。再按各布里渊区的判断原则进行判断,得: 第一布里渊区是一个扁长方形; 第二布里渊区是2块梯形和2块三角形组成; 第三布里渊区是2对对角三角和4个小三角以及2个等腰梯形组成。 6.六方密堆结构的原胞基矢为:

固体物理期末考试试卷

固体物理学期末考试卷 一. 填空题(共30分,每题3分) 1.固体结合的四种基本形式为:、、 、。 2.共价结合有两个基本特征是: 和。 3.结合能是 指: 。 4.晶体中的表示原子的平衡位置,晶格振动是 指在格点附近的振动。 5.作简谐振动的格波的能量量子称为,若电子从晶格获得 q能量,称为,若电子给晶格 q能量,称为。 6. Bloch定理的适用范围(三个近似)是指:、 、。 7.图1为固体的能带结构示意图,请指出图(a)为, 图(b)为,图(c)为。 图1 8.晶体缺陷按范围分类可分为、、 。 9.点缺陷对材料性能的影响主要为:、 、、

。 10. 扩散是物质内部由于热运动而导致原子或分子迁移的过程,扩散从微观上讲,实际上是。 二.简答题(共10分,每题5分) 1.在研究晶格振动问题中,爱因斯坦模型和德拜模型的物理思想是什么? 2.在能带理论中,近自由电子近似模型和紧束缚近似模型的物理思想是什么? 三.计算题(共60分,每题10分) 1. 证明: 体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体心立方。 2.证明:倒格子矢量垂直于密勒指数为的晶面系。 3.证明两种一价离子(如NaCl)组成的一维晶格的马德隆常数为: α= 2ln2 4. 设三维晶格的光学振动在q=0附近的长波极限有 求证:频率分布函数为 5.设晶体中每个振子的零点振动能为,试用德拜模型求晶体的零点振动能。 6. 电子周期场的势能函数为

其中a=4b,ω为常数 (1) 试画出此势能曲线,并求其平均值。 (2) 用近自由电子近似模型求出晶体的第一个及第二个带隙宽度。

固体物理13年复习题考试重点1

固体复习 题型: 一.简答题(共30分,每小题6分)5道小题 二.证明题(共25分)两道小题 三.计算题(共45分)分布在第四章2道,第二章、第三章各一道。 一.简答题 1简述晶体的定义,说明晶体的5条宏观性质。 晶体:原子按一定的周期排列规则的固体,在微米量级的围是有序排列的 ①一定的熔点;②晶体的规则外形;③在不同的带轴方向上,晶体的物理性质不同——晶体的各向异性;④晶面角守恒--同一品种的晶体,两个相应的晶面间夹角恒定不变;⑤晶体的解理性——晶体常具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。 2列举晶体结合的基本类型。 离子性结合、共价结合、金属性结合、德瓦尔斯结合和氢键结合。 3.说出简立方晶体、面心立方晶体和体心立方晶体的原胞和晶胞中所包含的原子数。 4.说出氯化钠、氯化铯和金刚石结构晶体它们的原胞的晶格类型,每个原胞中包含的原子数。 5.下面几种种典型的晶体由哪种布拉菲格子套构而成? 6.下面几种典型的晶体结构的配位数(最近邻原子数)是多少?

简立方 6 立方硫化锌结构 4 7. 体心立方 8画出面心立方晶格结构的金属在) (,) 110 100 (,) (面上原子排列. 111 面心立方 9试述晶态、非晶态、准晶、多晶和单晶的特征性质。 解:晶态固体材料中的原子有规律的周期性排列,或称为长程有序。非晶态固体材料中的原子不是长程有序地排列,但在几个原子的围保持着有序性,或称为短程有序。准晶态是介于晶态和非晶态之间的固体材料,其特点是原子有序排列,但不具有平移周期性。 另外,晶体又分为单晶体和多晶体:整块晶体原子排列的规律完全一致的晶体称为单晶体;而多晶体则是由许多取向不同的单晶体颗粒无规则堆积而成的。 10晶格点阵与实际晶体有何区别和联系? 解:晶体点阵是一种数学抽象,其中的格点代表基元中某个原子的位置或基元质心的位置,也可以是基元中任意一个等价的点。当晶格点阵中的格点被具体的基元代替后才形成实际的晶体结构。晶格点阵与实际晶体结构的关系可总结为: 晶格点阵+基元=实际晶体结构 11如何理解电负性可用电离能加亲和能来表征? 使原子失去一个电子所需要的能量称为原子的电离能, 电离能的大小可用来度量原子对价电子的束缚强弱.一个中性原子获得一个电子成为负离子所释放出来的能量称为电子亲和能. 放出来的能量越多, 这个负离子的能量越低, 说明中性原子与这个电子的结合越稳定. 也就是说, 亲和能的大小也可用来度量原子对电子的束缚强弱. 原子的电负性大小是原子吸引电子的能力大小的度量. 用电离能加亲和能来表征原子的电负性是符合电负性的定义的. 12原子间的排斥作用和吸引作用有何关系? 起主导作用的围是什么?

东南大学固体物理基础课后习题解答

《电子工程物理基础》课后习题参考答案 第一章 微观粒子的状态 1-一维运动的粒子处在下面状态 (0,0)() (0) x Axe x x x λλψ-?≥>=? =??==?

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