课后练习
思考题：
第一章晶体结构
1-1.试述晶态、非晶态、准晶、多晶和单晶的特征性质。
1-2.晶格点阵与实际晶体有何区别和联系？
1-3.晶体结构可分为Bravais格子和复式格子吗？
1-4.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
1-5.以二维有心长方晶格为例，画出固体物理学原胞、结晶学原胞，并说出它们各自的特点。
1-6.倒格子的实际意义是什么？一种晶体的正格矢和相应的倒格矢是否有一一
对应的关系？
1-7.一个物体或体系的对称性高低如何判断？有何物理意义？一个正八面体（见图）有哪些对称操作？
1-8.解理面是面指数低的晶面还是指数高的晶面？为什么？
1-9. 5.晶面指数为（123）的晶面ABC是离原点O最近的晶面，OA、OB和
OC分别与基矢
、和重合，除O点外,OA、OB和OC上是否有格点？
若ABC面的指数为（234），情况又如何？
1-10.带轴为[001]的晶带各晶面，其面指数有何特点？
1-11. 与晶列[l1l2l3]垂直的倒格面的面指数是什么?
1-12. 在结晶学中,晶胞是按晶体的什么特性选取的?
1-13. 六角密积属何种晶系?一个晶胞包含几个原子?
1-14.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?
1-15. 面心立方元素晶体中最小的晶列周期为多大?该晶列在哪些晶面内?
1-16. 在晶体衍射中，为什么不能用可见光？
第二章固体的结合
2-1.试述离子键、共价键、金属键、范德瓦尔斯键和氢键的基本特征.
2-2.有人说“晶体的内能就是晶体的结合能”，对吗？
2-3.当2个原子由相距很远而逐渐接近时，二原子间的力与势能是如何逐渐变化
的？
2-4.为什么金属比离子晶体、共价晶体易于进行机械加工并且导电、导热性良好？
2-5.是否有与库仑力无关的晶体结合类型?
2-6.如何理解库仑力是原子结合的动力?
2-7.晶体的结合能,晶体的内能,原子间的相互作用势能有何区别?
2-8.原子间的排斥作用取决于什么原因?
2-9.原子间的排斥作用和吸引作用有何关系?起主导的范围是什么?
2-10.共价结合为什么有“饱和性”和“方向性”?
2-11.共价结合,两原子电子云交迭产生吸引,而原子靠近时,电子云交迭会产生巨大的
排斥力,如何解释?
2-12.试解释一个中性原子吸收一个电子一定要放出能量的现象.
2-13.如何理解电负性可用电离能加亲和能来表征?
2-14.何为杂化轨道?
2-15.你认为固体的弹性强弱主要由排斥作用决定呢,还是吸引作用决定?
第三章晶格振动与晶体的热学性质
3-1.什么是简谐近似？
3-2.试定性给出一维单原子链中振动格波的相速度和群速度对波矢的关系曲线，并简要说明其意义。
3-3.周期性边界条件的物理含义是什么？引入这个条件后导致什么结果？如果晶体是无限大，的取值将会怎样？
3-4.什么叫声子？对于一给定的晶体，它是否拥有一定种类和一定数目的声子？
3-5引入玻恩-卡门条件的理由是什么?
3-6.什么叫简正振动模式？简正振动数目、格波数目或格波振动模式数目是否是一回事？
3-7.长光学支格波与长声学支格波本质上有何差别?
3-8.晶体中声子数目是否守恒?
3-9.温度一定，一个光学波的声子数目多呢,还是声学波的声子数目多?
3-10.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?
3-11.高温时,频率为的格波的声子数目与温度有何关系?
3-12.长声学格波能否导致离子晶体的宏观极化?
3-13.何谓极化声子?何谓电磁声子?
3-14.对于光学横波, 对应什么物理图象?
3-15.爱因斯坦模型在低温下与实验存在偏差的根源是什么?
3-16.在甚低温下,德拜模型为什么与实验相符?
第四章能带理论
4-1.金属自由电子论作了哪些假设？得到了哪些结果？
4-2.金属自由电子论在空间的等能面和费米面是何形状？费米能量与哪些因素有关？
4-3.在低温度下电子比热容比经典理论给出的结果小得多，为什么？
4-4.驰豫时间的物理意义是什么？它与哪些因素有关？
第五章金属电子论
5-1.布洛赫电子论作了哪些基本近似？它与金属自由电子论相比有哪些改进？
5-2.周期场对能带形成是必要条件吗？
5-3.一个能带有个准连续能级的物理原因是什么？
5-4.禁带形成的原因如何？
5-5.布洛赫电子的费米面与哪些因素有关？确定费米面有何重要性？
5-6.为什么温度升高,费密能反而降低?
课后练习：
1．体本心立方格子和面心立方格子互为正倒格子，试证明之。
2．对六角密堆积结构固体物理学原胞基矢如
求倒子基矢：
3．把等体积的硬球堆成下列结构，求证球可能占据的最大体积和总体积之比。4．（x-射线）如x射线沿简立方晶胞的oz方向入射，求证：当
和时，衍射线在yz平面上，其中 2是衍射线和oz方向的夹角。
5．( x射线)在氯化钾晶体中，k+在0, 0, 0; 诸点；Cl-在
诸点，试对衍射线面指数和衍射纯度的关系。
6．（米勒指数）六角晶系中见P343，晶面常用四个指数(h, k, l, m)表示，它们代表一
个晶面在六角形半面基矢轴上的截距为；在六度轴上的截距为，试写出的面指数。
7．设晶体中每对原子的平均结合能力为平衡时，n0=2.8?10-10米，其结合能力|U|=8?10-19焦耳，试计算A和B以及晶体的有效弹性模量。
8．有一晶体，在平衡时的体积为V0，原子间总相互作用能量为V0,如果原子间相互作用能由式所表达，试证体积弹体模量可由得出。
9．已知有N个子组成的NaCl晶体，其结合能为令若干排斥项
由Cexp(-r/ρ)来代替，且当晶体处于平衡时，这两者对垂作用势能的贡献相同，试求出n与ρ的关系。
10．试证一维离子晶体的μ=2ln2
11．立方ZnS的晶格常数a=5.41，试计算其结合能E b（焦耳/摩尔）。
12．在立方晶系中，若弹性波沿向传播，试求
（i）它的三个波速；
（ii）位移矢的三个方向余弦。
13．试由热力学证明C p-C v=9β2TK，K是体弹性模量，β是体膨胀系数。
14．如原子离开平衡位置位移后的势能为：
试证明，用经典理论比热可写成：
15．自由能F=U0(V)+F振（T、V）式中F振表示晶格振动时自由能的贡献，U0(V)
是00K的内能，如, 为德拜温度。
16．写出量子谐振子系统自由能，证明在经典极限，自由能为：
17．设晶体中每个振子的零点振动能量具试用德拜模型求晶体的零点振动能。
18．限制在边长为L的正方形中的N个自由电子，电子的能量
（i）求能量E到E+dE之间的状态数
（ii）求此二维系统在绝对零度的弗米能量
19．金属锂是体心立方晶格，晶格常数为试计算绝对零度时锂的电子气的弗米能量E F。
20．在低温下金属钾的摩尔容量的实验结果可写为：C=（2.08T+2.57T3）毫焦/摩尔·开若一摩尔钾有N=6×1023个电子，试求钾的弗米温度T F和德拜温度Q D。21．电子在周期势场中的势能
a=4b，为常数试画出此势能曲线，并求势能平均值。
22．已知一维晶体的电子能带可写成式中a为晶格常数，试求：(i)能带宽度(ii)电子在波矢k时的速度(iii)能带底和顶的有效质量。
一、是非题（I 分X1O=10分） 得分 评分人 1、 非等轴晶系的晶体，在膨胀系数低的方向热导率最大。 （） 2、 粉末和纤维材料的导热系数比烧结材料的低得多。 （） 3、 第一热应力因子/?是材料允许承受的最大温度差。 （） 4、 同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶的小。 （） 5、 电化学老化的必要条件是介质中的离子至少有一种参加电导。（） 6、 玻璃中的电导基本上是离子电导。 （） 7、 薄玻璃杯较厚玻璃杯更易因冲开水而炸裂。 （） 8、 压应力使单晶材料的弹性模量变小。 （） 9、 多晶陶瓷材料断裂表面能比单晶大。 （） 10、 材料的断裂强度取决于裂纹的数量。 （） 二、名词解释（2分X 10=20分） 得分 评分人 题号 -------- - ? ---- * 四 五 六 七 八 九 总分 合分人 得分 材料物理性能课程结束B 试卷 考试形式 闭卷 考试用时120分钟
1、固体电解质: 2、表面传热系数： 3、P型半导体： 4、施主能级： 5、声频支： 6、稳定传热： 7、载流了的迁移率: 8、蠕变： 9、弛豫：
10、滑移系统:
三、简答题（5分X4=20分，任选4题） 得分 评分人 1、导温系数。的物理意义及其量纲? 2、显微结构对材料脆性断裂的影响? 3、写出两个抗热应力损伤因子的表达式并对其含义及作用加以说明。 4、不同材料在外力作用时有何不同的变形特征?
四、问答题（9分X4=36分） 得分 评分人 1、何为裂纹的亚临界生长？试用应力腐蚀理论解释裂纹的亚临界生长? 2、请对图1表示的氧化铝单晶的入-丁曲 线分析说明。o I JI O 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 T/K图1氧化铝单晶的热导率随温度的变 化
2、材料的热学性能 2-1 计算室温（298K ）及高温（1273K ）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和按杜龙-伯蒂规律计算的结果比较。 （1） 当T=298K ，Cp=a+bT+cT -2=87.55+14.96 10-3298-26.68 105/2982 =87.55+4.46-30.04 =61.97 4.18 J/mol K=259.0346 J/mol K （2） 当T=1273K ，Cp=a+bT+cT -2=87.55+14.96 10-31273-26.68 105/12732 =87.55+19.04-1.65 =104.94 4.18 J/mol K=438.65 J/mol K 据杜隆-珀替定律：(3Al 2O 32SiO 4) Cp=21*24.94=523.74 J/mol K 2-2 康宁玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/(cm s ℃); α=4.610?6/℃;σp =7.0Kg/mm 2，E=6700Kg/mm 2，μ=0.25。求其第一及第二热冲击断裂抵抗因子。 第一冲击断裂抵抗因子：E R f αμσ)1(-==666 79.8100.75 4.61067009.810-???????=170℃ 第二冲击断裂抵抗因子：E R f αμλσ) 1(-= '=1700.021=3.57 J/(cm s) 2-3 一陶瓷件由反应烧结氮化硅制成，其热导率λ=0.184J/(cm s ℃)，最大厚度=120mm 。如果表面热传递系数h=0.05 J/(cm 2s ℃)，假定形状因子S=1，估算可安全应用的热冲击最大允许温差。 h r S R T m m 31.01? '=?=226*0.18405 .0*6*31.01 =447℃ 2-4、系统自由能的增加量TS E F -?=?，又有! ln ln ()!! N N N n n =-，若在肖特基缺 定律所得的计算值。 趋近按，可见，随着温度的升高Petit Dulong C m P -,
《材料物理》课程教学大纲 一、课程名称（中英文） 中文名称：材料物理 英文名称：Physics of Materials 二、课程代码及性质 课程代码:0801142 课程性质:专业基础课、专业必修课 三、学时与学分 总学时：40（理论学时：40学时；实践学时：0学时） 学分：2.5 四、先修课程 大学物理、材料科学基础 五、授课对象 本课程面向材料科学与工程专业、功能材料专业学生开设。 六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用） 本课程的教学目的: 1、掌握材料物理（能带论、晶格振动、材料磁性）的基本理论,具备解决和分析问题的能力； 2、掌握功能材料的物理（电学、热学、磁学、光学）现象与本质规律，培养学生开发新型功能材料的能力； 3、了解功能材料的发展趋势和动态,培养学生学习新知识的能力。
七、教学重点与难点： 教学重点： 影响材料物理性质的基本理论。晶体结合、能带论、晶格振动与热学性质、
材料的磁性 教学难点： 能带论、材料的磁性、材料的介电性、超导电性 八、教学方法与手段： 教学方法： (1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成; (2)从材料的物理性质及物理现象为引导、探讨产生光、电、磁的材料物理本质，掌握重要的理论。。 教学手段： (1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观; (2)强调研究思路的创新过程，注重理论与实践相结合。每一个基本理论学习介绍后再增加介绍其带来新功能材料与器件的研究突破，引导学生的学习兴趣。 九、教学内容与学时安排 （1）总体安排 教学内容与学时的总体安排，如表2所示。 （2）具体内容 各章节的具体内容如下： 绪论（2h） 第一章晶体结构（4h） 1.1 晶格的周期性 1.2晶格的对称性 1.3 倒格子 1.4 准晶 第二章晶体结合 (4h) 2.1晶体结合的普遍描述 2.2 晶体结合的基本类型及特性
名词解释 1.应变：用来描述物体内部各质点之间的相对位移。 2.弹性模量：表征材料抵抗变形的能力。 3.剪切应变：物体内部一体积元上的二个面元之间的夹角变化。 4.滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动，就叫滑移. 5.屈服应力：当外力超过物理弹性极限，达到某一点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力叫屈服应力。 6.塑性：使固体产生变形的力，在超过该固体的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸，即非可逆性。 7.塑性形变：在超过材料的屈服应力作用下，产生变形，外力移去后不能恢复的形变。 8.粘弹性：一些非晶体和多晶体在比较小的应力时,可以同时变现出弹性和粘性，称为粘弹性. 9.滞弹性：弹性行为与时间有关，表征材料的形变在应力移去后能够恢复但不能立即恢复的能力。 10.弛豫:施加恒定应变，则应力将随时间而减小，弹性模量也随时间而降低。 11.蠕变——当对粘弹性体施加恒定应力，其应变随时间而增加，弹性模量也随时间而减小。 12.应力场强度因子：反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。它和裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关。 13.断裂韧性：反映材料抗断性能的参数。 14.冲击韧性：指材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 15.亚临界裂纹扩展：在低于材料断裂韧性的外加应力场强度作用下所发生的裂纹缓慢扩展称为亚临界裂纹扩展。 16.裂纹偏转增韧：在扩展裂纹剪短应力场中的增强体会导致裂纹发生偏转，从而干扰应力场，导致机体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。 17.弥散增韧：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料达到增韧的效果，称为弥散增韧。 18.相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成份在不同温度的相变，从而达到增韧的效果，称为相变增韧。 19.热容：分子热运动的能量随着温度而变化的一个物理量，定义为物体温度升高1K所需要的能量。 20.比热容：将1g质量的物体温度升高1K所需要增加的热量，简称比热。 21.热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。 热传导：当固体材料一端的温度笔另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端。22.热导率：在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率。 23.热稳定性:指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为抗热震性。 24.抗热冲击断裂性：材料抵抗温度急剧变化时瞬时断裂的性能。 25.抗热冲击损伤性：材料抵抗热冲击循环作用下缓慢破坏的性能。 26.热应力：材料热膨胀或收缩引起的内应力。 27.声频支振动：振动的质点中包含频率甚低的格波时，质点彼此间的位相差不
《材料物理科学》课程复习题 1简述材料的分类和新材料的特点、要求和发展方向。 工程上分：金属材料，无机非金属材料，有机高分子材料及复合材料 按状态分：单晶，多晶，非晶，准晶和液晶 按化学角度分：无机材料与有机材料 按应用分：信息材料，能源材料，生物材料，建筑材料，航空航天材料等 按用途分：结构材料和功能材料 商品化程度分：传统材料和先进材料 新材料的特点要求： 结构和性能相结合,智能化,减少污染,可再生性,节省能源,长寿命 新材料发展方向（讲义4-5页） 纳米材料,先进多相复合材料,高温超导材料,智能材料,生物医学材料 2简述材料的成分结构和性能的关系。(不全) 材料的性质取决于材料的结构。 材料的结构，是指材料的组元及其排列和运动方式。它包括形貌，化学成分，相组成，晶体结构和缺陷等内涵 3简述计算机模拟在材料物理学科中的作用。 计算机模拟是一种根据实际体系设计，在计算机上进行的模型实验。通常将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较。可以检验出模型的准确性，也可以检验由模型导出的解析理论所作的近似是否成功。此外，在模型上获得的微观信息，常常比在实际体系上所作的实验更为详细。往往是在通常实验条件下很难获得的信息。此外，计算机模拟对于理论的发展也有重要的意义，它能为现实模型和实验中无法实现的探索模型作详细的预测，并提供方法。如材料在极端压力或高温下经历相变的四维体系等计算机模拟由于有计算机图形学的帮助，不但能使模拟易于观察和易于理解，而且可进一步与计算机技术中刚开创的虚拟现实的新领域相结合。在虚拟现实中，计算机模拟的不结果不仅可用计算机图形学表达，而且也能用五官来感受。 用计算机辅助设计和模拟的专家系统进行材料设计，可以摆脱实验先行的研究方法，用较少的实验，较短的研制过程，就能获得较为理想的材料。材料科学走计算机辅助设计和计算机模拟之路，从理论和实际两个方面向人们提供了材料研究由必然到自由的可能。 4简述材料物理中各种键合的特点。 5魏德曼--弗朗兹定律说明了什么？ K／σ＝3(k／e)2T 式中k是玻尔兹曼常数, e是电子电荷，T是温度；解释了金属的高电导(σ)和热导(K)特性；也解释了金属的光学特性。这个理论的不足之处是从电子的总能量过高地估计了电子的比热。电导和热导的两种输运过程,如果T变化,会引起两种输运的变化
材料无机材料物理性能考试及答案
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无机材料物理性能试卷 一．填空（１×２０＝２０分） 1．CsCl结构中，Ｃs+与Cl-分别构成＿＿＿＿格子。 ２．影响黏度的因素有＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ３.影响蠕变的因素有温度、＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ４．在＿＿＿＿、＿＿＿＿的情况下，室温时绝缘体转化为半导体。 ５．一般材料的＿＿＿＿远大于＿＿＿＿。 ６．裂纹尖端出高度的＿＿＿＿导致了较大的裂纹扩展力。 ７．多组分玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿。 ８．介电常数显著变化是在＿＿＿＿处。 ９．裂纹有三种扩展方式：＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿。 １０．电子电导的特征是具有＿＿＿＿。 二.名词解释（4×4分=16分） 1.电解效应 2.热膨胀 3.塑性形变 4.磁畴 三.问答题（3×8分=24分） 1.简述晶体的结合类型和主要特征： 2.什么叫晶体的热缺陷？有几种类型？写出其浓度表达式?晶体中离子电导分为哪几类？ 3.无机材料的蠕变曲线分为哪几个阶段，分析各阶段的特点。 4.下图为氧化铝单晶的热导率与温度的关系图，试解释图像先增后减的原因。 四，计算题（共20分） 1.求熔融石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm，弹性模量值从60 到75GPa。（10分） 2.康宁1273玻璃(硅酸铝玻璃)具有下列性能参数： =0.021J/(cm ·s ·℃)；a=4.6×10-6℃-1；σp=7.0kg/mm2，
《材料物理性能》 第一章材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=,V 2=。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=代入经验计算公式E=E 0+可得，其上、下限弹性模量分别变为 GPa 和 GPa 。 1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度 τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。 0816 .04.25.2ln ln ln 22 001====A A l l T ε真应变) (91710909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.445006MPa A F T =?== -σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量
材料物理专业 材料物理专业培养较系统地掌握材料科学的基本理论与技术，具备材料物理相关的基本知识和基本技能，能在材料科学与工程及与其相关的领域从事研究、教学、科技开发及相关管理工作的材料物理高级专门人才。小编今天推荐给大家的是材料物理专业，仅供参考，希望对大家有用。关注网获得更多内容。 材料物理是从物理学原理出发提供材料结构、特性与性能的一门新兴交叉学科，主要面向新能源与新信息等新功能材料探索。 材料物理专业提供物理学、材料科学、材料化学和材料物理的基本理论、基本知识和基本技能的系统学习，材料探索、制备与合成的思维与技能等方面的基本训练，以及材料加工、材料结构与性能测定及材料应用等方面的专业训练。 旨在帮助学生掌握材料物理及其相关的基础知识、基本原理和实验技能，具备运用物理学和材料物理的基础理论、基本知识和实验技能进行材料探索和技术开发的基本能力，能发展成为在材料科学与工程及其相关交叉学科(材料、物理、化学、生物、医学等)继续深造或在相应领域从事材料物理研究、教学、应用开发等方面的创新性人才。
由于当今以服务于高科技，现代工业和国防为主的现代材料或新材料的需求量越来越大，新材料的研制与开发速度也越来越快，因而涌出的新概念、新理论、新技术、新方法、新工艺、新产品和新问题越来越需要材料学家和物理学家等共同努力来归纳、整理、总结及创新。 由此产生的材料物理专业无疑是多学科知识交叉、渗透的结果。它给现代材料的研究、开发和应用以及相关科学的发展带来了新的空间。为新材料的可持续发展提供完善而系统的理论指导和技术保障。因此，材料物理专业的就业前景十分广阔。 该专业学生主要学习材料科学方面的基本理论、基本知识和基本技能，受到科学思维与科学实验方面的基本训练，具有运用物理学和材料物理的基础理论、基本知识和实验技能进行材料研究和技术开发的基本能力。 1.掌握数学、物理、化学等方面的基本理论和基本知识; 2.掌握材料制备(或合成)、材料加工、材料结构与性能测定及材料应用等方面的基础知识、基本原理和基本实验技能; 3.了解相近专业的一般原理和知识; 4.熟悉国家关于材料科学与工程研究、科技开发及相关
无机材料物理性能考试试题及答案 一、填空（18） 1. 声子的准粒子性表现在声子的动量不确定、系统中声子的数目不守恒。 2. 在外加电场E的作用下，一个具有电偶极矩为p的点电偶极子的位能U=-p·E，该式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时，能量为最低而反向时能量为最高。 3. TC为正的温度补偿材料具有敞旷结构，并且内部结构单位能发生较大的转动。 4. 钙钛矿型结构由 5 个简立方格子套购而成，它们分别是1个Ti 、1个Ca 和3个氧简立方格子 5. 弹性系数ks的大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。 6. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 7. 制备微晶、高密度与高纯度材料的依据是材料脆性断裂的影响因素有晶粒尺寸、气孔率、杂质等。 8. 粒子强化材料的机理在于粒子可以防止基体内的位错运动，或通过粒子的塑性形变而吸收一部分能量，达从而到强化的目的。 9. 复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 10.裂纹有三种扩展方式：张开型、滑开型、撕开型 11. 格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波 二、名词解释(12) 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性能等。 电子的共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子的某一电子壳层转移到相邻原子的相似壳层上去，因而电子可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。 平衡载流子和非平衡载流子：在一定温度下，半导体中由于热激发产生的载流子成为平衡载流子。由于施加外界条件(外加电压、光照)，人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载流子称为非平衡载流子。 三、简答题（13） 1. 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？ 答：正是因为非长程有序，许多原子并不在势能曲线低谷；在高温下，有一些原子键比较弱，只需较小的应力就能使这些原子间的键断裂；原子跃迁附近的空隙位置，引起原子位移和重排。不需初始的屈服应力就能变形-----粘性流动。因此玻璃在高温时能变形。 2. 有关介质损耗描述的方法有哪些？其本质是否一致？ 答：损耗角正切、损耗因子、损耗角正切倒数、损耗功率、等效电导率、复介电常数的复项。多种方法对材料来说都涉及同一现象。即实际电介质的电流位相滞后理想电介质的电流位相。因此它们的本质是一致的。 3. 简述提高陶瓷材料抗热冲击断裂性能的措施。 答：(1) 提高材料的强度 f，减小弹性模量E。(2) 提高材料的热导率c。(3) 减小材料的热膨胀系数a。(4) 减小表面热传递系数h。(5) 减小产品的有效厚度rm。
1-1 一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm,且拉伸变形后圆杆的体积不变，求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解：真应力OY = — = ―"°。—=995(MP Q) A 4.524 xlO-6 真应变勺=In — = In — = In^v = 0.0816 /0 A 2.42 名义应力a = — = ―4°°°_ 一= 917(MPa) A) 4.909x1()2 名义应变￡ =翌=& —1 = 0.0851 I。 A 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1- 5 一陶瓷含体积百分比为95%的/\12O3(E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa), 试 计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5%的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令Ei=380GPa, E2=84GPa, V^O. 95, V2=0. 05o则有 上限弹性模量=E]% +E2V2 = 380 X 0.95 +84 X 0.05 =365.2(GP Q) 下限弹性模量战=(￥ +3)T =(?料+誓尸=323.1(GP Q) E]380 84 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P二0. 05代入经验计算公式E=E O(1-1. 9P+0. 9P2) 可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa和293. 1 GPa。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0, t = oo和t二￡时的纵坐标表达式。 解：Maxwell模型可以较好地模拟应力松弛过程： 其应力松弛曲线方程为：b⑴=贝0光必则有:<7(0) = b(0);cr(oo) = 0;<7(r) = a(0)/e. Voigt模型可以较好地模拟应变蠕变过程： 其蠕变曲线方程为：的)=火(1 -广")=￡(00)(1 _g") E 则有：￡(0)=0； ￡(OO)= 21;冶)=%1-(尸).
材料物理习题集 第一章 固体中电子能量结构和状态（量子力学基础） 1. 一电子通过5400V 电位差的电场，（1）计算它的德布罗意波长；（2）计算它的波数；（3） 计算它对Ni 晶体（111）面（面间距d =2.04×10-10 m ）的布拉格衍射角。（P5） 12 34 131 192 1111 o ' (2) 6.610 = (29.110 5400 1.610 ) =1.67102K 3.7610sin sin 2182h h p mE m d d λπ λ θλ λ θθ----=???????=?==?=解：（1）= （2）波数= （3）2 2. 有两种原子，基态电子壳层是这样填充的 ; ; s s s s s s s 226232 2 6 2 6 10 2 6 10 （1）1、22p 、33p （2）1、22p 、33p 3d 、44p 4d ，请分别写出n=3的所有电子的四个量 子数的可能组态。（非书上内容）
3. 如电子占据某一能级的几率是1/4，另一能级被占据的几率为3/4，分别计算两个能级 的能量比费米能级高出多少k T ？（P15） 1()exp[]1 1 ln[1] ()()1/4ln 3()3/4ln 3F F F F f E E E kT E E kT f E f E E E kT f E E E kT = -+?-=-=-=?=-=-?解：由将代入得将代入得 4. 已知Cu 的密度为8.5×103 kg/m 3 ，计算其E 0 F 。（P16） 2 2 03 23426 23 3 31 18(3/8)2(6.6310)8.510 =(3 6.0210/8)291063.5 =1.0910 6.83F h E n m J eV ππ---=????????=解： 由 5. 计算Na 在0K 时自由电子的平均动能。（Na 的摩尔质量M=22.99，.0ρ?33 =11310kg/m ） （P16）
期末复习题参考答案 一、填空 1.一长30cm的圆杆，直径4mm，承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm，且体积保持不变，在此拉力下名义应力值为，名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3．固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4．格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈低。 5．电介质材料中的压电性、铁电性与热释电性是由于相应压电体、铁电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体。 6．复介电常数由实部和虚部这两部分组成，实部与通常应用的介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 7．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 8．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。9．设某一玻璃的光反射损失为m，如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为 I 10．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子Y= 。 11．设电介质中带电质点的电荷量q，在电场作用下极化后，正电荷与负电荷的位移矢量为l，则此偶极矩为 ql 。 12．裂纹扩展的动力是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 13.Griffith微裂纹理论认为，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。14．考虑散热的影响，材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 15．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 16．在应力分量的表示方法中，应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向，第二个字母表示应力作用的方向。 17．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 18．原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 19. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 20.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 21.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 22.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 23.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。 滞弹性：当应力作用于实际固体时，固体形变的产生与消除需要一定的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 格波：处于格点上的原子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果，这种波称为格波，格波的一个
07 级材料物理习题一、概念： 1. 布里渊区和金属费米面 2. 直接带隙和间接带隙半导体 3. 德拜温度和德拜频率 4. 绝缘体、半导体和金属 5. 铁电性、压电性和介电性 6. 第一类超导体和第二类超导体 7. 单晶、多晶、非晶 8. 铁磁性、抗磁性、顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性 9. 弗仑克尔缺陷 10.霍尔效应 11.双折射现象、o 光和e 光 12.热胀冷缩引起的热应力和温差引起的热应力 13.磁化曲线和磁滞回线 二、简答： 1. 对半导体，试说明下列概念：（1）能隙；（2）空穴；（3）施主和受主杂质；（4）p型和n型掺杂；（5）载流子浓度； （6）施主能级为什么靠近导带？受主能级为什么靠近价 带？ 2. 半导体激光器中，与激光辐射有关的三个能级跃迁过程是什么？画出其能级变化示意图并给予解释。 3. 分别举出一种硬、软磁材料，并阐述在实际应用过程中对硬、软磁材料的电学性能有哪些要求。
4. 描述半导体的pn结的光伏过程。 5. 非金属材料透明和不透明的能带结构。 6. 解释为什么旭日和夕阳呈红色。 7. 怎么给透明材料着色？ 8. 荧光和磷光的区别？画图说明产生荧光和磷光的机理。 9. 画图说明金属的热容随温度的变化规律。微观机制是什么？ 10. 金属晶体与离子晶体的导热机制和特点是什么？ 11. 塞贝克效应及其微观机制？ 12. 单程记忆合金与双程记忆合金。 13. 在XPS分析中，鬼线是什么原因产生的？ 14. 在XPS分析中，荷电位移是什么原因产生的？用哪些方法消除荷电位移造成的误差？ 三、填空题 1. 按照频率响应由高到低，写出3种电介质的微观激化机制：________________ 、 _____________ 、_____________ 。 2. 物质具有磁性的根源在 于 _______________________________________________ 。3. 反铁磁体材料的磁化率x在尼尔温度处呈 现 _____________________ 。
1.热容：在不发生相变和化学反应是时，材料温度升高1K时所需要的能量（Q）。 2.热导率：当温度垂直梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的 热量。 3.应力松弛：在持续外力作用下，发生形变着的物体，在总的形变值保持不变的情 况下，由于徐变形变渐增，弹性形变相应减小，由此使物体的内部应力随时间延续而逐渐减小的过程。 4.应变松弛：固体材料在恒定载荷下，形变随时间延续而缓慢增加的不平衡过程， 或材料受力后内部原子有不平衡的过程，也叫蠕变。或徐变。 5.黏弹性：自然界中实际存在的材料，其形变一般介于理想弹性固体和理想弹性液 体之间，既具有固体的弹性又具有液体的黏性。 6.光频支振动：相邻原子振动相反，形成一个范围很小，频率很高的振动。 7.声频支振动：如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此间的位相差不 大，则格波类似于弹性体中的应变波。 8.载流子迁移率：载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载 流子在电场作用下运动速度的快慢的量度。 9.晶格热振动：晶体点阵中的质点（原子或离子）总是围绕着平衡位置做微小振动。 10.光的色散：材料的折射率随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质。 11.磁化强度：单位体积的磁矩表征物质被磁化的强度。 12.极化强度：单位体积电介质中所有点偶极矩的矢量和。 13.介电强度：试样被击穿时, 单位厚度承受的最大电压, 表示为伏特每单位厚度。 14.光电效应：某些物质受到光照时，引起物质电性发生变化，这种光致电变的现象 叫光电效应。 15.压减效应：在含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤其是重金属氧化物，可使玻璃 电导率降低。 16.双碱效应：当碱金属离子总浓度较大时（占玻璃组成25%~30%），在碱金属离子 总浓度相同情况下，含两种碱比含一种碱的电导率要小，比例恰当时，可降到很低。
课后习题 第一章 1.德拜热容的成功之处是什么？ 答：德拜热容的成功之处是在低温下，德拜热容理论很好的描述了晶体热容，CV.M∝T的三次方 2.何为德拜温度？有什么物理意义？ 答：HD=hνMAX/k 德拜温度是反映晶体点阵内原子间结合力的一个物理量 德拜温度反映了原子间结合力，德拜温度越高，原子间结合力越强 3.试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质 答：如图，U1（T1）、U2（T2）、U3(T3）为不同温度时的能量，当原子热振动通过平衡位置r0时，全部能量转化为动能，偏离平衡位置时，动能又逐渐转化为势能；到达振幅最大值时动能降为零，势能打到最大。由势能曲线的不对称可以看到，随温度升高，势能由U1(T1）、U2（T2）向U3（T3）变化，振幅增加，振动中心就由r0'，r0''向r0'''右移，导致双原子间距增大，产生热膨胀 第二章 1.镍铬丝电阻率300K为1×10-6Ω·m加热到4000K时电阻率增加5%假定在此温度区间内马西森定则成立。试计算由于晶格缺陷和杂质引起的电阻率。 解：按题意:p(300k) = 10∧-6 则: p(400k) = (10∧-6)* (1+0.05) ----(1) 在400K温度下马西森法则成立，则: p(400k) = p(镍400k) + p(杂400k)
----(2) 又: p(镍400k) = p(镍300k) * [1+ α * 100] ----(3) 其中参数: α为镍的温度系数约 = 0.007 ; p(镍300k)(室温) = 7*10∧-6 Ω.cm) 将(1)和(3)代入(2)可算出杂质引起的电阻率 p(杂400k)。 2.为什么金属的电阻因温度升高而增大，而半导体的电阻却因温度的升高而减小？ 对金属材料，尽管温度对有效电子数和电子平均速率几乎没有影响，然而温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大。这些因素都使电子运动的自由称减小，散射几率增加而导致电阻率增大 而对半导体当温度升高时，满带中有少量电子有可能被激发到上面的空带中去，在外电场作用下，这些电子将参与导电。同时，满带中由于少了一些电子，在满带顶部附近出现了一些空的量子状态，满带变成了部分占满的能带，在外电场作用下，仍留在满带中的电子也能够起导电作用。 3.表征超导体性能的3个主要指标是什么?(P80) （表征超导体的两个基本特性完全的导电性和完全的抗磁性） 1)，临界转变温度TC，即成为超导态的最高温度 2)。临界磁场HC，即能破坏超导态的最小磁场，HC的大小与超导材料的性质有关 3)，临界电流密度JC，即材料保持超导状态的最大输入电流 第三章 1.什么是自发磁化？（P142) 在铁磁质内部存在着很强的“分子场”,在这种“分子场”的作用下，原
材料物理复习题 一、名词解释 晶带轴：同一晶带中所有晶面与其他面的交线互相平行，其中通过坐标原点的那条平行直线称为晶带轴。 致密度：致密度是指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积的比值。 配位数：配位数(coordination number) 是中心离子的重要特征。直接同中心离子(或原子) 配位的原子数目叫中心离子(或原子) 的配位数。 相：相(phase) 是系统中结构相同、成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分固溶体：固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。 中间相：两组元A和B组成合金时，除了可形成以A为基体或以B为基体的固溶体外(端际固溶体)外，还可能形成晶体结构与A,B两组元均不相同的新相。柏氏矢量：柏氏矢量(Burgers vector) 是描述位错实质的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。 刃位错：刃型位错有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位错，记为“┻”；而把多出在下边的称为负刃型位错，记为“┳”。其实这种正、负之分只具相对意义而无本质的区别。 螺位错：一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升一个晶面间距。在中央轴线处即为一螺型位错。 肖克莱不全位错：面心立方晶体中，柏氏矢量为1/6<112>的不全位错。弗拉克不全位错：面心立方晶体中，伯格斯矢量为1/3<111> 的纯刃形不全位错。肖脱基空位：晶体结构中的一种因原子或离子离开原来所在的格点位置而形成的空位式的点缺陷。 弗兰克尔空位：当晶体中的原子由于热涨落而从格点跳到间隙位置时，即产生一个空位和与其邻近的一个间隙原子，这样的一对缺陷-- 空位和间隙原子，就称为弗兰克尔缺陷。 反应扩散：通过扩散使固溶体内的溶质组元超过固溶极限而不断形成新相的
主要内容 ?能带理论复习 ?电子的费米分布布 ?金属电子的输运过程 ?逸出功与接触电势 1
金属电子的输运过程 电场作用下导带电子运动的一般规律 金属电导 金属电导和热导率的关系 影响金属电导的因素 P239-245 P239245 2
x q k 保持匀速增加，电子的本dt 分量x 保持匀速增，子的本 征能量E (k )的随之相应变化。 电子占据态的分布相对于k 空间 的原点不再是对称分布，电子体 系总动量不为零产生电流。 4 系总动量不为零，产生电流。
恒定电场下导带电子的运动---周期运动 电子在恒定电场中 的运动---周期布里 渊区表示 ?恒定电场作用下，电子在k 空间匀速运动。（k 的变化为定值）?当电子运动到布里渊区边界k =π/a 时，由于k =?π/a 与k =π/a 相差2π/a ，他们实际上代表同一种状态，所以电子从k =π/a 移出去其实就是同时从k =?π/a 移进来。（不考虑能带跃迁）。?也就是说，电子在k 空间作周期运动。---布洛赫振荡。 ?由v =?-1?E/?k ，电子速度 v 也随时间做振荡，表明电子在实空5 子度随间荡表明子在实间振荡。但实际很难观察到布洛赫振荡（原因在后面）。
外场下导带电子的运动---电子散射（碰撞）?电子在电场作用下加速---漂移。如无其它机制，电子将在k 空间&/qE k =以的速度无休止漂移，形成布洛赫振荡。无电阻。h /qE k =?电阻来源于晶体内一些非周期因素： 声射它是度 ?晶格振动引起的声子对电子的散射，它是温度的函数。?晶格内缺陷和杂质对电子的无规律散射。 ?其它 ?导电电子在外场作用下的运动图像：一方面电场作用下电子加速，定向漂移运动；一方面电子受到无规散射，失去外场下的定向运动。 ?定义两次散射之间的平均时间间隔叫作电子平均自由运动时间，用τ来表示。τ的典型值为10-13~-14s 。布洛赫振荡的周期为6 10-4s ，故实际很难观察到布洛赫振荡。
西 安 科 技 大 学 2011—2012学 年 第 2 学 期 考 试 试 题（卷） 学院：材料科学与工程学院 班级： 姓名： 学号：
—2012 学 年 第 2 学 期 考 试 试 题（卷） 学院：材料科学与工程学院 班级： 姓名： 学号：
材料物理性能 A卷答案 一、填空题（每空1分，共25分）： 1、电子运动服从量子力学原理周期性势场 2、导电性能介电性能 3、电子极化原子（离子）极化取向极化 4、完全导电性（零电阻）完全抗磁性 5、电子轨道磁矩电子自旋磁矩原子核自旋磁矩 6、越大越小 7、电子导热声子导热声子导热 8、示差热分析仪（DTA）、示差扫描热分析（DSC）、热重分析（TG） 9、弹性后效降低（减小） 10、机械能频率静滞后型内耗 二、是非题（每题2分，共20分）： 1、√ 2、× 3、× 4、√ 5、× 6、√ 7、× 8、× 9、× 10、√ 三、名词解释（每题3分，共15分）： 1、费米能：按自由电子近似，电子的等能面在k空间是关于原点对称的球面。特别有意义的是E=E F的等能面，它被称为费米面，相应的能量成为费米能。 2、顺磁体：原子内部存在永久磁矩，无外磁场，材料无规则的热运动使得材料没有磁性，当外磁场作用，每个原子的磁矩比较规则取向，物质显示弱磁场，这样的磁体称顺磁体。 3、魏得曼-弗兰兹定律：在室温下许多金属的热导率与电导率之比几乎相同，而不随金属的不同而改变。 4、因瓦效应：材料在一定温度范围内所产生的膨胀系数值低于正常规律的膨胀系数值的现象。
5、弛豫模量：教材P200 四、简答题（每题6分，共30分）： 1、阐述导体、半导体和绝缘体的能带结构特点。 答：①导体中含有未满带，在外场的作用下，未满带上的电子分布发生偏移，从而改变了原来的中心堆成状态，占据不同状态的电子所形成的运动电流不能完全抵消，未抵消的部分就形成了宏观电流；②绝缘体不含未满带，满带中的电子不会受外场的作用而产生偏离平衡态的分布，而一些含有空带的绝缘体，也因为禁带间隙过大，下层满带的电子无法跃迁到空带上来形成可以导电的未满带，所以绝缘体不能导电；③本征半导体的情况和绝缘体类似，区别是其禁带能隙比较小，当受到热激发或外场作用时，满带中的电子比较容易越过能隙，进入上方空的允带，从而使材料具有一定的导电能力；④掺杂半导体则是通过掺入异质元素，从而提供额外的自由电子或者额外的空穴以供下层电子向上跨越，使得跨越禁带的能量变低，电子更加容易进入上层的空带中，从而具有导电能力。 2、简述温度对金属电阻影响的一般规律及原因。 答：无缺陷理想晶体的电阻是温度的单值函数，如果在晶体中存在少量杂质和结构缺陷，那么电阻与温度的关系曲线将要变化。 在低温下，电子-电子散射对电阻的贡献显著，其他温度电阻取决于电子-声子散射。 3、何谓材料的热膨胀？其物理本质是什么？ 答：①热膨胀：材料在加热和冷却过程中，其宏观尺寸随温度发生变化的现象。 ②物理本质：在非简谐近似下，随温度增加，原子热振动不仅振幅和频率增加，其平衡位置距平均尺寸也增加，即导致振动中心右移，原子间距增大，宏观上变现为热膨胀。 4、物质的铁磁性产生的充要条件是什么？ 答：(1) 原子中必须有未填满电子的内层，因而存在未被抵消的自旋磁矩。 (2) 相邻原子间距a与未填满的内电子层半径r之比大于3，即a/r＞3。 5、内耗法测定α-Fe中碳的扩散（迁移）激活能H的方法和原理。 答：参考教材P-211 五、论述题（每题10分，共10分）：
1. 简述物理气相沉积薄膜的物理过程 一般，单个气相原子的动能（22 1 mv E k = ）大于基体中一个原子的动能（kT 23 ），若发生碰撞，入射原子能快速交出多余的能量，则易被吸附。吸附过程包括物理吸附和化学吸附，物理吸附依靠德华力，作用围约为0.4nm ；化学吸附依靠吸附原子和基体表面原子间形成的化学键，作用围小（0.1~0.3nm ），吸附能较大，解吸较前者困难。单个气相原子吸附在基体上后，由几个被吸附的单个原子相互结合形成各种大小不一的小原子团（凝结相），小原子团长大为晶核，晶核继续长大，形成不连续薄膜，进而得到连续薄膜。 2. 简述: 临界核概念; 微滴理论; 原子理论; 表面结构驰豫和重构 ①要形成薄膜，需有特殊的小原子团产生，这种小原子团不分解出单原子或双原子等，是稳定的，称为稳定核。临界核比最小稳定核少一个原子，由薄膜材料和基片种类决定。 ②将吸附在基片表面的原子团视为微小的凝聚滴（如图），由热力学理论知，形成这个微滴时总自由能的变化为：?G=a 3r 3g v +a 1r 2σ0+a 2r 2σ1-a 2r 2σ2 只有 r >r*→ ?G ↓→才稳定 v v v d G a r g a r a r a r dr a a a r a g a a a G a g σσσσσσσσσ23102122102122310212222 3 32220234 27** ?=++-=-+-∴= +-?=3 （） 微滴的临界半径（） 总自由能变化最大值
在基片单位表面上吸附的原子数（原子密度）为： 成核速率为 当原子数>100个以上的微滴，其表面能和自由能可以用块状材料的相应数值。 ③当小于100个以下，甚至几个原子的微滴时，需用原子理论。 成核速率∝临界核密度×每个核的捕获围×吸附原子向临界核的总速度 由统计理论，临界核密度: s v v v v a r a r G r r f G r f g G f r g r d G r G f dr g πθπθπθπθθθ πσπθσπθπθσσπθσ2 1222232 20 033203 002cos 2cos sin sin 23cos cos 4()4 4 ()3 1 ()3 20, 16()/3**=?==?=-+∴?= =?=∴?=+?=?=-?=假设微滴为球帽形 （1-）面积（1-） 面积（）=4形成该微滴后，体系总的自由能变化 4（） v g 2 f G θθσσθσθσσσσσ2010()00cos 0*==??==+=∴↑≥?22201 当时，完全润湿，，即形成稳定核无需克服能量位垒，由，可知，则最大。 基片表面上有台阶、微裂缝等，有助于（+）促进成核p P R R E kT v τ0 1 ( )exp(/)==1n x P P I n An v I Zn An v Z E E G v I Zn a R r v kT πθ111 000 (2sin )exp() **** ∝?=---∴=-2 比例系数，约为10微滴的表面能和体积的自由能变化用块材数值不？ ()()10100111101000exp /i 0exp /exp /基片单位面积上的吸附点数 基片单位面积上吸附的单原子密度临界核的结合能 -临界核中的原子数目 不计入吸附能的单原子位能. 令，则：（）i i i i i i i i i i n n n E iE kT n n n E E n n E n n E iE kT n E kT n n * *????=- ?????----??????==-= ? ??? ????