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固体物理学课后题答案

第一章 晶体结构

1.1、 如果将等体积球分别排成下列结构,设x 表示钢球所占体积与总体积之比,证明:

结构 X

简单立方

52.06

体心立方

68.08

3

≈π 面心立方

74.06

2

≈π 六角密排

74.06

2

≈π 金刚石

34.06

3≈π

解:实验表明,很多元素的原子或离子都具有或接近于球形对称结构。因此,可以把这些原子或离子构成的晶体看作是很多刚性球紧密堆积而成。这样,一个单原子的晶体原胞就可以看作是相同的小球按点阵排列堆积起来的。它的空间利用率就是这个晶体原胞所包含的点的数目n 和小球体积V 所得到的小球总体积nV 与晶体原胞体积Vc 之比,即:晶体原胞的空间利用率, Vc

nV

x = (1)对于简立方结构:(见教材P2图1-1) a=2r , V=

3

r 3

4π,Vc=a 3,n=1 ∴52.06834343

333====πππr

r

a r x (2)对于体心立方:晶胞的体对角线BG=x 3

3

4a r 4a 3=?= n=2, Vc=a 3

∴68.083)3

34(3423423

3

33≈=?=?=

πππr r a r x (3)对于面心立方:晶胞面对角线BC=r 22a ,r 4a 2=?= n=4,Vc=a 3

74.062)

22(3443443

3

33≈=?=?=πππr r a r x (4)对于六角密排:a=2r 晶胞面积:S=62

60sin a a 6S ABO ??

=??=2

a 233

晶胞的体积:V=332r 224a 23a 3

8

a 233C S ==?=

? n=1232

1

26112+?+?

=6个 74.062)

22(3443443

3

33≈=?=?=πππr r a r x (5)对于金刚石结构,晶胞的体对角线BG=3

r 8a r 24a 3=

??= n=8, Vc=a 3

34.0633

3834

83483

33

33≈=?=?=πππr r a r x 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 ?=+??

?

=+??

?=+??

由倒格子基矢的定义:1232()b a a π

=

3

1230,

,22

(),

0,224

,,0

2

2a a

a

a a a a a a a Ω=??==,2

23,,,

0,()224,,0

2

2

i j k

a a a a a i j k a a ?==-++ 213422()()4a

b i j k i j k a a

π

π∴=??-++=-++

同理可得:232()2()

b i j k a

b i j k a

π

π=

-+=+-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 ?=-++??

?

=-+??

?=+-??

由倒格子基矢的定义:1232()b a a π

=

3

123,,

222

(),,2222

,,222

a a a a a a a a a a a a a

-Ω=??=-=

-

,223,,,,()2222,,222i j k a a a a a a j k a a a ?=-=+- 213222()()2a b j k j k a a

π

π∴=??+=+

同理可得:232()2()

b i k a

b i j a

π

π=

+=+即体心立方的倒格子基矢与面心立方的正格基矢相同。

所以,体心立方的倒格子是面心立方。

1.5、证明倒格子矢量112233G h b h b h b =++垂直于密勒指数为123()h h h 的晶面系。

证明:

因为33121323

,a a

a a CA CB h h h h =

-=-,112233G h b h b h b =++ 利用2i j ij a b πδ?=,容易证明

12312300

h h h h h h G CA G CB ?=?=

所以,倒格子矢量112233G h b h b h b =++垂直于密勒指数为123()h h h 的晶面系。

1.6、对于简单立方晶格,证明密勒指数为(,,)h k l 的晶面系,面间距d 满足:2

2

2

2

2

()d a h k l =++,其中a 为立方边长;并说明面指数简单的晶面,其面密度较大,容易解理。

解:简单立方晶格:123a a a ⊥⊥,123,,a ai a aj a ak === 由倒格子基矢的定义:2311232a a b a a a π?=??,3121232a a b a a a π?=??,12

3123

2a a b a a a π?=??

倒格子基矢:123222,,b i b j b k a a a

πππ

=

== 倒格子矢量:123G hb kb lb =++,222G h i k j l k a a a

πππ

=++

晶面族()hkl 的面间距:2d G

π

=

2221

()()()h k l a a a

=++

2

2

222

()

a d h k l =++ 面指数越简单的晶面,其晶面的间距越大,晶面上格点的密度越大,单位表面的能量越小,这样的晶面越容易解理。

1.9、画出立方晶格(111)面、(100)面、(110)面,并指出(111)面与(100)面、(111)面与(110)面的交线的晶向。

固体物理学课后题答案

解:

(111) (111)

1、(111)面与(100)面的交线的AB ,AB 平移,A 与O 点重合,B 点位矢:B R aj ak =-+, (111)面与(100)面的交线的晶向AB aj ak =-+,晶向指数[011]。

2、(111)面与(110)面的交线的AB ,将AB 平移,A 与原点O 重合,B 点位矢:B R ai aj =-+,(111)面与(110)面的交线的晶向AB ai aj =-+,晶向指数[110]。

第二章 固体结合

2.1、两种一价离子组成的一维晶格的马德隆常数(2ln 2=α)和库仑相互作用能,设离子的总数为2N 。

<解> 设想一个由正负两种离子相间排列的无限长的离子键,取任一负离子作参考离子(这样马德隆常数中的正负号可以这样取,即遇正离子取正号,遇负离子取负号),用r 表示相邻离子间的距离,于是有

(1)1111

2[ (234)

ij r

r r r r r

α

±'

==-+-+∑ 前边的因子2是因为存在着两个相等距离i r 的离子,一个在参考离子左面,一个在其右面,故对一边求和后要乘2,马德隆常数为

2

34

(1) (34)

n x x x x x x +=-+-+ 当X=1时,有111

1 (2234)

n

-

+-+= 2.3、若一晶体的相互作用能可以表示为 ()m

n

u r r r α

β

=-+

试求:(1)平衡间距0r ;

(2)结合能W (单个原子的);

(3)体弹性模量;

(4)若取02,10,3,4m n r A W eV ====,计算α及β的值。 解:(1)求平衡间距r 0

0)

(0

==r r dr

r du ,有:

m

n n

m n m m n n m r r n r m --++??

?

??=???

? ??=?=-1

101

.0100αββαβ

α

结合能:设想把分散的原子(离子或分子)结合成为晶体,将有一定的能量释放出来,这个能量称为结合能(用w 表示)

(2)求结合能w (单个原子的)

题中标明单个原子是为了使问题简化,说明组成晶体的基本单元是单个原子,而非原子团、离子基团,或其它复杂的基元。

显然结合能就是平衡时,晶体的势能,即U min

即:n m r

r

r U W 0

0)(β

α

-

+=-= (可代入r 0值,也可不代入)

(3)体弹性模量

由体弹性模量公式:0

220

2

09r r U V r k ???? ?

???=

1112[1...]234α=-+-+22

n α∴=

(4)m = 2,n = 10,

A r 30=, w = 4eV ,求α、β

8

1

8

1

05210??

? ??=??

?

??=αβαβr ①

)5(54)(802

010

.

20

0代入α

β

αβ

α

=

-

=+

-

=r r r r

r U

eV r r U W 454)(2

00==

-=?α

② 将

A r 30=,J eV 19

10602.11-?=代入①②

2

1152

3810459.910209.7m

N m N ??=??=?--βα 详解:(1)平衡间距r 0的计算 晶体内能()()2m n N U r r r

αβ

=

-+ 平衡条件

0r r dU

dr

==,11000m n m n r r αβ

++-+=,1

0(

)n m n r m βα

-= (2)单个原子的结合能

01()2W u r =-,0

0()()m n r r u r r r αβ

==-+,1

0()n m n r m βα-= 1(1)()2m

n m m n W n m βαα

--=-

(3)体弹性模量0

202()V U

K V V

?=?? 晶体的体积3

V NAr =,A 为常数,N 为原胞数目 晶体内能()()2m n N U r r r

αβ=

-+ U U r V r V ???=???1121

()23m n N m n r r NAr αβ++=- 22112

1

[()]23m n U N r m n V V r r r NAr

αβ++???=-??? 0

2222

200000

1[]29m n m n V V U N m n m n V V r r r r αβαβ=?=-+-+? 由平衡条件

112

0001

()023m n V V U N m n V

r r NAr αβ++=?=

-=?,得0

0m n m n r r αβ=

222220001[]29m n V V U N m n V V r r αβ=?=-+? 0

222000

1[]29m n

V V U N m n m n V V r r αβ

=?=

-+?2000[]29m n N nm V r r αβ=--+ 000

()2m n N U r r αβ

=

-+ 0

202

2

()9V V U mn

U V V =?=

-? 体弹性模量009mn K U V = (4)若取02,10,3,4m n r A W eV ====

1

0()n m

n r m βα-=,1(1)()2m

n m m n W n m βαα

--=-

10

02

W r β=

,20100[2]r W r βα=+

-95101.210eV m β=??,1929.010eV m α-=??

2.7、对于2H ,从气体的测量得到Lennard —Jones 参数为6

5010, 2.96.J A εσ-=?=计算fcc 结构的2H 的结合能[以KJ/mol 单位),每个氢分子可当做球形来处理.结合能的实验值为0.751kJ /mo1,试与计

算值比较.

<解> 以2H 为基团,组成fcc 结构的晶体,如略去动能,分子间按Lennard —Jones 势相互作用,则晶体的总相互作用能为:

126

1262.ij ij i j U N P P R R σσε--??????''=-?? ? ?????????

∑∑

61214.45392;

12.13188,ij

ij j

i

P P --''==∑

∑16235010, 2.96, 6.02210/.

erg A N mol εσ-=?==?()()12628

16

2.96 2.962602210/5010

12.1314.45 2.55/.

3.16 3.16U U mol erg KJ mol -??

????=?????-≈-?? ? ????????

?0将R 代入得到平衡时的晶体总能量为。因此,计算得到的2H 晶体的结合能为2.55KJ /mol ,远大于实验观察值0.75lKJ /mo1.对于2H 的晶体,量子修正是很重要的,我们计算中没有考虑零点能的量子修正,这正是造成理论和实验值之间巨大

差别的原因.

第三章 固格振动与晶体的热学性质

3.2、讨论N 个原胞的一维双原子链(相邻原子间距为a ),其2N 个格波解,当M = m 时与一维单原子链的结果一一对应。

解:质量为M 的原子位于2n-1, 2n+1, 2n+3 ……;质量为m 的原子位于2n , 2n+2, 2n+4 ……。

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牛顿运动方程

2221212121222(2)(2)

n n n n n n n n m M μβμμμμβμμμ+-+++=---=---

N 个原胞,有2N 个独立的方程

设方程的解

[(2)]2[(21)]

21i t na q n i t n aq n Ae Be

ωωμμ--++==,代回方程中得到

2

2

(2)(2cos )0

(2cos )(2)0

m A aq B aq A M B βωβββω?--=??-+-=?? A 、B 有非零解,22

22cos 02cos 2m aq

aq M βωβββω

--=--,则 1

2

2

22

()4{1[1sin ]}()m M mM aq mM m M ωβ+=±-+ 两种不同的格波的色散关系

12

2

22

1

222

2

()4{1[1sin ]}()()4{1[1sin ]}()

m M mM aq mM m M m M mM

aq mM m M ωβωβ

+-+=+-++=--+

一个q 对应有两支格波:一支声学波和一支光学波.总的格波数目为2N.

固体物理学课后题答案

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当M m =

22

aq aq ωω+-=

=

固体物理学课后题答案

两种色散关系如图所示: 长波极限情况下0q →,sin(

)22

qa qa

q ω-=与一维单原子晶格格波的色散关系一致.

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3.3、考虑一双子链的晶格振动,链上最近邻原子间的力常数交错地为β和10β,令两种原子质量相等,且最近邻原子间距为2a 。试求在0,q q a π==处的()q ω,并粗略画出色散关系曲线。此问题模拟如

2H 这样的双原子分子晶体。

答:(1)

浅色标记的原子位于2n-1, 2n+1, 2n+3 ……;深色标记原子位于2n , 2n+2, 2n+4 ……。 第2n 个原子和第2n +1个原子的运动方程:

212222112121122112222()()n n n n n n n n

m m μββμβμβμμββμβμβμ+-+++=-+++=-+++

体系N 个原胞,有2N 个独立的方程

方程的解:

1

[(2)]

221

[(21)]

2

21i t n aq n i t n aq n Ae

Be

ωωμμ--++==,令22

1122/,/m m ωβωβ==,将解代入上述方程得:

11222

222

2

1

2

1

2

112222

2221

2

12()()0

()()0

i aq i aq i aq i aq A e e

B e

e

A B ωωωωωωωωωω--+--+=+-+-=

A 、

B 有非零的解,系数行列式满足:

11222

222

2

12

1

2

112222

2221

2

12(),()

0(),()i aq i aq i aq i aq e

e

e

e

ωωωωωωωωωω--+--+=+-+-

11112

222

222222221212

1

2

()()()0i aq i aq i aq i aq e e e e ωωωωωωω--+--++= 11112222

22222

2

2

2

1

2

1

2

1

2

()()()0i aq i aq i aq i aq e

e

e

e

ωωωωωωω--+--++=

因为1ββ=、210ββ=,令22

22

0120

10,10c c m m

ωωωω====得到 2224

00(11)(10120cos )0aq ωωω--+=

两种色散关系:22

0(1120cos 101)qa ωω=±+

当0q =时,2

2

(11121)ωω=±,

0220

ωωω+-==

当q a

π

=

时,2

20

(1181)ωω=±,

00

202ωωωω+-==

(2)色散关系图:

3.6.求出一维单原子链的频率分布函数()w ρ。

3.7、设三维晶格的光学振动在q=0附近的长波极限有2

0()q Aq ωω=-

求证:()1/2

0023/2

1(),4V f A

ωωωωωπ=

-<;0()0,f ωωω=>. <解>()

112

2

2

2

00000()0,0Aq f Aq q A ωωωωωωωωωω>-=>=

依据()3

()2,()()

2q q V

ds

q Aq f q ωωωπ?=-=

??

,并带入上边结果有

()()()()()()

()1/21/2

00331/2223/2

01142()222q V

ds V A V f A A q ωπωωωωωππωωπ=?=?-=?-?- 3.10、设晶体中每个振子的零点振动能为

1

2

ω,使用德拜模型求晶体的零点振动能。 证明:根据量子力学零点能是谐振子所固有的,与温度无关,故T=0K 时振动能0E 就是各振动模零点能之和。()()()0000

1

2

m

E E g d E ωωωωωω=

=

?

将和()22332s V g v ωωπ=代入积分有

4

02339168m m s V E N v ωωπ=

=,由于0

98

m B D B D k E Nk ωθθ==得 一股晶体德拜温度为~2

10K ,可见零点振动能是相当大的,其量值可与温升数百度所需热能相比拟. 3.11、一维复式格子2415 1.6710,

4, 1.510/M

m g N m m

β-=??==?4( 1.5110/),dyn cm ?即求(1)

,光

学波00max min ,ωω,声学波max A

ω。 (2)相应声子能量是多少电子伏。 (3)在300k 时的平均声子数。

(4)与0

max ω相对应的电磁波波长在什么波段。 <解>(1)

,131m

a x 3.0010,A

s ω

-

===?

固体物理学课后题答案

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131

max

6.7010o

s ω

-===?

固体物理学课后题答案

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131m a x

5.9910A

s ω

固体物理学课后题答案

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-===? (2)161312max 16

1312max 161312min 6.5810 5.9910 1.97106.5810

6.7010 4.41106.5810 3.0010 3.9510A o

o s eV s eV s eV

ωωω---------=???=?=???=?=???=?

(3)max max max max //110.873,0.2211

1

A

O

B B A O

k T

k T

n n e

e

ωω=

==

=--

min min /10.2761

O

B O

k T

n e

ω=

=-

(4)228.1c

m πλμω

=

=

第四章 能带理论

4.2、写出一维近自由电子近似,第n 个能带(n=1,2,3)中,简约波数2k a

π

=

的0级波函数。

<解>2221()*24

()i mx i x i mx i m x ikx ikx a a a a k

x e e ππππψ

固体物理学课后题答案

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+===?= 第一能带:*

20,0,()2i x a

k

m m x a π

π

ψ?===

固体物理学课后题答案

第二能带:23*222,,1,(

)x i x a

a k

固体物理学课后题答案

b b b b m m x a a πππππψ''=→?=-=-∴=i i 2a 则即(e =e ) 第三能带:25*2222,,1,()i x i x i x a a a k

c c m m x e a a πππ

固体物理学课后题答案

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ππψ'→?===?=即 4.3、电子在周期场中的势能.

222

1(),2

m b x n a ω??--?? n a b x n a b -≤≤+当 ()V x = 0 , x n a b

≤≤-当(n-1)a+b 其中d =4b ,ω是常数.试画出此势能曲线,求其平均值及此晶体的第一个和第二个禁带度.

<解>(I)题设势能曲线如下图所示.

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(2)势能的平均值:由图可见,()V x 是个以a 为周期的周期函数,所以

111()()()()a a b

L b b V x V x V x dx V x dx L a a

--=

==??? 题设4a b =,故积分上限应为3a b b -=,但由于在[],3b b 区间内()0V x =,故只需在[],b b -区间内积分.这时,0n =,于是

2222

2

32

111()()223

6

b b b b b

b

b b m m V V x dx b x dx b x x m b a a a

ωωω----??==-=-=???

?

??。 (3),势能在[-2b,2b]区间是个偶函数,可以展开成傅立叶级数

200021()cos ,()cos ()cos 2222b b m m m m m m V x V V x V V x xdx V x xdx

b b b b b

πππ

=-∞

'=+

==∑

??

112

2210

2,1()cos

2b

g g m x

E V m E b x dx b

b

ωπ===

-?

第一个禁带宽度以代入上式,

利用积分公式()2

232

cos sin 2cos sin u u mudu mu mu mu mu m m

=

+-?????

得 2

23

16m b ωπ

=

1g E 第二个禁带宽度222,2g E V m ==以代入上式,代入上式

22

2

2

()cos

b

g m x

E b x dx b

b

ωπ=

-?

再次利用积分公式有2

22

2m b ωπ

=

2g E

4.4、用紧束缚近似模型求出面心立方晶格和体心立方晶格s 态原子能级相对应的能带()s

E k 函数。 解:我们求解面心立方,同学们做体立方。

(1)如只计及最近邻的相互作用,按照紧束缚近似的结果,晶体中S 态电子的能量可表示成:

()0()()s ik R s s s Rs E k J J R e ε-?==--

近邻

在面心立方中,有12个最近邻,若取0m R =,则这12个最近邻的坐标是: ①

(1,1,0),(1,1,0),(1,1,0),(1,1,0)2222a a a a

(0,1,1),(0,1,1),(0,1,1),(0,1,1)2222a a a a

(1,0,1)(1,0,1),(1,0,1),(1,0,1)2222

a a a a

由于S 态波函数是球对称的,在各个方向重叠积分相同,因此()S J R 有相同的值,简单表示为J 1=()S J R 。又由于s 态波函数为偶宇称,即()()s s r r ??-=

∴在近邻重叠积分*

()()()()()s i s s i J R R U V R d ?ξξ?ξξ??-=--???

中,波函数的贡献为正 ∴J 1>0。

于是,把近邻格矢S R 代入()s

S E R 表达式得到:

01

()s ik R s S Rs E k J J e ε-?==--∑

近邻

=()()()()222201x y x y x y x y a

a a a

i k k i k k i k k i k k S J J e e e e ε-+----+---?--+++??

()()()()2

2

2

2

y z y z y z y z a

a

a

a

i k k i k k i k k i k k e

e

e

e

-+----+---+++++()()()()2

2

2

2

x z x z x z x z a

a

a

a

i k k i k k i k k i k k e

e

e

e

-+----+---?+++??

=012cos ()cos ()cos ()cos ()2222

S x y x y y z y z a

a a a J J k k k k k k k k ε??

?

??

--++-+++-???????

?

?

?

cos ()cos()2z x z x a k k k k ???+++-??????

cos()cos()2cos cos αβαβαβ↓++-=

=014cos

cos cos cos cos cos 222222s x y y z z x a a a a a a J J k k k k k k ε??--++????

(2)对于体心立方:有8个最近邻,这8个最近邻的坐标是:

(1,1,1),(1,1,1),(1,1,1),(1,1,1)2222a a a a

(1,1,1),(1,1,1,),

(1,1,1),(1,1,1)

2222

a a a

a

01()8(cos cos cos )222

s s x y z a a a E k J J k k k ε=--

4.7、有一一维单原子链,间距为a ,总长度为N a 。求(1)用紧束缚近似求出原子s 态能级对应的能带E(k)函数。(2)求出其能态密度函数的表达式。(3)如果每个原子s 态只有一个电子,求等于T=0K 的费米能级0

F E 及0

F E 处的能态密度。 <解>(1)010101()()2cos 2cos ika

ika s s E k J J e

e J J ka E J ka εε-=--+=--=-

0()()s ik R s E k E J J p e -???=--????

∑ (2) ,1121()2222sin sin L dk Na N

N E dE J a ka J ka

πππ=?

?=?= (3), 0

00

22()22222F

k F F F Nak Na N k dk k k a

πρππ=

?=??=∴=?

00

11

1()2cos

,()2sin

2F F s F N

N

E E k E J a E N E a

J J a

a

π

π

ππ==-?==

=? 4.12、正方晶格.设有二维正方晶格,晶体势为()22,4cos cos .x y U x y U a a ππ????

=-

? ?????

用基本方程,近似求出布里渊区角,a a ππ??

???

处的能隙.

<解>以??,i j 表示位置矢量的单位矢量,以12??,b b 表示倒易矢量的单位矢量,则有,

()

11221122122??????,,,r xi yi G G b G b g b g b g g a

π=+=+=+为整数。

晶体势能()22,4cos cos .x y U x y U a a ππ????

=-

? ?????

()()()

()

2222111111i x i x i y i y iG G G U r U e e e e U e

ππππσσσσ--????=-++ ???????∑()()()111020 0

G G G U U U U =-===其中,而其他势能傅氏系数。这样基本方程

()()()0k G G

C K U G K G λε-+-=∑变为

()()()()()()()()()()()()()()11111111111111110K G G G G C K U C K G U C K G U C K G U C K G λε-+-+-+-+-=求布里

渊区角顶,a a ππ??

???

,即()111(,)11222k G G ==处的能隙,可利用双项平面波近似

()()()iKr i K G r C K e C K G e -ψ=+-来处理。

当()()1111,1122

K G K G ==-时依次有

()()()()11

1111,111122

K G G K G G -=-

-=+而其他的()11K G -,

()()

1111K G G ->,所以在双项平面波近似下上式中只有()()()()()()()

()1111,1111;

221111,1111;22C G C K G C G C G C K G C G ????

-=- ? ?????????-=+ ? ?????

()()()()()()1112111211111102

21111110

2

2G G C G UC G C G UC G λελε-??????

---= ? ? ?????????????---+= ? ? ???????

()

1

112

G λε- u -

u - ()1

112

G λ

ε-- =0,因为

()

()()2

2

2

2

1

1

211112

2

11122G G G m ma πλλ

λ-??

====????

2

2

2

2

2

()0,

U U U ma πλεελ--=±=

±由行列式有解得=2.u ππ

εεε-?-=+所以在(,-)处的能隙为=a a

第五章 晶体中电子在电场和磁场中的运动

5.1、设有一维晶体的电子能带可写成 2

2

71()(cos cos 2)88

E k ka ka ma =-+, 其中a 为晶格常数,m 是电子的质量。

试求(1)能带宽度;

(2)电子在波矢k 状态的速度; (3)带顶和带底的电子有效质量。

解:(1) 2

2

71

()(cos cos 2)88

E k ka ka ma =

-+ =2

2ma

[78-cosk a +18(2cos 2

ka -1)] =

2

2

4ma [(cos ka -2)2-1]

当ka =(2n+1)π时,n=0,±1,±2…

2

max 2

2()E k ma =

当ka =2n π时, min ()0E k = 能带宽度=2max min 22E E ma

-=

(2)1()1

(sin sin 2)4

dE k ka ka dk ma υ=

=- (3) 222*

11

(cos cos 2)2E k m m ka ka -????==-??????

当0k =时,带底,*2m m = 当k a π

=±时,带顶,*2

3

m m =-

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