固体物理计算题

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2 固体物理习题
1.1 求出体心立方和面心立方晶格固体物理原胞各基矢间的夹角.
1.2 钠在23K 附近从bcc （体心立方）结构转变为hcp （六角密积）结构（马氏体相变），假如在此相变过程中保持密度不变，求hcp 相的点阵常数a, 已知bcc 相的点阵常数是4.23Å，且hcp 相的c/a 比值与理想值相同。

1.3 已知NaCl 是立方晶体，其分子量为58.46，在室温下密度是2167kg/m 3，试计算NaCl 结构的点阵常数。

1.4 已知正交晶系一晶胞的边长之比为1:1:2，画出该晶胞，在其中标出（321）晶面和[321]晶向，并求出（321）晶面法向与[321]晶向的夹角。

1.5 证明简单六角点阵（hkl ）平面的面间距d 为
22
2222341c
l a hk k h d +++= 式中hkl 为密勒指数，a, a, c 为固体物理原胞三个基矢的长度。

1. 设晶体中的每个振子的零点振动能.试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。

()()()000012mE E g d E ωωωωωω==⎰将和()22332s V g v ωωπ=代入积分有402339168m m s V E N v ωωπ==，由于098m B D B D k E Nk ωθθ==得 一股晶体德拜温度为~210K ，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．2. 试画出二维长方格子的第一、第二布里渊区.3. 证明：在磁场中运动的布洛赫电子，在K 空间中,轨迹面积A n 和在r 空间的轨迹面积S n之间的关系A n= (qB hc)2S n()d k d rc qv B q B dt dt⋅=-⨯=--⋅解： dk qB dr dt c dt∴=⋅ t k qBr c两边对积分,即 =22()()n n A r c S k qB∴== 4. 证明：面心立方晶格的倒格子为体心立方. 解：面心立方晶格的基矢为()()()a a aa j ,b ,c 222k i k i j =+=+=+ 则面心立方原胞体积3V []4a abc ⋅⨯==a 2bc V π*⨯=面心立方倒格矢 ()()2384a i k i j a π=⋅+⨯+()ai j k π-++2=()b a i j k π*=-+2同理： ，()ac i j k π*=+-2 a b c ***显然，，为体心立方原胞基矢，因此面心立方晶格倒格子为体心立方 5. 证明：根据倒格子的定义证明简单立方格子体积与其倒格子体积成反比解:设简单立方晶格常数为a ，则基矢为a ,b ,c ,V a ai a j ak ===3体积=其倒格矢2312b 2a a i V aππ⨯==，3122b 2a a j V a ππ⨯==，1232b 2a a k V a ππ⨯== 则倒格子体积()31232[]V b b b Vπ*=⋅⨯=6. 是否存在与库伦力无关的晶型，为什么？答：不存在与库仑力无关的晶型，因为①共价结合中电子虽不能脱离电负性 的原子，但靠近的两个原子各给出一个电子，形成电子共有的形状，位于两原子之间通过库仑力把两个原子结合起来。

·考试时间120 分钟试题Array班级学号姓名一、简答题（共65分）1.名词解释：基元，空间点阵，复式格子，密堆积，负电性。

（10分）2.氯化钠与金刚石是复式格子还是单式格子，各自的基元中包含多少原子？分别是什么原子？（6分）3.在固体物理中为什么要引入“倒空间”的概念？（5分）4.在晶体的物相分析中，为什么使用X光衍射而不使用红外光？（5分）5.共价键的定义和特点是什么？（4分）6.声子有哪些性质？（7分）7.钛酸锶是一种常见的半导体材料，当产生晶格振动时，会形成多少支格波，其中声学支和光学支格波各多少支？（5分）8.晶格振动的Einsten模型在高温和低温下都与实验定律符合吗？为什么？（5分）9.试画出自由电子和近自由电子的D～En关系图，并解释二者产生区别的原因。

（8分）10.费米能级E f的物理意义是什么？在绝缘体中费米能级处在导带、禁带、价带的哪个中？两块晶体的费米能级本来不同，E f1≠E f2，当两块晶体紧密接触后，费米能级如何变化？（10分）二、计算题（共35分）1．铜靶发射λ=0.154nm的X射线入射铝单晶（面心立方结构），如铝（111）面一级布拉格反射角θ=19.2º，试据此计算铝（111）面族的面间距d与铝的晶格常数a。

（10分）2．图示为二维正三角形晶格，相邻原子间距为a。

只计入最近邻相互作用，使用紧束缚近似计算其s能带E（k）、带中电子的速度v（k）以及能带极值附近的有效质量m*。

（15分）提示：使用尤拉公式化简3．用Debye模型计算一维单式晶格的热容。

（10分）参考答案一、简答题（共65分）1. （10分）答：基元：组成晶体的最小结构单元。

空间点阵：为了概括晶体结构的周期性，不考虑基元的具体细节，用几何点把基元抽象成为一点，则晶体抽象成为空间点阵。

复式格子：晶体由几种原子组成，但各种原子在晶体中的排列方式都是相同的（均为B格子的排列），可以说每一种原子都形成一套布拉菲子格子，整个晶体可以看成是若干排列完全相同的子格子套构而成。

大学固体物理试题及答案一、选择题（每题5分，共20分）1. 下列关于晶体结构的描述，错误的是：A. 晶体具有规则的几何外形B. 晶体内部的原子排列是无序的C. 晶体具有各向异性D. 晶体具有固定的熔点答案：B2. 固体物理中，描述电子在晶格中运动的方程是：A. 薛定谔方程B. 牛顿运动方程C. 麦克斯韦方程D. 热力学第一定律答案：A3. 固体中，电子能带的宽度与下列哪个因素有关？A. 电子的电荷B. 电子的质量C. 晶格的周期性D. 电子的自旋答案：C4. 金属导电的原因是：A. 金属内部存在自由电子B. 金属内部存在空穴C. 金属内部存在离子D. 金属内部存在分子答案：A二、填空题（每题5分，共20分）1. 晶体的周期性结构可以用_________来描述。

答案：晶格常数2. 能带理论中，电子在能带之间跃迁需要吸收或释放_________。

答案：光子3. 根据泡利不相容原理，一个原子轨道内最多可以容纳_________个电子。

答案：24. 半导体的导电性介于金属和绝缘体之间，其原因是半导体的_________较窄。

答案：能带间隙三、简答题（每题10分，共30分）1. 简要说明什么是费米能级，并解释其在固体物理中的重要性。

答案：费米能级是指在绝对零度时，电子占据的最高能级。

在固体物理中，费米能级是描述电子分布状态的重要参数，它决定了固体的导电性、磁性等物理性质。

2. 解释为什么金属在常温下具有良好的导电性。

答案：金属具有良好的导电性是因为其内部存在大量的自由电子，这些电子可以在电场作用下自由移动，形成电流。

3. 什么是超导现象？请简述其物理机制。

答案：超导现象是指某些材料在低于某一临界温度时，电阻突然降为零的现象。

其物理机制与电子之间的库珀对形成有关，这些库珀对在低温下能够无阻碍地流动，从而实现零电阻。

四、计算题（每题15分，共30分）1. 假设一个一维晶格，晶格常数为a，电子的有效质量为m*，求电子在第一能带的最低能级。

固体物理试题及答案一、选择题（每题2分，共10分）1. 固体物理中，晶体的周期性结构是通过哪种方式描述的？A. 电子云B. 原子轨道C. 布洛赫定理D. 费米面答案：C2. 以下哪种材料不属于半导体材料？A. 硅B. 锗C. 铜D. 砷化镓答案：C3. 在固体物理中，能带理论描述的是：A. 电子在固体中的自由运动B. 电子在固体中的局域化C. 电子在固体中的能级分布D. 电子在固体中的跃迁过程答案：C4. 固体中的声子是：A. 一种基本粒子B. 一种准粒子C. 一种实际存在的粒子D. 一种不存在的粒子答案：B5. 以下哪种效应与超导现象无关？A. 迈斯纳效应B. 约瑟夫森效应C. 霍尔效应D. 量子隧穿效应答案：C二、填空题（每题2分，共20分）1. 固体物理中，描述电子在周期性势场中的运动的定理是______。

答案：布洛赫定理2. 固体中的能带结构是由______决定的。

答案：电子波函数3. 在固体中，电子的费米能级是______。

答案：电子占据的最高能级4. 固体中的电子输运性质可以通过______来描述。

答案：电导率5. 固体中的晶格振动可以用______来描述。

答案：声子6. 固体中的电子-声子相互作用会导致______。

答案：电子散射7. 固体中的能隙是指______。

答案：价带顶部和导带底部之间的能量差8. 超导体的临界温度是指______。

答案：超导相变发生的温度9. 固体中的霍尔效应是由于______。

答案：电子在磁场中的偏转10. 固体中的磁阻效应是由于______。

答案：电子在磁场中的运动受到阻碍1. 简述固体物理中能带理论的基本思想。

答案：能带理论的基本思想是将固体中的电子视为在周期性势场中运动的量子粒子。

由于周期性势场的存在，电子的能级不再是离散的，而是形成了连续的能带。

这些能带决定了固体的电子结构和性质，如导电性、磁性和光学性质等。

2. 描述固体中的声子是如何产生的。

答案：固体中的声子是由于晶格振动的量子化而产生的准粒子。

一、填空题1. 晶格常数为a 的立方晶系 (hkl)晶面族的晶面间距为a该(hkl)晶面族的倒格子矢量hkl G 为 k al j a k i a h πππ222++ 。

2. 晶体结构可看成是将 基元 按相同的方式放置在具有三维平移周期性的 晶格 的每个格点构成。

3. 晶体结构按晶胞形状对称性可划分为 7 大晶系，考虑平移对称性晶体结构可划分为 14 种布拉维晶格。

4. 体心立方（bcc ）晶格的结构因子为 []{})(ex p 1l k h i f S hkl ++-+=π ，其衍射消光条件是 奇数=++l k h 。

5. 与正格子晶列[hkl]垂直的倒格子晶面的晶面指数为 (hkl) ，与正格子晶面（hkl ）垂直的倒格子晶列的晶列指数为 [hkl] 。

6. 由N 个晶胞常数为a 的晶胞所构成的一维晶格，其第一布里渊区边界宽度为 a /2π ，电子波矢的允许值为 Na /2π 的整数倍。

7. 对于体积为V,并具有N 个电子的金属, 其波矢空间中每一个波矢所占的体积为 ()V /23π ，费米波矢为 3/123⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=V N k F π 。

8. 按经典统计理论，N 个自由电子系统的比热应为 B Nk 23 ，而根据量子统计得到的金属三维电子气的比热为F B T T Nk /22 ，比经典值小了约两个数量级。

9．在晶体的周期性势场中，电子能带在 布里渊区边界 将出现带隙，这是因为电子行波在该处受到 布拉格反射 变成驻波而导致的结果。

10. 对晶格常数为a 的简单立方晶体,与正格矢R =a i +2a j +2a k 正交的倒格子晶面族的面指数为 (122) , 其面间距为 .11. 铁磁相变属于典型的 二级 相变，在居里温度附近，自由能连续变化，但其 一阶导数（比热） 不连续。

12. 晶体结构按点对称操作可划分为 32 个点群，结合平移对称操作可进一步划分为 230 个空间群。

13．等径圆球的最密堆积方式有 六方密堆（hcp ） 和 面心立方密堆（fcc ） 两种方式，两者的空间占据率皆为74%。

第一章 晶体结构习题2010.3.151. 画出下列晶体的惯用元胞和布拉菲格子，写出它们的初基元胞基矢表达式，指明各晶体的结构及两种元胞中的原子个数和配位数。

(1) 氯化钠 （2）硅 （3）砷化镓2. 对于六角密积结构，初基元胞基矢为→1a =→→+j i a 3(2) →→→+-=j i a a 3(22)求其倒格子基矢，并判断倒格子也是六角的。

3．用倒格矢的性质证明，立方晶格的[hkl]晶向与（hkl ）晶面垂直。

4. 若轴矢→→→c b a 、、构成简单正交系，证明。

晶面族（hkl ）的面间距为2222)()()(1c l b k a h hkld++=证：对于正交晶系，晶胞基矢相互垂直，但晶格常数c b a ≠≠. 设沿晶轴的单位矢量分别为k j i,,，则正格子基矢为：倒格子基矢为：k cc j b b i aa πππ2,2,2***===与晶面族()hkl 正交的倒格矢为：***cl b k a h K hkl++=由晶面间距与倒格矢的关系式：hkl hkl K d π2=得：21222-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=c l b k a h d hkl（2分）c b a ,,k c c j b b i a a ===,,5．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。

6. 能量为150eV 的电子束射到镍粉末上，镍是面心立方晶格，晶格常数为3.25×10-10m,求最小的布拉格衍射角。

附：1eV=1.602×10-19J, h=6.262×10-34J ·s, c=2.9979×108m/s7．试证明：1〕劳厄方程与布拉格公式是一致的； 2〕劳厄方程亦是布里渊区界面方程；1） 证：lk a k k a h k a πππ222321=∆⋅=∆⋅=∆⋅ijj i a b πδ2=⋅ 321b k b k b h G++=02)(222'=+⋅=+=+=∆G G k k G k k G k G k22sin 2)90cos(2GG k G G k ==-θθ（2分）（2分）8．Ewald 反射球是在哪种空间画的，如何画？起什么作用？倒格子空间（波矢空间）形象展示衍射最大条件（Laue 方程的几何描述）λθλθn d ndd d hkl hkl ===sin 2sin 2λπππθλπθ2,22sin 222/sin ===∴=k Gd d G k hklhkl9. 原子散射因子和几何结构因子是如何表示的，它的物理意义如何？与哪些因素有关？原子形状因子反映一个原子对于（HKL ）布拉格(Bragg)衍射的衍射能力大小。

固体物理试题库及答案一、单项选择题1. 固体物理中，描述原子间相互作用势能的函数称为（）。

A. 势能函数B. 势函数C. 势能势函数D. 相互作用势函数答案：D2. 固体中电子的能带结构是由（）决定的。

A. 原子核B. 电子C. 原子D. 晶格答案：D3. 在固体中，声子是（）的量子化。

A. 电子B. 光子C. 声波D. 晶格振动答案：D4. 金属中的自由电子近似描述了（）。

A. 金属的导电性B. 金属的磁性C. 金属的热导性D. 金属的塑性答案：A5. 能带理论中，价带和导带之间的区域称为（）。

A. 能隙B. 能带C. 能级D. 能区答案：A二、多项选择题1. 下列哪些因素会影响固体的电子能带结构？（）A. 晶格类型B. 原子排列方式C. 原子核外电子排布D. 温度答案：ABCD2. 固体物理中，以下哪些现象可以通过声子来解释？（）A. 热传导B. 电导C. 光导D. 热膨胀答案：AD3. 固体中的电子输运性质可以通过哪些参数描述？（）A. 电子迁移率B. 电子密度C. 电子亲和力D. 电子浓度答案：ABD三、填空题1. 固体物理中，晶格的周期性势场可以用______函数来描述。

答案：周期性2. 固体中的电子能带是由______决定的。

答案：晶格周期性3. 在固体中，电子的波函数是______的。

答案：布洛赫4. 固体中的电子跃迁通常伴随着______的产生或湮灭。

答案：声子5. 金属的导电性是由______电子提供的。

答案：自由四、简答题1. 简述能带理论的基本原理。

答案：能带理论的基本原理是，固体中的电子在周期性晶格势场中运动，其波函数满足布洛赫定理，即波函数可以写成平面波与周期函数的乘积形式。

由于晶格的周期性，电子的能级形成连续的能带，不同能带之间存在能隙。

电子在能带中的分布决定了固体的导电性、磁性等物理性质。

2. 描述声子在固体物理中的作用。

答案：声子是晶格振动的量子化，它们在固体物理中扮演着重要角色。

固体物理学题库⼀、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2,2,1,2,3)0i j ij i j a b i j i j ππδ=??===?≠?r r 当时（，当时关系的123,,b b b r r r 为基⽮，由112233h K hb h b h b =++r r r r 构成的点阵，称为_______。

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________________。

1， 设晶体中每个振子的零点振动能为12ω，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。

()()()000012mE E g d E ωωωωωω==⎰将和()22332s V g v ωωπ=代入积分有402339168m m s V E N v ωωπ==，由于098m B D B D k E Nk ωθθ==得 一股晶体德拜温度为~210K ，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． 2，根据k aπ=±状态简并微扰结果，求出与E -及E +相应的波函数ψ-及ψ+?，并说明它们的特性．说明它们都代表驻波，并比较两个电子云分布2ψ说明能隙的来源(假设n V =*n V )。

＜解＞令k aπ=+，k aπ'=-，简并微扰波函数为00()()k k Ax B x ψψψ=+ 0*()0n E k E A V B ⎡⎤-+=⎣⎦()00n V A E k E B '⎡⎤+-=⎣⎦ 取E E +=带入上式，其中0()n E E k V +=+V(x)<0,0n V <,从上式得到B= -A,于是0()()n n i x i x a a kk A x x ee ππψψψ-'+⎡⎤⎡⎤=-=-⎢⎥⎣⎦⎣⎦n x a π取E E -=，0()n E E k V -=- ,n n V A V B A B =-=得到0()()n n i x i x a akk A x x e e ππψψψ-'-⎡⎤⎡⎤=-=-⎥⎣⎦⎦n x a π 由教材可知，+ψ及-ψ均为驻波． 在驻波状态下，电子的平均速度()k ν为零．产生驻波因为电子波矢n k a π=时，电子波的波长22a k nπλ==，恰好满足布拉格发射条件，这时电子波发生全反射，并与反射波形成驻波由于两驻波的电子分布不同，所以对应不同代入能量。