下载文档原格式
《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1-1一维运动的粒子处在下面状态(0,0)()0(0)xAxe x x x λλψ-⎧≥>=⎨<⎩①将此项函数归一化；②求粒子坐标的概率分布函数；③在何处找到粒子的概率最大? 解：（1）由归一化条件，可知22201xAx edx λ∞-=⎰，解得归一化常数322A λ=。
所以归一化波函数为：322(0,0)()0(0)xxex x x λλλψ-⎧⎪≥>=⎨⎪<⎩（2）粒子坐标的概率分布函数为：32224(0,0)()()0(0)xx e x w x x x λλλψ-⎧≥>==⎨<⎩（3）令()0dw x dx =得10x x λ==或，根据题意，在x=0处，()w x =0，所以在1x λ=处找到粒子的概率最大。
1-2若在一维无限深势阱中运动的粒子的量子数为n 。
①距势阱的左壁1/4宽度内发现粒子概率是多少? ②n 取何值时，在此范围内找到粒子的概率最大?③当n→∞时，这个概率的极限是多少?这个结果说明了什么问题?解：（1）假设一维无限深势阱的势函数为U （x ），0x a ≤≤，那么在距势阱的左壁1/4宽度内发现粒子概率为：22440211()()(sin )sin422a a n n P x x dx x dx a a n ππψπ===-⎰⎰。
（2）当n=3时，在此范围内找到粒子的概率最大，且max 11()+46P x π=。
（3）当n→∞时，1()4P x =。
此时，概率分布均匀，接近于宏观情况。
1-3一个势能为221()2V x m x ω=的线性谐振子处在下面状态2212()()x m x Aeαωψα-=求：①归一化常数A ；②在何处发现振子的概率最大；③势能平均值2212U m x ω=。
解：（1）由归一化条件，可知2221x A e dx α+∞--∞=⎰，得到归一化常数4A απ=。
第一章晶体结构1.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，但在几个原子的范围内保持着有序性，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：整块晶体内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。
2.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3.晶体结构可分为Bravais格子和复式格子吗？解：晶体结构可以分为Bravais格子和复式格子，当基元只含一个原子时，每个原子的周围情况完全相同，格点就代表该原子，这种晶体结构就称为简单格子或Bravais格子；当基元包含2个或2个以上的原子时，各基元中相应的原子组成与格点相同的网格，这些格子相互错开一定距离套构在一起，这类晶体结构叫做复式格子。
4.图1.34所示的点阵是布喇菲点阵（格子）吗？为什么？如果是，指明它属于那类布喇菲格子？如果不是，请说明这种复式格子的布喇菲格子属哪类？（a）（b）（c）（d）图1.34（a）“面心＋体心”立方；（b）“边心”立方；（c）“边心＋体心”立方；（d）面心四方解：（a）“面心＋体心”立方不是布喇菲格子。
从“面心＋体心”立方体的任一顶角上的格点看，与它最邻近的有12个格点；从面心任一点看来，与它最邻近的也是12个格点；但是从体心那点来看，与它最邻近的有6个格点，所以顶角、面心的格点与体心的格点所处的几何环境不同，即不满足所有格点完全等价的条件，因此不是布喇菲格子，而是复式格子，此复式格子属于简立方布喇菲格子。
第一章习题1.画出下列晶体的惯用原胞和布拉菲格子，指明各晶体的结构以及惯用原胞、初基原胞中的原子个数和配位数。
(1)氯化钾；（2）氯化钛；（3）硅；（4）砷化镓；（5）碳化硅（6）钽酸锂；（7）铍；（8）钼；（9）铂。
解：名称分子式结构惯用元胞布拉菲格子初基元胞中原子数惯用元胞中原子数配位数氯化钾KCl NaCl结构fcc 2 8 6 氯化钛TiCl CsCl结构sc 2 2 8 硅Si 金刚石fcc 2 8 4 砷化镓GaAs 闪锌矿fcc 2 8 4 碳化硅SiC 闪锌矿fcc 2 8 4钽酸锂LiTaO 3钙钛矿sc552、6、12O 、Ta 、Li铍Behcp简单六角2612钼 Mo bccbcc 1 2 8铂 Pt fccfcc 1 4 122. 试证明：理想六角密堆积结构的128 1.6333c a ⎛⎫== ⎪⎝⎭。
如果实际的ca值比这个数值大得多，可以把晶体视为由原子密排平面所组成，这些面是疏松堆垛的。
证明：如右图所示，六角层内最近邻原子间距为a ，而相邻两层的最近邻原子间距为：212243⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=c a d 。
当d =a 时构成理想密堆积结构，此时有：212243⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=c a a ，由此解出：633.13821=⎪⎭⎫⎝⎛=a c 。
若633.1>ac时，则表示原子平面的层间距较理想结构的层间距大， 因此层间堆积不够紧密。
3. 画出立方晶系中的下列晶向和晶面：[101]、[110]、[112]、[121]、（110）、（211）、（111）、（112）。
解：4. 考虑指数为（100）和（001）的面，其晶格属于面心立方，且指数指的是立方惯用原胞。
若采用初基原胞基矢坐标系为轴，这些面的指数是多少？解：如右图所示：在立方惯用原胞中的（100）晶面，在初基原胞基矢坐标系中，在1a 、2a 、3a 三个基矢坐标上的截距为()2,,2∞，则晶面指数为（101）。
固体物理习题解答《固体物理学》习题解答( 仅供参考)参加编辑学⽣柯宏伟（第⼀章），李琴（第⼆章），王雯（第三章），陈志⼼（第四章），朱燕（第五章），肖骁（第六章），秦丽丽（第七章）指导教师黄新堂华中师范⼤学物理科学与技术学院2003级2006年6⽉第⼀章晶体结构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：123()2()2()2a a a ?=+??=+=+a j k a k i a i j 相应的晶胞基⽮都为：,,.a a a =??=??=?a ib jc k2. 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：１，１，12-，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：１，１，12-，∞。
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：6π；六⾓密集：6；⾦刚⽯：。
《固体物理学》习题解答黄昆 原着 韩汝琦改编 （陈志远解答，仅供参考）第一章 晶体结构、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， VcnVx = （1）对于简立方结构：（见教材P2图1-1） a=2r ， V=3r 34π，Vc=a 3，n=1∴52.06r8r34a r 34x 3333=π=π=π=（2）对于体心立方：晶胞的体对角线BG=x 334a r 4a 3=⇒= n=2, Vc=a 3∴68.083)r 334(r 342a r 342x 3333≈π=π⨯=π⨯= （3）对于面心立方：晶胞面对角线BC=r 22a ,r 4a 2=⇒= n=4，Vc=a 3（4）对于六角密排：a=2r 晶胞面积：S=6260sin a a 6S ABO ⨯⨯=⨯∆=2a 233 晶胞的体积：V=332r 224a 23a 38a 233C S ==⨯=⨯ n=1232126112+⨯+⨯=6个（5）对于金刚石结构，晶胞的体对角线BG=3r 8a r 24a 3=⇒⨯= n=8, Vc=a 3、试证：六方密排堆积结构中633.1)38(ac 2/1≈=证明：在六角密堆积结构中，第一层硬球A 、B 、O 的中心联线形成一个边长a=2r 的正三角形，第二层硬球N 位于球ABO 所围间隙的正上方并与这三个球相切，于是：NA=NB=NO=a=2R.即图中NABO 构成一个正四面体。
…、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 rr r r由倒格子基矢的定义：1232()b a a π=⨯Ωr r r31230,,22(),0,224,,022a a a a a a a a a a Ω=⋅⨯==r r rQ ，223,,,0,()224,,022i j ka a a a a i j k a a ⨯==-++r rr r r r r r同理可得：232()2()b i j k ab i j k aππ=-+=+-r rr 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。
固体物理第一二章习题解答第一章习题1.画出下列晶体的惯用原胞和布拉菲格子，指明各晶体的结构以及惯用原胞、初基原胞中的原子个数和配位数。
(1)氯化钾；（2）氯化钛；（3）硅；（4）砷化镓；（5）碳化硅（6）钽酸锂；（7）铍；（8）钼；（9）铂。
解：名称分子式结构惯用元胞布拉菲格子初基元胞中原子数惯用元胞中原子数配位数氯化钾KCl NaCl结构fcc 2 8 6氯化钛TiCl CsCl结构sc 2 2 8硅Si 金刚石fcc 2 8 4 砷化镓GaAs 闪锌矿fcc 2 8 4碳化硅SiC闪锌矿fcc 2 8 4钽酸锂LiTaO 3钙钛矿sc552、6、12O 、Ta 、Li铍Behcp简单六角2612钼Mo bccbcc 1 2 8铂Pt fccfcc 1 4 122. 试证明：理想六角密堆积结构的128 1.6333c a ⎛⎫== ⎪⎝⎭。
如果实际的ca值比这个数值大得多，可以把晶体视为由原子密排平面所组成，这些面是疏松堆垛的。
证明：如右图所示，六角层内最近邻原子间距为a ，而相邻两层的最近邻原子间距为：212243⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=c a d 。
当d =a 时构成理想密堆积结构，此时有：212243⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=c a a ，由此解出：633.13821=⎪⎭⎫⎝⎛=a c 。
若633.1>ac时，则表示原子平面的层间距较理想结构的层间距大， 因此层间堆积不够紧密。
3. 画出立方晶系中的下列晶向和晶面：[101]、[110]、[112]、[121]、（110）、（211）、（111）、（112）。
解：4. 考虑指数为（100）和（001）的面，其晶格属于面心立方，且指数指的是立方惯用原胞。
若采用初基原胞基矢坐标系为轴，这些面的指数是多少？ 解：如右图所示：在立方惯用原胞中的（100）晶面，在初基原胞基矢坐标系中，在1a 、2a 、3a 三个基矢坐标上的截距为()2,,2∞，则晶面指数为（101）。
同理，（001）晶面在初基原胞基矢坐标系1a 、2a 、3a 上的截距为()∞,2,2，则晶面指数为（110）。
5. 试求面心立方结构（100）、（110）、（111）晶面族的原子数面密度和面间距，并比较大小；说明垂直于上述各晶面的轴线是什么对称轴？ 解：晶面指数 原子数面密度面间距对称轴 （100）22aaC 4（110） 24.1a a 22 C 2 （111）23.2aa 33 C 36. 对于二维六角密积结构，初基原胞基矢为：132a a i j →→⎛⎫=+ ⎪⎝⎭，232a a i j →→→⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭，k c c =。
求其倒格子基矢，并判断倒格子也是六方结构。
解：由倒格基失的定义，可计算得：Ω⨯=→→→3212a a b π=a π2)31(→→+j i ， →→→→→+-=Ω⨯=j i a a a b )31(22132ππ，→→→→=Ω⨯=k c a a b ππ22213（未在图中画出）正空间二维初基原胞如图（A ）所示，倒空间初基原胞如图（B ）所示（1）由→→21b b 、组成的倒初基原胞构成倒空间点阵，具有C 6操作对称性，而C 6对称性是六角晶系的特征。
（2）由→→21a a 、构成的二维正初基原胞，与由→→21b b 、构成的倒初基原胞为相似平行四边形，故正空间为六角结构，倒空间也必为六角结构。
（3）倒空间初基原胞基矢与正格子初基原胞基矢形式相同，所以也为六方结构。
7. 用倒格矢的性质证明，立方晶系的[hkl ]晶向与（hkl ）晶面垂直。
证明：由倒格矢的性质，倒格矢→→→→++=321b l b k b h G hkl 垂直于晶面（hkl ）。
由晶向指数[hkl ]，晶向可用矢量A 表示，则：→→→++=321a l a k a h A 。
倒格子基矢的定义：Ω⨯=→→→)(2321a a b π；Ω⨯=→→→)(2132a a b π；Ω⨯=→→→)(2213a a b π 在立方晶系中，可取→→→321a a a 、、相互垂直且321a a a ==，则可得知332211b a b a b a ， ， ，且321b b b ==。
设m a b ii=（为常值，且有量纲，即不为纯数），则 A m a l a k a h m G hkl ）＝321(++=→→→，即hkl G 与A 平行;也即晶向[hkl ] 垂直于晶面（hkl ）8. 考虑晶格中的一个晶面（hkl ），证明：(a ) 倒格矢123h G hb kb lb =++垂直于这个晶面；(b ) 晶格中相邻两个平行晶面的间距为2hkl hd G π=；(c ) 对于简单立方晶格有()22222a d h k l =++。
证明：（a ）晶面（hkl ）在基矢321a a a 、 、 上的截距为la k a h a 321、 、 。
作矢量： k a h a m 211-=，l a k a m 322-=，ha l a m 133-= 显然这三个矢量互不平行，均落在（hkl ）晶面上（如右图），且()()()()022232132132121321211=⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⨯⋅+⨯⋅+⨯⋅⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=++⋅⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⋅a a a la a a k a a a h k a h ab l b k b h k a h a G m h πππ同理，有02=⋅h G m ，03=⋅h G m 所以，倒格矢()hkl G h ⊥晶面。
（b ）晶面族（hkl ）的面间距为： hh h hkl G G b b b h h a G G h a d 11=⋅=⋅=（c ）对于简单立方晶格：()212222l k h aG h ++⎪⎭⎫⎝⎛=π22222lk h a d ++= 9. 用X 光衍射对Al 作结构分析时，测得从(111)面反射的波长为1.54Å，反射角为θ=19.20，求面间距d 111。
解：由布拉格反射模型，认为入射角＝反射角，由布拉格公式：2dsin θ=λ，可得θλsin 2n d =（对主极大取n =1） )(34.22.19sin 254.10A d =⨯=10. 试证明：劳厄方程与布拉格公式是等效的。
证明：由劳厄方程：πμ2)(0=-⋅k k R l 与正倒格矢关系：πμ2=⋅h l G R 比较可知：若0k k G h -=成立，即入射波矢0k ，衍射波矢k 之差为任意倒格矢h G ，则k 方向产生衍射光，0k k G h -=式称为倒空间劳厄方程又称衍射三角形。
现由倒空间劳厄方程出发，推导Blagg 公式。
对弹性散射：0k k =。
由倒格子性质，倒格矢h G 垂直于该 晶面族。
所以，h G 的垂直平分面必与该晶面族平行。
由右图可知：θλπθsin 4sin 2==k G h (A)又若'hG 为该方向的最短倒格矢，由倒格矢性质有：dG hπ2'=；若h G 不是该方向最短倒格失，由倒格子周期性： n dG n G hh π2'== （B ） 比较（A ）、（B ）二式可得： 2dSin θ＝n λ 即为Blagg 公式。
11. 求金刚石的几何结构因子，并讨论衍射面指数与衍射强度的关系。
解：每个惯用元胞中有八个同类原子，其坐标为：()⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛434341434143414343414141212102102102121000， ， ， ， ， ， ， 结构因子：()∑=++=mij lw kv hu i j hkl jj j ef S πα2()()()()()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡++++++=+++++++++++l k h i l k h i l k h i l k h i l h i l k i k h i e e e e e e e f 33233233221πππππππα前四项为fcc 的结构因子，用F f 表示从后四项提出因子)(2l k h i e++π[]()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=+=++++=+++++++++l k h i f l k h if fl k i l h i k h i l k h i f hkl e F eF Feeeef F S 22)()()()(112πππππαπ因为衍射强度2hkl S I ∝， [][]()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=++=++-++++-++l k h i l k h i f l k h i l k h i f hkle e F ee F S 222)()(2221·122ππππ用尤拉公式整理后：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=)(2cos 1222l k h F S f hklπ 讨论：1、当h 、k 、l 为奇异性数（奇偶混杂）时，0=f F ，所以02=hklS ； 2、当h 、k 、l 为全奇数时，222232)4(22ααf f F S f l k h =⨯==⋅⋅；3、当h 、k 、l 全为偶数，且n l k h 4=++（n 为任意整数）时，2222..64164)11(2ααf f F S f l k h =⨯=+=当h 、k 、l 全为偶数，但n l k h 4≠++，则()122+=++n l k h 时，0)11(222..=-=αF S l k h12. 证明第一布里渊区的体积为()cV 32π，其中Vc 是正格子初基原胞的体积。
证明：根据正、倒格子之间的关系： Ω⨯=→→→)(2321a a b π，Ω⨯=→→→)(2132a a b π；Ω⨯=→→→)(2213a a b π V c 是正格子初基原胞的体积，第一布里渊区的体积为就为倒格子原胞的体积，即()()[]()[]()[]()c cc c VVa a a a a a V a a V 3123123321133233222)()(2πππ=⨯⋅⋅⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⨯⨯⨯⋅⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⨯⋅= 第二章 习 题1、已知某晶体两相邻原子间的互作用能可表示成：nm rbr a r U +-=)(，求： ⑴ 晶体平衡时两原子间的距离；⑵ 平衡时的二原子间的互作用能；⑶ 若取m =2，n =10，两原子间的平衡距离为3Å，仅考虑二原子间互作用则离解能为4eV ，计算a 及b 的值； ⑷ 若把互作用势中排斥项n br 改用玻恩－梅叶表达式exp r p λ⎛⎫- ⎪⎝⎭，并认为在平衡时对互作用势能具有相同的贡献，求n 和p 间的关系。
解：(1) 由nm rb r a r U +-=)(，平衡时：0)(10100=-=∂∂----n m r bnr amr r r U ， 得： am bn rmn =-0，化简后得：mn ambn r -=1)(0。
