固体物理 习题解答 第一章
《固体物理学》房晓勇主编教材-习题解答参考01第一章 晶体的结构
a1 ⋅ n = h1d , a2 ⋅ nh2 d , a3 ⋅ n = h3d ,
假定 h1 , h2 , h3 不是互质的数，则有公约数 p，且 p>1；设 k1 , k2 , k3 为互质的三个数，满足
h1 h2 h3 = = =p k1 k2 k3
则有
a1 ⋅ n = k1 pd , a2 ⋅ nk2 pd , a3 ⋅ n = k3 pd ,
a2 a3 a1
（1）按基矢 a1 , a2 , a3 在空间作重复平移，就可得到它的布喇菲格子，因为此晶体是简单格子，因此 晶体中原子位置可以认为与格点重合。由右图可见，它是体心立方布喇菲格子，属于立方晶系。
−27 3 （2）原胞体积 Ω = a1 • a2 × a3 = 3i • ⎡3 j ×1.5 i + j + k ⎤ = 13.5 × 10 m
3 (i − j + k ) 2 3 (i + j − k ) 2
a3 = a + b − c =
a1 , a2 , a3 对应体心立方结构. a1 , a2 , a3 满足选作基矢的充分条件.可见基矢为, a1 = 3i ， a 2 = 3j ， a 3 = 1.5(i + j + k ) ,的晶体为体心立方结构.
（ 3 ）在面心立方的结晶学原胞中，设原子半径为 R ，则原胞的晶体学常数
a = 2 2 R ，则面心立方的致密度为：
4 4 4 ⋅ πR 3 2 ⋅ πR 3 3 α = 33 = = a (2 2 R) 3 2π 6
（4）在六角密积的结晶学原胞中，设原子半径为 R ，则原胞的 晶体学常数 a = 2 R ， c = ( 2 6 / 3) a = (4 6 / 3) R ，则六角密积的致 密度为：
《固体物理学答案》第一章晶体的结构
第一章、 晶体的结构习 题1． 以刚性原子球堆积模型，计算以下各结构的致密度分别为： （1）简立方，6π; （2）体心立方, ;83π （3）面心立方，;62π （4）六角密积，;62π （5）金刚石结构，;163π [解答]设想晶体是由刚性原子球堆积而成，一个晶胞中刚性原子球占据的体积与晶胞体积的比值称为结构的致密度，设 n 为一个晶胞中的刚性原子球数,r 表示刚性原子球半径，V 表示晶胞体积，则致密度ρ=Vr n 334π（1） 对简立方晶体，任一个原子有6个最近邻，若原子以刚性球堆积，如图1.2所示，中心在1，2，3，4处的原子球将依次相切，因为,,433a V r a ==面1.2 简立方晶胞 晶胞内包含1个原子，所以ρ=6)(33234ππ=aa（2）对体心立方晶体，任一个原子有8个最近邻，若原子刚性球堆积，如图1.3所示，体心位置O 的原子8个角顶位置的原子球相切，因为晶胞空间对角线的长度为,,433a V r a ==晶胞内包含2个原子，所以ρ=ππ83)(*2334334=a a图1.3 体心立方晶胞（3）对面心立方晶体，任一个原子有12个最近邻，若原子以刚性球堆积，如图 1.4所示，中心位于角顶的原子与相邻的3个面心原子球相切，因为3,42a V r a ==，1个晶胞内包含4个原子，所以ρ=62)(*4334234ππ=a a .图1.4面心立方晶胞（4）对六角密积结构，任一个原子有12个最近邻，若原子以刚性球堆积，如图1。
5所示，中心在1的原子与中心在2，3，4的原子相切，中心在5的原子与中心在6，7，8的原子相切，图 1.5 六角晶胞 图 1.6 正四面体晶胞内的原子O 与中心在1，3，4，5，7，8处的原子相切，即O 点与中心在5，7，8处的原子分布在正四面体的四个顶上，因为四面体的高h =223232c r a == 晶胞体积 V = 222360sin ca ca =, 一个晶胞内包含两个原子，所以ρ=ππ62)(*22233234=ca a .（5）对金刚石结构，任一个原子有4个最近邻，若原子以刚性球堆积，如图1.7所示，中心在空间对角线四分之一处的O 原子与中心在1，2，3，4处的原子相切，因为,83r a =晶胞体积 3a V =,图1.7金刚石结构一个晶胞内包含8个原子，所以ρ=163)83(*83334ππ=aa . 2．在立方晶胞中，画出（102），（021），（122-），和（201-）晶面。
固体物理答案第一章
bc
2π
b
c
2π
i
Ω
a bc a
同理
b
2π
j
b
c
2π
k
c
khkl
2π
h a
i
k b
j
l c
k
khkl
2π
h
2
k
2
l
2
a b c
d hkl
3π 16
32
a
图1.6 金刚石结构
1.7 证明：用半径不同的两种硬球构成下列稳定结构时小球半 径和大球半径之比值分别为
(1)体心立方（配位数为８）：1 r / R 0.73 ； (2)简单立方（配位数为６）：0.73 r / R 0.41 ； (3)正四面体结构（配位数为４）：0.41 r / R 0.23 ； (4)层状结构（配位数为３）：0.23 r / R 0.16 。
z
z
2 10
131
o
y
x
x
o
y
1.3 若基矢 a,b,c 构成简单正交系，试证明，晶面族（hkl）
的面间距为
dhkl
1 h 2 k 2 l 2 a b c
并说明面指数简单的晶面，其面密度比较大，容易解理。
证明：设
a,b,c
第一章 晶体结构和X射线衍射
1.1 指出立方晶格（111）面与（110）面的交线的晶向。
解: 立方晶格（111）面与（110）面的交线为AB，其等效
固体物理学_答案(黄昆 原著 韩汝琦改编)
《固体物理学》习题解答黄昆 原著 韩汝琦改编 （陈志远解答，仅供参考）第一章 晶体结构1.1、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 ∴52.06r 8r34a 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 374.062)r 22(r 344a r 344x 3333≈π=π⨯=π⨯= （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 74.062r224r346x 33≈π=π⨯= （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 334.063r 338r 348a r 348x 33333≈π=π⨯=π⨯=1.2、试证：六方密排堆积结构中633.1)38(a c 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。
固体物理参考答案(前七章)
固体物理习题参考答案（部分）第一章 晶体结构1.氯化钠：复式格子，基元为Na +，Cl -金刚石：复式格子，基元为两个不等价的碳原子 氯化钠与金刚石的原胞基矢与晶胞基矢如下：原胞基矢)ˆˆ()ˆˆ()ˆˆ(213212211j i a a i k a a k j a a +=+=+= ， 晶胞基矢 ka a j a a ia a ˆˆˆ321===2. 解：31A A O '：h:k;l;m==-11:211:11:111:1:-2:1 所以（1 1 2 1） 同样可得1331B B A A ：（1 1 2 0）； 5522A B B A ：（1 1 0 0）；654321A A A A A A ：（0 0 0 1）3.简立方： 2r=a ，Z=1,()63434r 2r a r 3333πππ===F体心立方：()πππ833r4r 342a r 3422a 3r 4a r 4a 33333=⨯=⨯=∴===F Z ，，则面心立方：()πππ622r 4r 34434442r 4a r 4a 233ar 33=⨯=⨯=∴===F Z ，，则 六角密集：2r=a, 60sin 2c a V C = a c 362=,πππ622336234260sin 34223232=⨯⨯⨯=⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛a a c a r F a金刚石：()πππ163r 38r 348a r 3488Z r 8a 33333=⨯=⨯===F ，， 4. 解：'28109)31arccos(312323)ˆˆˆ()ˆˆˆ(cos )ˆˆˆ()ˆˆˆ(021*******12211=-=-=++-⋅+-=⋅=++-=+-=θθa a k j i a k j i a a a a a kj i a a kj i a a 5.解：对于（110）面：2a 2a a 2S =⋅=所包含的原子个数为2，所以面密度为22a2a22=对于（111）面：2a 2323a 22a 2S =⨯⨯= 所包含的原子个数为2，所以面密度为223a34a 232=8.证明：ABCD 是六角密堆积结构初基晶胞的菱形底面，AD=AB=a 。
固体物理第1章 参考答案
第一章 参考答案1体心立方格子和面心立方格子互为正倒格子，试证明之。
证：体心立方格子的固体物理学原胞（Primitive cell ）的三个基矢是)(2),(2),(2321→→→→→→→→→→→→-+=+-=++-=k j i a a k j i a a k j i a a ⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫+=+=+==⨯⋅=ΩΩ⨯=Ω⨯=Ω⨯=→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→)(2)(2)(22122,2:3213321213132321j i a b i k a b k j ab aa a a a ab a a b a a b ππππππ定义它们是倒点阵面心立方的三个基矢。
2 对六角密堆积结构固体物理学原胞基矢如→→→→→→→→=+-=+=kc a ja i a a j a i a a 321232232求倒格子基矢。
解：;,213→→→⊥a a a→→→→→→→→+-=+===ja i a a ja i a a a a a 2322322121)33(32)32(22332123213→→→→→→→→→→→→+=+Ω=Ω⨯==⨯⋅=Ω=j i aac a i ac j a a b ca aa a a kc a πππ ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=Ω⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=→→→→→j i a a a b 3332/2132ππ→→→→=Ω⎪⎭⎫⎝⎛⨯=kc a a b ππ2/22133求解简单立方中晶面指数为(hkl)的晶面簇间距。
解：正格子基矢是 →→→→→→===k a c j a b i a a ,,令 为相应的倒基矢→→→***,,c b a21222***,,3***)()()(2222)(222-→→→→→→→→→→→→→→→→→⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==++=++==⨯⋅=Ω===a l a k ahK d kl a j k a i h a c l b k a h K a c b a kac j ab i aa hklnkl l k h πππππππ4 试证明六角密集结构中c/a=如图所示，ABC 分别表示六角密排结构中三个原子，D 表示中心的原子。
固体物理课后习题答案
(
)
⎞ 2π k⎟= −i + j + k 同理 ⎠ a
(
)
(
)
(
)
2π ⎧ ⎪b1 = a −i + j + k ⎪ 2π ⎪ i− j+k ⎨b 2 = a ⎪ 2π ⎪ ⎪b3 = a i + j − k ⎩
(
)
(
)
(
)
由此可得出面心立方格子的倒格子为一体心立方格子； 所以体心立方格子和面心立方格子互为正倒格子。 2.2 在六角晶系中，晶面常用四个指数（hkil）来表示，如图 所示，前三个指数表示晶面族中最靠近原点的晶面在互成 1200的 共面轴 a1 , a2 , a3 上的截距为
设两法线之间的夹角满足
K 1 i K 2 = K1 i K 2 cos γ
K 1iK 2 cos γ = = K1 i K 2 2π 2π (h1 i + k1 j + l1 k )i (h2 i + k2 j + l2 k ) a a 2π 2π 2π 2π (h1 i + k1 j + l1 k )i (h1 i + k1 j + l1 k ) i (h2 i + k2 j + l2 k )i (h2 i + k2 j + l2 k ) a a a a
a1 a2 a3 , , ，第四个指数表示该晶面 h k i
在六重轴c上的截距为
c 。证明： l
i = −(h + k )
并将下列用（hkl）表示的晶面改用（hkil）表示：
2
第一章 晶体的结构
( 001) , (133) , (110 ) , ( 323) , (100 ) , ( 010 ) , ( 213) .
固体物理 课后答案
第一章、晶体的结构习题1．以刚性原子球堆积模型，计算以下各结构的致密度分别为：（1）简立方，6π; （2）体心立方, ;83π（3）面心立方，;62π（4）六角密积，;62π（5）金刚石结构，;163π[解答]设想晶体是由刚性原子球堆积而成，一个晶胞中刚性原子球占据的体积与晶胞体积的比值称为结构的致密度，设n为一个晶胞中的刚性原子球数,r表示刚性原子球半径，V表示晶胞体积，则致密度ρ=Vrn334π（1）对简立方晶体，任一个原子有6个最近邻，若原子以刚性球堆积，如图1.2所示，中心在1，2，3，4处的原子球将依次相切，因为,,433aVra==面1.2 简立方晶胞晶胞内包含1个原子，所以ρ=6)(33234ππ=aa（2）对体心立方晶体，任一个原子有8个最近邻，若原子刚性球堆积，如图1.3所示，体心位置O的原子8个角顶位置的原子球相切，因为晶胞空间对角线的长度为,,433aVra==晶胞内包含2个原子，所以ρ=ππ83)(*2334334=aa图1.3 体心立方晶胞（3）对面心立方晶体，任一个原子有12个最近邻，若原子以刚性球堆积，如图 1.4所示，中心位于角顶的原子与相邻的3个面心原子球相切，因为3,42a V r a ==，1个晶胞内包含4个原子，所以ρ=62)(*4334234ππ=a a .（4）对六角密积结构，任一个原子有12个最近邻，若原子以刚性球堆积，如图1。
5所示，中心在1的原子与中心在2，3，4的原子相切，中心在5的原子与中心在6，7，8的原子相切，图 1.5 六角晶胞 图 1.6 正四面体晶胞内的原子O 与中心在1，3，4，5，7，8处的原子相切，即O 点与中心在5，7，8处的原子分布在正四面体的四个顶上，因为四面体的高h =223232c r a == 晶胞体积 V = 222360sin ca ca =, 一个晶胞内包含两个原子，所以ρ=ππ62)(*22233234=ca a .（5）对金刚石结构，任一个原子有4个最近邻，若原子以刚性球堆积，如图1.7所示，中心在空间对角线四分之一处的O原子与中心在1，2，3，4处的原子相切，因为,8 3r a=晶胞体积3aV=,一个晶胞内包含8个原子，所以ρ=163)83(*83334ππ=aa.2．在立方晶胞中，画出（102），（021），（122-），和（201-）晶面。
固体物理学1~6章习题解答
和a3
重合，那么
1.3
二维布拉维点阵只有5种，试列举并画图表示之。
答：二维布拉维点阵只有五种类型：正方、矩形、六角、有心矩形和斜方。分别如图所示：
正方 六方 矩形 带心矩形 平行四边形 a=b a=b a=b a≠b a≠b a^b=90° a^b=90° a^b=120° a^b=90° a^b≠90°
1.4 在六方晶系中，晶面常用4个指数（hkil）来表示，如图所示，前3个指数表示晶面族中最靠近原点的晶面在互成120°的共平面轴a1，a2，a3上的截距a1/h，a2/k，a3/i，第四个指数表示该晶面的六重轴c上的截距c/l.证明：i=-（h+k） 并将下列用（hkl）表示的晶面改用（hkil）表示：（001）(133)(110)(323)（100）（010）(213)
《固体物理学》习题解答
第一章
1.1 有许多金属即可形成体心立方结构，也可以形成面心立方结构。从一种结构转变为另一种结构时体积变化很小.设体积的变化可以忽略，并以Rf和Rb代表面心立方和体心立方结构中最近邻原子间的距离，试问Rf/Rb等于多少？
答：由题意已知，面心、体心立方结构同一棱边相邻原子的距离相等，都设为a：
答：证明
设晶面族（hkil）的晶面间距为d，晶面法线方向的单位矢量为n°。因为晶面族（hkil）中最靠近原点的晶面ABC在a1、a2、a3轴上的截距分别为a1/h，a2/k，a3/i，因此
对于面心立方，处于面心的原子与顶角原子的距离为：Rf
=a 2
对于体心立方，处于体心的原子与顶角原子的距离为：Rb
RfRb
那么，
1.2 晶面指数为（123）的晶面ABC是离原点O最近的晶面，OA、OB和OC分别与基失a1，a2和a3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？
固体物理第1.参考答案与解析
第一章 参考答案1体心立方格子和面心立方格子互为正倒格子，试证明之。
证：体心立方格子的固体物理学原胞（Primitive cell ）的三个基矢是)(2),(2),(2321→→→→→→→→→→→→-+=+-=++-=k j i a a k j i a a k j i a a ⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫+=+=+==⨯⋅=ΩΩ⨯=Ω⨯=Ω⨯=→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→)(2)(2)(22122,2:3213321213132321j i a b i k a b k j ab aa a a a ab a a b a a b ππππππ定义它们是倒点阵面心立方的三个基矢。
2 对六角密堆积结构固体物理学原胞基矢如→→→→→→→→=+-=+=kc a ja i a a j a i a a 321232232求倒格子基矢。
解：;,213→→→⊥a a a→→→→→→→→+-=+===ja i a a ja i a a a a a 2322322121)33(32)32(22332123213→→→→→→→→→→→→+=+Ω=Ω⨯==⨯⋅=Ω=j i aac a i ac j a a b ca aa a a kc a πππ ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=Ω⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=→→→→→j i a a a b 3332/2132ππ→→→→=Ω⎪⎭⎫⎝⎛⨯=kc a a b ππ2/22133求解简单立方中晶面指数为(hkl)的晶面簇间距。
解：正格子基矢是 →→→→→→===k a c j a b i a a ,,令 为相应的倒基矢→→→***,,c b a21222***,,3***)()()(2222)(222-→→→→→→→→→→→→→→→→→⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==++=++==⨯⋅=Ω===a l a k ahK d kl a j k a i h a c l b k a h K a c b a kac j ab i aa hklnkl l k h πππππππ4 试证明六角密集结构中c/a=如图所示，ABC 分别表示六角密排结构中三个原子，D 表示中心的原子。
最新固体物理(严守胜编著)-课后答案--第1章
固体物理(严守胜编著)-课后答案--第1章------------------------------------------作者xxxx------------------------------------------日期xxxx１。
1对于体积Ｖ内N 个电子的自由电子气体,证明(１)电子气体的压强()()V p 032ξ⨯=，其中0ξ为电子气体的基态能量．(2）体弹性模量()V p V K ∂∂-=为V 9100ξ 解:(１)()32352225223101101-==V N m h V m k h F πππξﻩ ﻩﻩﻩﻩ(1.1．1)()()()()()V V N m h V N mh V N m h V V p 035352223535222323522223101323231013101ξππππππξ⨯==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=∂∂-=---ﻩﻩﻩﻩ ﻩ ﻩﻩ ﻩ(1。
１。
2)(2）()()()()VV Nm h V N mh V V N m h VVV p V K 103101910353101323101320383522238352223535222ξππππππ==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=∂-=---ﻩﻩ ﻩ ﻩﻩﻩﻩ （1。
1。
3)1.２ He 3原子是具有自旋1／２的费米子。
在绝对零度附近,液体He 3的密度为0。
08１g•cm —３。
计算费米能量F ε和费米温度F T ．He 3原子的质量为g m 24105-⨯≈。
解:把 He 3原子当作负电背景下的正电费米子气体. Z=1．328322241062.11062.1105081.01m cm m Z n m ⨯=⨯=⨯⨯==--ρ (1。
２.1）()1917312108279.7108279.73--⨯=⨯==m cm n k F π(1。
2.2）()eVJ m k F F 42327293422102626.41080174.6100.52108279.710055.12----⨯=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯== εﻩ(1.2。
固体物理习题及答案
固体物理第一章习题及参考答案1．题图1－1表示了一个由两种元素原子构成的二维晶体，请分析并找出其基元，画出其布喇菲格子，初基元胞和W －S 元胞，写出元胞基矢表达式。
解：基元为晶体中最小重复单元，其图形具有一定任意性（不唯一）其中一个选择为该图的正六边形。
把一个基元用一个几何点代表，例如用B 种原子处的几何点代表（格点）所形成的格子 即为布拉菲格子。
初基元胞为一个晶体及其空间点阵中最小周期性重复单元，其图形选择也不唯一。
其中一种选法如图所示。
W －S 也如图所示。
左图中的正六边形为惯用元胞。
2.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：基矢表示式参见教材（1－5）、（1－6）、（1－7）式。
11.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。
倒空间 ↑→ji i (B)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 ca ab ππ22213正空间二维元胞（初基）如图（A ）所示，倒空间初基元胞如图（B ）所示（1）由→→21b b 、组成的倒初基元胞构成倒空间点阵，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 、构成的二维正初基元胞，与由→→21b b 、构成的倒初基元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。
12．用倒格矢的性质证明，立方晶格的（hcl ）晶向与晶面垂直。
证：由倒格矢的性质，倒格矢→→→→++=321b l b k b h G hkl 垂直于晶面（h 、k 、l ）。
固体物理习题解答
证明：设 n 为该晶面系的法线方向，密勒指数 (hkl) 与 n,a,b,c 及 d 有如下关系。
cos(a,n) d /(a h1)，cos(b,n) d /(b k1), cos(c,n) d /(c l1)
对于正交晶系， cos(a,n)2 cos(b,n)2 cos(c,n)2 1
h k l
h1 h2 h3
CD BD 0，
h3 i
h
即：( a3 h3
b) k
(a3 h3
a) h
a3 a3 h32
b a3 kh3
a3 a h3h
ba kh
0
第一章 习题
晶面在底 面截线
求解
CD BD
a3 a3 h32
b a3 kh3
a3 a h3h
ba kh
0
b k
A kj
b
C
第四章 思考题
4、一个能带有 N 个准连续能级的物理原因是什么？ 答： 能量本征值 En(k) 与 n 和 k 有关；对给定 n ，En(k) 在波矢空
间具有倒格子周期性，因此，电子波矢 k 可限制在第一布 里渊区；在周期性边界条件下， k 分立取值个数为晶体原 胞数 N； En(k)包含由于 k 的不同取值所对应的许多能级， 称为一个能带。
第一章 思考题
2、晶体结构可分成布拉菲格子和复式格子吗？
答： 可以。 以原子为结构参考点，可以把晶体分成布拉菲格子和复式格
子。 任何晶体，以基元为结构参考点，都是布拉菲格子描述。 任何化合物晶体，都可以复式格子描述？ 不是所有的单质晶体，都是布拉菲格子描述？ 单质晶体，以原子为结构参考点，也可以分成布拉菲格子和
第四章 思考题
2、周期场是能带形成的必要条件吗？
固体物理-第一章习题解答参考 ppt课件
绕对顶点联线转180度，共3条；
以上每个对称操作加上中心反演仍然为对称操作，共24个对称操作
ppt课件
4
1.2 面心立方晶格在晶胞基矢坐标系中，某一晶面族的密勒指为 (hkl)，求在
原胞基矢坐标系中，该晶面族的晶面指数。
晶胞基矢：a
ai ,
b
aj ,
c
ak
ab c
c
a1
a2
b
a3
a
与晶胞坐标系对应的倒格子基矢：
a
2
i ,b
2
j,
c
2
k
a
a
a
原胞基矢
a1
a 2
(
j
k)
a2
a 2
(i
k)
a1 a2 a3
a3
a 2
(i
熔点固定 --达到某温度时开始熔化，继续加热，在晶体没有完全熔化之前，温度不再
上升。
各向异性 -- 晶体的性质与方向有关 对称性 -- 晶体性质在某些特定方向上完全相同
非晶体 没有固定熔点、没有固定几何形状、各项同性、没有解理性
多晶体 各项同性、具有固定熔点、没有固定的几何形状、没有解理性
准晶体
ppt课件
准晶体 粒子有序排列介于晶体和非 晶体之间。但没有平移对称 性、只具有5重旋转对称性。
单晶体 粒子在整个固体中严格周期性排 列，具有严格的平移对称性、具 有8种基本点对称操作性。
多晶体 粒子在微米尺度内有序排 列形成晶粒，晶粒随机堆积
固体物理学习题解答
第一章 晶体结构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=⨯Ω31230,,22(),0,224,,022a aaa a a a a a a Ω=⋅⨯==，223,,,0,()224,,022i j ka a a a a i j k a a ⨯==-++ 213422()()4ab i j k i j k a aππ∴=⨯⨯-++=-++同理可得：232()2()b i j k ab i j k aππ=-+=+-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=⨯Ω3123,,222(),,2222,,222a 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 aππ∴=⨯⨯+=+同理可得：232()2()b i k ab i j aππ=+=+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。
1.4证明：倒格子原胞的体积为()c v /23π，其中v c 为正格子原胞的体积。
证 倒格子基矢2311232a a b a a a π⨯=⋅⨯ 3121232a a b a a a π⨯=⋅⨯ 1231232a a b a a a π⨯=⋅⨯倒格子体积*0123()v b b b =⋅⨯3*23311230(2)()()()v a a a a a a v π=⨯⋅⨯⨯⨯ 3*00(2)v v π= 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。
固体物理第一章习题解答
（2）底心立方如下图所示，它的底面原子的排列情况可看出每个原子的周围情况都是相同的，因而都是等价的，所以它的基元也由一个原子组成，是简单格子，属于四角晶系。
（3）底心四方如下图所示，每个原子的周围情况完全相同，基元中只有一个原子，属于简单格子，属于四角晶系。
C=BA
不改变这个轴，因此只能是一个绕垂直2和2’的轴的转动。V的转角可以这样求出：2轴在操作A中显然未动，经操作B将转到图中虚线所示2’’的位置，2和2’’的夹角是2 ，表明C的转角是2 。因为C也必须是点群操作之一，2 只能等于60°，90°，120°，180°。从而我们得到结论，任何点群中两个二重轴之间的夹角只能是30°，45°，60°，90°。
解：
若 （i=1,2,3）全为奇数；则点阵矢量 可以写为
由 所定义的也是一个点阵常数为2的sc点阵，但相对于上面一个sc点阵位移了一个矢量 ，这个点正好位于立方体得体心位置，上面两个sc点阵穿套起来正好是一个bcc点阵，故 或全取偶数或全取奇数所定义的是一个bcc点阵．
（2）要求 为偶数。即要求 为偶数，其中N为整数。这时，点阵矢量为
11、在六角晶系中，晶面常用四个指数（hkil）表示，如图所示，前三个指数表示晶面族中最靠近原点的晶面族在互成1200的共面轴 上的截距为 ，第四个指数表示该晶面在六重轴c上的截距为 。
求证：
并将下列用（hkl）表示的晶面用（hkil）表示： 。
证明：
解:为清楚起见图中给出了六角格子底面的格点排列情况，假设有一晶面与底面的交线为AB，它在基矢 上的截距分别为 ，假设直线AB的法线方向为 ，则
固体物理第一章习题解答
固体物理学第一章习题解答1、简述晶态、非晶态、准晶态、单晶、多晶得特征与性质。
答:晶态:内部质点在三维空间呈周期性重复排列得固体为晶体。
其特征就是原子排列具有周期性,表现为既有长程取向有序又有平移对称性。
晶态得共性质:(1)长程有序;(2)自限性与晶面角守恒;(3)各向异性;(4)固定熔点。
非晶态特点:不具有长程序。
具有短程序。
短程序包括:(1)近邻原子得数目与种类;(2)近邻原子之间得距离(键长);(3)近邻原子配置得几何方位(键角)。
准晶态就是一种介于晶态与非晶态之间得新得状态。
准晶态结构得特点:(1)具有长程得取向序而没有长程得平移对称序(周期性);(2)取向序具有周期性所不能容许得点群对称;(3)沿取向序对称轴得方向具有准周期性,由两个或两个以上不可公度得特征长度按着特定得序列方式排列。
晶体又分为单晶体与多晶体:整块晶体内原子排列得规律完全一致得晶体称为单晶体;而多晶体则就是由许多取向不同得单晶体颗粒无规则堆积而成得。
2、什么就是布喇菲格子？画出氯化钠晶体得结点所构成得布格子。
说明基元代表点构成得格子就是面心立方晶体,每个原胞包含几个格点。
答:布喇菲格子(或布喇菲点阵)就是格点在空间中周期性重复排列所构成得阵列。
布喇菲格子就是一种数学抽象,即点阵得总体,其特点就是每个格点周围得情况完全相同。
实际工作中,常就是以具体得粒子(原子、离子等)做格点,如果晶体由完全相同得一种原子组成,则由这些原子所组成得格子,称为布喇菲格子。
NaCl晶体得结点构成得布格子实际上就就是面心立方格子。
每个原胞中包含一个格点。
3、指出下列各种格子就是简单格子还就是复式格子。
(1)底心六角(在六角格子原胞底面中心存在一个原子)(2)底心立方(3)底心四方(4)面心四方(5)侧心立方(6)边心立方并指出它们分别属于十四种布拉菲格子中得哪一种？答:要决定一个晶体就是简单格子还就是复式格子,首先要找到该晶体得基元,如果基元只包含一个原子则为简单格子。
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=π体心立方68.083≈π 面心立方74.062≈π 六角密排74.062≈π 金刚石34.063≈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， 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 ∴52.06834343333====πππrra r x（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)334(3423423333≈=⨯=⨯=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 374.062)22(3443443333≈=⨯=⨯=πππr r a r x （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 74.062)22(3443443333≈=⨯=⨯=πππr r a r x （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 334.06333834834833333≈=⨯=⨯=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。
14春-固体物理-第一章练习题解答参考
a1
a2
b
a3
a
与晶胞坐标系对应的倒格子基矢：
a
2
i ,b
2
j,
c
2
k
a
a
a
原胞基矢
a1
a 2
(
j
k)
a2
a 2
(i
k)
a1 a2 a3
a3
a 2
(i
j)
与原胞坐标系对应的倒格子(体心立方)基矢：
k Gh
1 2
Gh
2
2 a
2h1k x h2 k y
2 2 a2
2h12 h22
2h1kx h2k y
a
2h12 h22
得到第一、第二布里渊界面方程,
h1 1, h2 0, k x
2
2
h1 0, h2 1, k y a
倒格子原胞基矢，
2
2 2
b1 d a2 a3 a i
j 3a
b2
2
d
a3 a1
2
a
i
2
a3
j
所以，倒格子也是正六方格子。
正六边形的对称操作： 绕中心转动：
1、 C１1个； 2、C2 1个； 3、C3 4个（60度、120度、240度、300度）；
绕对边中心的联线转180度，共3条；
晶体结构
sc
bcc
fcc
金刚石
配位数
黄昆固体物理习题解答
因此只要先求出倒格点 Ghkl ，求出其大小即可。
由正格子基矢 a = ai ， b = bj ， c = ck ，可以马上求出：
a∗ = 2π i ， b ∗ = 2π j ， c∗ = 2π k
a
b
c
因为倒格子基矢互相正交，因此其大小为
Ghkl =
(ha∗ )2 + (kb∗ )2 + (lc∗ )2 = 2π
(h)2 + (k )2 + ( l )2 abc
则带入前边的关系式，即得晶面族的面间距。 1.7 写出体心立方和面心立方晶格结构的金属中，最近邻和次近邻的原子数。若立方边长为
a ，写出最近邻和次近邻的原子间距。
答：体心立方晶格的最近邻原子数（配位数）为 8，最近邻原子间距等于 3 a ，次近邻原 2
=V0
∂2U ( ∂r2
)r0
=
N 2
[−
m(m +1)α r m+2
0
+
n(n +1)β r n+2
0
=
N 2
{−
1 r02
m2α [( r0m
−
n2β r0n
)
+
(
mα r0m
−
nβ r0n
)]}
=
N 2
[−
1 r02
m2α ( r0m
−
n2β r0n
)]
=
N 2
[−
1 r m+2
0
(m2α
−
n2β nβ
AB = a (i − j − k ) 2
c
B
b
C
O
a
OB ⋅ AB =| OB || AB | cosθ = a2 (−1) 4
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1.1对于体积V 内N 个电子的自由电子气体，证明（1）电子气体的压强()()V p 02ξ⨯=，其中0ξ为电子气体的基态能量。
（2）体弹性模量()V p V K ∂∂-=为V 9100ξ解：（1）()32352225223101101-==V N m h V m k h F πππξ（1.1.1）()()()()()V V Nm h V N m h V N m h V V p 035352223535222323522223101323231013101ξππππππξ⨯==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=∂∂-=---（1.1.2） （2）()()()()VV N m h V N m h V V N m h VVV p V K 103101910353101323101320383522238352223535222ξππππππ==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-=∂-=---（1.1.3）1.2 He 3原子是具有自旋1/2的费米子。
在绝对零度附近，液体He 3的密度为0.081g •cm -3。
计算费米能量F ε和费米温度F T 。
He 3原子的质量为g m 24105-⨯≈。
解：把 He 3原子当作负电背景下的正电费米子气体. Z=1.328322241062.11062.1105081.01m cm m Z n m ⨯=⨯=⨯⨯==--ρ（1.2.1） ()1917312108279.7108279.73--⨯=⨯==m cm n k F π（1.2.2）()eVJ m k F F 42327293422102626.41080174.6100.52108279.710055.12----⨯=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯== ε （1.2.3）K k T B F F 92.410381.1106.801742323=⨯⨯==--ε（1.2.4）1.3低温下金属钾的摩尔电子热容量的实验测量结果为1108.2--⋅=K mol TmJ C e，在自由电子气体模型下估算钾的费米温度F T 及费米面上的态密度()F g ε。
解：()F B A F B A V A e T T k N n T Tnk N n C N C 2222ππ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==（1.3.1）K TT C T k N T e B AF 332322321073.191008.210381.1210022.62⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==--ππ（1.3.2）()31463233281071.71073.1910381.1104.1232323----⨯=⨯⨯⨯⨯===m J m T k n n g F B F F εε（1.3.3）1.4铜的密度为395.8cm g m =ρ。
室温下的电阻率为cm ⋅Ω⨯=-61055.1ρ。
计算 （1）导电电子浓度；（2）驰豫时间；（3）费米能量F ε，费米速度F v ； （4）费米面上电子的平均自由程F l 。
（5）等离子体的振荡频率ωp. 解： （1）322231048.8546.6395.8110022.6-⨯=⨯⨯⨯==cm A Z N n m Aρ（1.4.1）（2）()()()s ne m ne m 14262196223122107.2101055.110602.1101048.810110.9-----⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯===ρστ（1.4.2）（3）()()11018312223121036.11036.11048.833--⨯=⨯=⨯⨯==m cm n k F ππ（1.4.3）()eVJ m k F F 05.71013.11011.921036.110055.1218312103422=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==--- ε（1.4.4）()s m m k v F F 63110341057.11011.91036.110055.1⨯=⨯⨯⨯⨯==--（1.4.5）（4）m v l F 81461025.4107.21057.1--⨯=⨯⨯⨯==τ （1.4.6） （5）等离子体的振荡频率Hzm ne ep 16021064.1⨯==εω.1.5考虑一在球形区域内密度均匀的自由电子气体，电子系统相对于等量均匀正电荷背景有一小的整体位移。
证明在这一位移下系统是稳定的，并给出这一小振动问题的特征频率。
解：（仅供参考）()2102201cos 2θk k k k k ∆+∆+=（1.5.1）E k ∆ 0k1k偶极矩强度为：()()()()()()()θθθθθπθθθπθθθπθθθπθθϕθππππππd cos sin cos 2cos 2d cos sin d cos sin d cos sin d 4cos 2d d d sin 2002022020202021221204041203202021010⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰∆+∆∆+∆++-=-+-=--=-=-=k k k k k k k kne k kk k ne k k ne k k ne k k k ne P k k k k（1.5.2）取近似，忽略k ∆的2阶以上无穷小量knek knek k nek k k k ne P ∆-=∆=∆=∆⨯-=⎰⎰3020330203020020343cos 4d cos sin cos 4d cos sin cos 22πθπθθθθπθθθθππππ（1.5.3） 电极化强度为k ne V k nek V P∆-=∆-==3034p π（1.5.4）位移电子受到的电场为00εεkne pE ∆=-=（1.5.5）在此电场下，电子受力指向平衡位置，大小正比于位移。
所以，电子在平衡位置作微小振动。
特征频率为mne p 02εω=（1.5.6）1.6在什么波长下，对于电磁波辐照，金属Al 是透明的？ 解：金属的等离子体的振荡频率为 当pωωωτ>>>,1时，金属是透明的。
2ne m στ=（1.6.1）1621210101.51≈⨯==>>σστωm ne（1.6.2）()1631122192802104.21011.910854.810602.1101.18⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==>---m ne p εωω（1.6.3）nm m c 5.781085.72104.210328168=⨯=⨯⨯<=-ππωλ（1.6.4）波长小于78.5nm 时，金属Al 是透明的。
1.7对于自由电子气体，证明电阻率张量的对角元在外加磁场时不发生变化，即横向磁阻为零。
解：()0d d =+⨯+-=τp B v E e t p时（1.7.1）JB J m e E +⨯=τσ0（1.7.2） 分量式()()()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+-=+-=+-=z x y y x z y z x x z yx y z z y x J B J B J m e E J B J B J m e E J B J B J m e E τστστσ000（1.7.3） []J E ρ=（1.7.4）[]⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=1110xyx zy z B B B B B B m e στρ（1.7.5）从上式可以看出电阻率张量的对角元在外加磁场时不发生变化，所以横向磁阻)0()()0(xx xx xx B ρρρ-为零。
1.8对于表面在z=0和z=L 之间的金属平板，假定表面相当于一无穷高的势垒， （仅供参考）（1）证明单电子波函数比例于()[]y k x k i z k y x z +exp sin（2）证明在金属内r 处的电荷密度为 ()()[]u j r 1031-=ρρ其中z k u F 2=，0ρ是波函数比例于()[]z k y k x k i z y x ++exp 时的电荷密度，1j 是一级球贝塞尔函数。
解：（1）0222=+∇E ΨΨm（1.8.1） 解得()()()z ik zik yik yik x ik x ik z z y y x x De eCeeBe e A Ψ---+++=（1.8.2）在x 、y 方向是自由空间，所以，0==C B 。
⎩⎨⎧><∞<<=L z z L z V ,000（1.8.3）⎩⎨⎧=-=⇒⎩⎨⎧=+=+∴-πn L k D De e D z L ik L ik z z1001 （1.8.4） ()()[]y k x k i z k A Ψy x z +'=exp sin（1.8.5）其中A i A 2='在z 方向取归一化条件()()()1242sin 2d 22cos 1d sin d 202020220*='=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-'=-'='=⎰⎰⎰L A k z k L A z z k A zz k A z ΨΨL zz Lz Lz L（1.8.6） 所以L A 2='（1.8.7）()()[]y k x k i z k L Ψy x z +=exp sin 2（1.8.8）（2）()()[]()()[]()()()()()()()()()()z k Lz z k k Lz k L k kz z k k Lz k L kz z k L k L k kz z k L k L k kz zk L k L k k kz Lk L k k kz Lk k L k k kz Lk k z k Lk k y k x k i z k LF F F F k F F F k F k F k F k F k k k k z k y x z F F F F F F F F F F2sin 22cos 34d 2cos 2cos 342cos d 2234d 2sin 234d cos 2sin 2234d cos d cos 2cos 234d d sin cos 2cos 2d d sin 2d d sin cos 2cos 12d d sin sin 4d d d sin exp sin 232302302303003002300200200200222022πππππππππθππθθππθθθπθθπθθθπθθπϕθθρππππππππ-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=+=-=+=+=-=-==+=⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰（1.8.9）()[]30022022034d d sin 2d d d sin exp 1Fk k z y x k Lk k L k k z k y k x k i LF Fπθθπϕθθρπππ==++=⎰⎰⎰⎰⎰（1.8.10）()()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=3203322032330sin cos 312sin 832cos 4312sin 22cos 3434u u u u z k k z z k k z z k Lz z k k Lz k L k L F F F F F F F F Fρρππππρρ（1.8.11）。