固体物理计算题共72页
固体物理题库 第一章 晶体的结构
固体物理题库第一章晶体的结构固体物理题库第一章晶体的结构第一章晶体的结构一、填空题体（每空1分后）1.晶体具有的共同性质为长程有序、自限性、各向异性。
2.对于珍立方晶体，如果晶格常数为a，它的最近邻原子间距为a，次接邻原子间距为2a，原胞与晶胞的体积比1：1，配位数为6。
3.对于体心立方晶体，如果晶格常数为a，它的最近邻原子间距为3/2a，次接邻原子间距为a，原胞与晶胞的体积比1：2，配位数为8。
4.对于面心立方晶体，如果晶格常数为a，它的最近邻原子间距为2/2a，次接邻原子间距为a，原胞与晶胞的体积比1：4，配位数为12。
5.面指数(h1h2h3)所标志的晶面把原胞基矢a1,a2,a3分割,其中最靠近原点的平面在a1,a2,a3上的截距分别为__1/h1_,_1/h2__,__1/h3_。
6.根据共同组成粒子在空间排序的有序度和对称性，液态可以分成晶体、科东俄晶体和非晶体。
7.根据晶体内晶粒排序的特点，晶体可以分成单晶和多晶。
8.常用的晶体沉积结构存有珍立方（结构）、体心立方（结构）、面心立方（结构）和六角YCl（结构）等，比如金属钠（na）就是体心立方（结构），铜（cu）晶体属面心立方结构，镁（mg）晶体属六角YCl结构。
9.对点阵而言，考虑其宏观对称性，他们可以分为7个晶系，如果还考虑其平移对称性，则共有14种布喇菲格子。
10.晶体结构的宏观等距只可能将存有以下10种元素：1，2，3，4，6，i，m，3，4，6，其中3和6不是单一制等距素，由这10种等距素对应的等距操作方式就可以共同组成32个点群。
11.晶体按照其基元中原子数的多少可分为复式晶格和简单晶格，其中简单晶格基元中有1个原子。
12.晶体原胞中所含1个格点。
13.魏格纳-塞茨原胞中含有1个格点。
二、基本概念1.原胞原胞：晶格最小的周期性单元。
2.晶胞结晶学中把晶格中能充分反映晶体等距特征的周期性单元沦为晶胞。
3.反射因子原子内所有电子在某一方向上引起的散射波的振幅的几何和，与某一电子在该方向上引起的散射波的振幅之比。
本科阶段固体物理期末重点计算题完整版
本科阶段固体物理期末重点计算题HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】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：相应的晶胞基矢都为：2. 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；面心立方：6；六角密集：6；金刚石：16。
证明：由于晶格常数为a ，所以：(1)．构成简立方时，最大球半径为2m aR =，每个原胞中占有一个原子，(2)．构成体心立方时，体对角线等于４倍的最大球半径，即：4m R ，每个晶胞中占有两个原子，(3)．构成面心立方时，面对角线等于４倍的最大球半径，即：4m R ，每个晶胞占有４个原子，(4)．构成六角密集结构时，中间层的三个原子与底面中心的那个原子恰构成一个正四面体，其高则正好是其原胞基矢c 的长度的一半，由几何知识易知3m R =c 。
固体物理重点计算题
固体物理重点计算题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,,22a a a aaa a a a a Ω=??==，223,,,0,()224,,022i j k a a aa a i j k a a ?==-++213422()()4a b 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 aa a a a a a -Ω=??=-=-，223,,,,()2222,,222i j k a a a aa 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。
1.5、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 C A C B h h h h =-=-，112233G h b h b h b =++ 利⽤2i j ij a b πδ?=，容易证明123123h h h h h h G C A G C B ?=?=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。
固体物理考试习题大全
固体物理考试习题⼤全晶体结构 20 分晶体衍射 10 分晶格振动 20分与晶体的热学性质 18分能带理论和晶体中电⼦在电场磁场中的运动 36 分⾦属电⼦论和半导体电⼦论 5—10分1. 晶体的微观结构、原胞、W-S 原胞、惯⽤单胞的概念、常见的晶体结构、晶⾯与晶向的概念，并能进⾏必要的计算；倒格⼦与布⾥渊区、晶体X 射线衍射，能计算⼏何结构因⼦和衍射极⼤条件。
2. 晶体结合的普遍特性；离⼦键结合和范德⽡⽿斯结合的结合能计算。
3. 简谐近似和最近邻近似，双原⼦链的晶格振动；周期边界条件，晶格振动的量⼦化与声⼦，⾊散关系；爱因斯坦模型和德拜模型，晶体的⽐热，零点振动能计算。
4. 经典⾃由电⼦论：电⼦运动⽅程，⾦属的直流电导，霍⽿效应，⾦属热导率。
量⼦⾃由电⼦论：能态密度，费⽶分布，费⽶能级，电⼦热容量。
5. 布洛赫定理及其证明；近⾃由电⼦近似的思想⼀维和⼆维近⾃由电⼦近似的能带计算，紧束缚近似的思想，紧束缚近似的计算（S 能带的的⾊散关系）。
理解半导体Ge 、Si 的能带结构。
6.波包的准经典运动概念，布洛赫电⼦的速度，加速度和有效质量和相应的计算，空⽳的概念；导体、半导体和绝缘体的能带解释，原⼦能级和能带的对应；朗道能级，回旋共振，德×哈斯—范×阿尔芬效应，碱⾦属和贵⾦属的费⽶⾯。
7.分布函数法和恒定外电场下玻⽿兹曼⽅程的推导。
理解电⼦声⼦相互作⽤，晶格散射和电导，电阻的来源。
8. 半导体基本的能带结构，半导体中的施主和受主杂质，P 型半导体和N 型半导体，半导体中的费⽶统计分布。
PN 结平衡势垒。
1.1 在结晶学中, 晶胞是按晶体的什么特性选取的?在结晶学中, 晶胞选取的原则是既要考虑晶体结构的周期性⼜要考虑晶体的宏观对称性.1.2六⾓密积属何种晶系? ⼀个晶胞包含⼏个原⼦?六⾓密积属六⾓晶系, ⼀个晶胞(平⾏六⾯体)包含两个原⼦.1.3在晶体衍射中，为什么不能⽤可见光？晶体中原⼦间距的数量级为1010-⽶，要使原⼦晶格成为光波的衍射光栅，光波的波长应⼩于1010-⽶. 但可见光的波长为7.6?4.0710-?⽶, 是晶体中原⼦间距的1000倍. 因此, 在晶体衍射中，不能⽤可见光.2.1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?共价结合, 形成共价键的配对电⼦, 它们的⾃旋⽅向相反, 这两个电⼦的电⼦云交迭使得体系的能量降低, 结构稳定. 但当原⼦靠得很近时, 原⼦内部满壳层电⼦的电⼦云交迭, 量⼦态相同的电⼦产⽣巨⼤的排斥⼒, 使得系统的能量急剧增⼤.2.2为什么许多⾦属为密积结构?⾦属结合中, 受到最⼩能量原理的约束, 要求原⼦实与共有电⼦电⼦云间的库仑能要尽可能的低(绝对值尽可能的⼤). 原⼦实越紧凑, 原⼦实与共有电⼦电⼦云靠得就越紧密, 库仑能就越低. 所以, 许多⾦属的结构为密积结构.3.1什么叫简正振动模式？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？为了使问题既简化⼜能抓住主要⽭盾，在分析讨论晶格振动时，将原⼦间互作⽤⼒的泰勒级数中的⾮线形项忽略掉的近似称为简谐近似. 在简谐近似下, 由N 个原⼦构成的晶体的晶格振动, 可等效成3N 个独⽴的谐振⼦的振动. 每个谐振⼦的振动模式称为简正振动模式, 它对应着所有的原⼦都以该模式的频率做振动, 它是晶格振动模式中最简单最基本的振动⽅式. 原⼦的振动, 或者说格波振动通常是这3N 个简正振动模式的线形迭加.简正振动数⽬、格波数⽬或格波振动模式数⽬是⼀回事, 这个数⽬等于晶体中所有原⼦的⾃由度数之和, 即等于3N .3.2长光学⽀格波与长声学⽀格波本质上有何差别?长光学⽀格波的特征是每个原胞内的不同原⼦做相对振动, 振动频率较⾼, 它包含了晶格振动频率最⾼的振动模式. 长声学⽀格波的特征是原胞内的不同原⼦没有相对位移, 原胞做整体运动, 振动频率较低, 它包含了晶格振动频率最低的振动模式, 波速是⼀常数. 任何晶体都存在声学⽀格波, 但简单晶格(⾮复式格⼦)晶体不存在光学⽀格波.3.3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?频率为ω的格波的(平均) 声⼦数为11)(/-=T k B e n ωω .因为光学波的频率O ω⽐声学波的频率A ω⾼, (1/-T k B O e ω )⼤于(1/-T k B A e ω ), 所以在温度⼀定情况下, ⼀个光学波的声⼦数⽬少于⼀个声学波的声⼦数⽬.3.4长声学格波能否导致离⼦晶体的宏观极化?长光学格波所以能导致离⼦晶体的宏观极化, 其根源是长光学格波使得原胞内不同的原⼦(正负离⼦)产⽣了相对位移. 长声学格波的特点是, 原胞内所有的原⼦没有相对位移. 因此, 长声学格波不能导致离⼦晶体的宏观极化.3.5你认为简单晶格存在强烈的红外吸收吗？实验已经证实, 离⼦晶体能强烈吸收远红外光波. 这种现象产⽣的根源是离⼦晶体中的长光学横波能与远红外电磁场发⽣强烈耦合. 简单晶格中不存在光学波, 所以简单晶格不会吸收远红外光波.3.6爱因斯坦模型在低温下与实验存在偏差的根源是什么?按照爱因斯坦温度的定义, 爱因斯坦模型的格波的频率⼤约为Hz 1013, 属于光学⽀频率. 但光学格波在低温时对热容的贡献⾮常⼩, 低温下对热容贡献⼤的主要是长声学格波. 也就是说爱因斯坦没考虑声学波对热容的贡献是爱因斯坦模型在低温下与实验存在偏差的根源.3.7在甚低温下, 德拜模型为什么与实验相符?在甚低温下, 不仅光学波得不到激发, ⽽且声⼦能量较⼤的短声学格波也未被激发, 得到激发的只是声⼦能量较⼩的长声学格波.长声学格波即弹性波. 德拜模型只考虑弹性波对热容的贡献. 因此, 在甚低温下, 德拜模型与事实相符, ⾃然与实验相符.4.1 波⽮空间与倒格空间有何关系? 为什么说波⽮空间内的状态点是准连续的?波⽮空间与倒格空间处于统⼀空间, 倒格空间的基⽮分别为321 b b b 、、, ⽽波⽮空间的基⽮分别为32N N / / /321b b b 、、1N , N 1、N 2、N 3分别是沿正格⼦基⽮321 a a a 、、⽅向晶体的原胞数⽬.倒格空间中⼀个倒格点对应的体积为*321) (Ω=??b b b ,波⽮空间中⼀个波⽮点对应的体积为N N b N b N b *332211)(Ω=??,即波⽮空间中⼀个波⽮点对应的体积, 是倒格空间中⼀个倒格点对应的体积的1/N . 由于N 是晶体的原胞数⽬, 数⽬巨⼤, 所以⼀个波⽮点对应的体积与⼀个倒格点对应的体积相⽐是极其微⼩的. 也就是说, 波⽮点在倒格空间看是极其稠密的. 因此, 在波⽮空间内作求和处理时, 可把波⽮空间内的状态点看成是准连续的.4.2在布⾥渊区边界上电⼦的能带有何特点?电⼦的能带依赖于波⽮的⽅向, 在任⼀⽅向上, 在布⾥渊区边界上, 近⾃由电⼦的能带⼀般会出现禁带. 若电⼦所处的边界与倒格⽮n K 正交, 则禁带的宽度)(2n K V E g =, )(n K V 是周期势场的付⾥叶级数的系数.不论何种电⼦, 在布⾥渊区边界上, 其等能⾯在垂直于布⾥渊区边界的⽅向上的斜率为零, 即电⼦的等能⾯与布⾥渊区边界正交4.3当电⼦的波⽮落在布⾥渊区边界上时, 其有效质量何以与真实质量有显著差别?晶体中的电⼦除受外场⼒的作⽤外, 还和晶格相互作⽤. 设外场⼒为F , 晶格对电⼦的作⽤⼒为F l , 电⼦的加速度为)(1l m F F a +=.但F l 的具体形式是难以得知的. 要使上式中不显含F l , ⼜要保持上式左右恒等, 则只有F a *1m =.显然, 晶格对电⼦的作⽤越弱, 有效质量m*与真实质量m 的差别就越⼩. 相反, 晶格对电⼦的作⽤越强, 有效质量m *与真实质量m 的差别就越⼤. 当电⼦的波⽮落在布⾥渊区边界上时, 与布⾥渊区边界平⾏的晶⾯族对电⼦的散射作⽤最强烈. 在晶⾯族的反射⽅向上, 各格点的散射波相位相同, 迭加形成很强的反射波. 正因为在布⾥渊区边界上的电⼦与晶格的作⽤很强, 所以其有效质量与真实质量有显著差别4.4电⼦的有效质量*m 变为∞的物理意义是什么?仍然从能量的⾓度讨论之. 电⼦能量的变化m E m E m E 晶格对电⼦作的功外场⼒对电⼦作的功外场⼒对电⼦作的功)d ()(d )(d *+=[]电⼦对晶格作的功外场⼒对电⼦作的功)d ()(d 1E E m -=.从上式可以看出，当电⼦从外场⼒获得的能量⼜都输送给了晶格时, 电⼦的有效质量*m 变为∞. 此时电⼦的加速度01*==F a m , 即电⼦的平均速度是⼀常量. 或者说, 此时外场⼒与晶格作⽤⼒⼤⼩相等, ⽅向相反.4.5紧束缚模型下, 内层电⼦的能带与外层电⼦的能带相⽐较, 哪⼀个宽? 为什么?以s 态电⼦为例. 由图5.9可知, 紧束缚模型电⼦能带的宽度取决于积分s J 的⼤⼩, ⽽积分r R r R r r r d )()]()([)(*n at s n at N at s s V V J ----=Ω的⼤⼩⼜取决于)(r at s ?与相邻格点的)(n at s R r -?的交迭程度. 紧束缚模型下, 内层电⼦的)(r at s ?与)(n at s R r -?交叠程度⼩, 外层电⼦的)(r at s ?与)(n at s R r -?交迭程度⼤. 因此, 紧束缚模型下, 内层电⼦的能带与外层电⼦的能带相⽐较, 外层电⼦的能带宽.4.6等能⾯在布⾥渊区边界上与界⾯垂直截交的物理意义是什么？将电⼦的波⽮k 分成平⾏于布⾥渊区边界的分量//k 和垂直于布⾥渊区边界的分量k ┴. 则由电⼦的平均速度)(1k E k ?=ν得到////1k E=ν,⊥⊥??=k E 1ν. 等能⾯在布⾥渊区边界上与界⾯垂直截交, 则在布⾥渊区边界上恒有⊥??k E /=0, 即垂直于界⾯的速度分量⊥ν为零. 垂直于界⾯的速度分量为零, 是晶格对电⼦产⽣布拉格反射的结果. 在垂直于界⾯的⽅向上, 电⼦的⼊射分波与晶格的反射分波⼲涉形成了驻波.5.1⼀维简单晶格中⼀个能级包含⼏个电⼦?设晶格是由N 个格点组成, 则⼀个能带有N 个不同的波⽮状态, 能容纳2N 个电⼦. 由于电⼦的能带是波⽮的偶函数, 所以能级有(N /2)个. 可见⼀个能级上包含4个电⼦.5.2本征半导体的能带与绝缘体的能带有何异同?在低温下, 本征半导体的能带与绝缘体的能带结构相同. 但本征半导体的禁带较窄, 禁带宽度通常在2个电⼦伏特以下. 由于禁带窄, 本征半导体禁带下满带顶的电⼦可以借助热激发, 跃迁到禁带上⾯空带的底部, 使得满带不满, 空带不空, ⼆者都对导电有贡献.6.1你是如何理解绝对零度时和常温下电⼦的平均动能⼗分相近这⼀点的?⾃由电⼦论只考虑电⼦的动能. 在绝对零度时, ⾦属中的⾃由(价)电⼦, 分布在费密能级及其以下的能级上, 即分布在⼀个费密球内. 在常温下, 费密球内部离费密⾯远的状态全被电⼦占据, 这些电⼦从格波获取的能量不⾜以使其跃迁到费密⾯附近或以外的空状态上, 能够发⽣能态跃迁的仅是费密⾯附近的少数电⼦, ⽽绝⼤多数电⼦的能态不会改变. 也就是说, 常温下电⼦的平均动能与绝对零度时的平均动能⼀定⼗分相近.6.2为什么温度升⾼, 费密能反⽽降低?当0≠T 时, 有⼀半量⼦态被电⼦所占据的能级即是费密能级. 温度升⾼, 费密⾯附近的电⼦从格波获取的能量就越⼤, 跃迁到费密⾯以外的电⼦就越多, 原来有⼀半量⼦态被电⼦所占据的能级上的电⼦就少于⼀半, 有⼀半量⼦态被电⼦所占据的能级必定降低. 也就是说, 温度升⾼, 费密能反⽽降低.6.3为什么价电⼦的浓度越⼤, 价电⼦的平均动能就越⼤?由于绝对零度时和常温下电⼦的平均动能⼗分相近，我们讨论绝对零度时电⼦的平均动能与电⼦浓度的关系.价电⼦的浓度越⼤价电⼦的平均动能就越⼤, 这是⾦属中的价电⼦遵从费密-狄拉克统计分布的必然结果. 在绝对零度时, 电⼦不可能都处于最低能级上, ⽽是在费密球中均匀分布. 由(6.4)式3/120)3(πn k F =可知, 价电⼦的浓度越⼤费密球的半径就越⼤,⾼能量的电⼦就越多, 价电⼦的平均动能就越⼤. 这⼀点从(6.5)和(6.3)式看得更清楚. 电⼦的平均动能E 正⽐与费密能0F E , ⽽费密能⼜正⽐与电⼦浓度3/2n :()3/22232πn m E F =,()3/2220310353πn m E E F ==.所以价电⼦的浓度越⼤, 价电⼦的平均动能就越⼤.6.4对⽐热和电导有贡献的仅是费密⾯附近的电⼦, ⼆者有何本质上的联系?对⽐热有贡献的电⼦是其能态可以变化的电⼦. 能态能够发⽣变化的电⼦仅是费密⾯附近的电⼦. 因为, 在常温下, 费密球内部离费密⾯远的状态全被电⼦占据, 这些电⼦从格波获取的能量不⾜以使其跃迁到费密⾯附近或以外的空状态上, 能够发⽣能态跃迁的仅是费密⾯附近的电⼦, 这些电⼦吸收声⼦后能跃迁到费密⾯附近或以外的空状态上.对电导有贡献的电⼦, 即是对电流有贡献的电⼦, 它们是能态能够发⽣变化的电⼦. 由(6.79)式 )(00ε+=v τe E f f f可知, 加电场后,电⼦分布发⽣了偏移. 正是这偏移)(0εv τe E f部分才对电流和电导有贡献. 这偏移部分是能态发⽣变化的电⼦产⽣的. ⽽能态能够发⽣变化的电⼦仅是费密⾯附近的电⼦, 这些电⼦能从外场中获取能量, 跃迁到费密⾯附近或以外的空状态上. ⽽费密球内部离费密⾯远的状态全被电⼦占拒, 这些电⼦从外场中获取的能量不⾜以使其跃迁到费密⾯附近或以外的空状态上. 对电流和电导有贡献的电⼦仅是费密⾯附近电⼦的结论从(6.83)式x k S x x ES v e j F ετπ?=?d 4222和⽴⽅结构⾦属的电导率E S v e k S xF ?=?d 4222τπσ看得更清楚. 以上两式的积分仅限于费密⾯, 说明对电导有贡献的只能是费密⾯附近的电⼦.总之, 仅仅是费密⾯附近的电⼦对⽐热和电导有贡献, ⼆者本质上的联系是: 对⽐热和电导有贡献的电⼦是其能态能够发⽣变化的电⼦, 只有费密⾯附近的电⼦才能从外界获取能量发⽣能态跃迁.6.5为什么价电⼦的浓度越⾼, 电导率越⾼?电导σ是⾦属通流能⼒的量度. 通流能⼒取决于单位时间内通过截⾯积的电⼦数(参见思考题18). 但并不是所有价电⼦对导电都有贡献, 对导电有贡献的是费密⾯附近的电⼦. 费密球越⼤, 对导电有贡献的电⼦数⽬就越多. 费密球的⼤⼩取决于费密半径3/12)3(πn k F =.可见电⼦浓度n 越⾼, 费密球越⼤, 对导电有贡献的电⼦数⽬就越多, 该⾦属的电导率就越⾼.6.6磁场与电场, 哪⼀种场对电⼦分布函数的影响⼤? 为什么?磁场与电场相⽐较, 电场对电⼦分布函数的影响⼤. 因为磁场对电⼦的作⽤是洛伦兹⼒, 洛伦兹⼒只改变电⼦运动⽅向, 并不对电⼦做功. 也就是说, 当只有磁场情况下, ⾮磁性⾦属中价电⼦的分布函数不会改变. 但在磁场与电场同时存在的情况下, 由于产⽣了附加霍⽿电场, 磁场对⾮磁性⾦属电⼦的分布函数的影响就显现出来. 但与电场相⽐, 磁场对电⼦分布函数的影响要弱得多.⼆. (25分)1. 证明⽴⽅晶系的晶列[hkl ]与晶⾯族(hkl )正交.2. 设晶格常数为a , 求⽴⽅晶系密勒指数为(hkl )的晶⾯族的⾯间距.三. (25分)设质量为m 的同种原⼦组成的⼀维双原⼦分⼦链, 分⼦内部的⼒系数为β1, 分⼦间相邻原⼦的⼒系数为β2, 分⼦的两原⼦的间距为d , 晶格常数为a,1. 列出原⼦运动⽅程.2. 求出格波的振动谱ω(q ).四. (30分)对于晶格常数为a 的SC 晶体1. 以紧束缚近似求⾮简并s 态电⼦的能带.2. 画出第⼀布⾥渊区[110]⽅向的能带曲线, 求出带宽.3.当电⼦的波⽮k =a πi +a πj 时,求导致电⼦产⽣布拉格反射的晶⾯族的⾯指数.⼀. 填空(20分, 每题2分)1.对晶格常数为a 的SC 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( a 32π2.典型离⼦晶体的体积为V , 最近邻两离⼦的距离为R , 晶体的格波数⽬为( 33R V), 长光学波的( 纵 )波会引起离⼦晶体宏观上的极化.3. ⾦刚⽯晶体的结合类型是典型的(共价结合)晶体, 它有( 6 )⽀格波.4. 当电⼦遭受到某⼀晶⾯族的强烈反射时, 电⼦平⾏于晶⾯族的平均速度(不为 )零, 电⼦波⽮的末端处在(布⾥渊区)边界上.5. 两种不同⾦属接触后, 费⽶能级⾼的带(正)电.对导电有贡献的是 (费⽶⾯附近)的电⼦.⼆. (25分)1.设d 为晶⾯族()hkl 的⾯间距为, n 为单位法⽮量, 根据晶⾯族的定义,晶⾯族()hkl 将c b a 、、分别截为l k h 、、等份，即 a =?n a cos (a ,n )==a cos (a ,n )=hd ,b =?n b cos (b ,n )= a cos (b ,n ) =kd ,c =?n c cos (c ,n )= a cos (c ,n ) =ld .于是有n =a d h i +a d k j +a d l k =a d(h i +k j +l k ). (1)其中, i 、j 、k 分别为平⾏于c b a 、、三个坐标轴的单位⽮量. ⽽晶列[]hkl 的⽅向⽮量为=R ha i +ka j +la k=a (h i +k j +l k ). (2)由(1)、（2）两式得n =2a dR ,即n 与R 平⾏. 因此晶列[]hkl 与晶⾯()hkl 正交.2. ⽴⽅晶系密勒指数为(hkl )的晶⾯族的⾯间距22222222l k h a al a k a h d hkl hkl ++=++==k j i K πππππ三. (25分)1.原⼦运动⽅程(2t qna i n Ae u ω-=)(12t qna i n Be u ω-+=1. 1. 格波的振动谱ω(q )＝()2/12/1222121222212sin 16422??+-±+qa m m m m ββββββ四. (30分)1. 紧束缚近似⾮简并s 态电⼦的能带()a k a k a k J C E E z y x s s ats s cos cos cos 2)(++--=k2. 第⼀布⾥渊区[110]⽅向的能带曲线[110]⽅向的能带曲线带宽为8J s 。
固体物理习题与及解答
固体物理习题与及解答固体物理习题与及解答⼀、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 ρ为 k al j a k i a h ρρρπππ222++ 。
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[]{})(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] 。
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M 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 /22π，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74%。
14. ⾯⼼⽴⽅⾯⼼⽴⽅⼩；原⼦形状因⼦反映⼀个原⼦对于衍射能⼒⼤⼩。
《固体物理学》例题与习题
—— 对应一个q有两支格波：一支声学波和一支光学波。总 的格波数目为2N
4 aq cos m 2 4 aq sin m 2
—— 两种色散关系如图所示
长波极限情况下
—— 与一维单原子晶格格波的色散关系一致
3.3质量相同两种原子形成一维双原子链，最近邻原子间的 力常数交错等于 和 ，并且最近邻的间距 处格波的频率值
可见由
2 ( j k) a
为基矢构成的格子为面心立方格子
面心立方格 子原胞基矢
倒格子基矢
2 b1 ( i j k ) a
2 b3 (i j k ) a
2 同理 b2 (i j k ) a
可见由
根据布洛赫定理 一维情形布洛赫定理
1）电子的波函数
电子的波矢
k a
2）电子的波函数
电子的波矢
k 2a
3）电子的波函数
电子的波矢
k a
4）电子的波函数
电子的波矢
k 0
4.4 用紧束缚近似求出面心立
方晶格和体心立方晶格s态原 子能级相对应的能带 函数 面心立方晶格 —— s态原子能级相对应的能带函数
1) 求出色散关系和分析计算 2) 大致画出色散关系图
绿色标记的原子位于2n-1， 2n+1， 2n+3 ……
红色标记原子位于 2n， 2n+2， 2n+4 ……
—— 第2n个原子和第2n＋1个原子的运动方程
—— 体系N个原胞，有2N个独立的方程 —— 方程的解
令
—— A、B有非零的解，系数行列式满足
势能的平均值
势能的平均值
令
a2 V m 2 96
大学固体物理试题及答案
·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。
固体物理习题带答案
第二章：原子的结合
1． 设原子间的互作用能表示为 u (r ) 态，则 n>m. 解：原子间的相互作用能为： u (r )
作用能处于极小值： 这时有
r
m
rn
。证明：要使两原子处于平衡状
r
m
rn
。若两原子处于平衡状态时，则其相互
du (r ) (m) m 1 (n) n 1 dr r r
子晶格的情形比较， 与 q 之间存在着两种不同的色散关系。一维复式晶体中可以存在两 种独立的格波。两种不同的格波的色散关系：
2 2
(m M ) 4mM {1 [1 sin 2 aq]1 / 2 } 2 mM (m M ) (m M ) 4mM {1 [1 sin 2 aq]1 / 2 } 2 mM (m M )
xn (t ) A cos(t 2 naq) 。试求格波的色散关系。
解：一维单原子链中，牛顿方程为：
n ( x n 1 xn 1 2 xn ) m x
若将其振动位移写成 xn (t )
A cos(t 2 naq) 代入牛顿方程，则有
2
2 [1 cos(2aq)] 因此其色散关系为 m
0 。 所 以 有
r0
m
r0
m 1
n
r0
n 1
。所以
m nm r0 。 n
0
r0
同
时
有
d 2u ( r ) (m)( m 1) m 2 (n)( n 1) n 2 2 dr r r
。
所
以
固体物理计算题
1.六角晶胞的基矢，求其倒格基矢。
解：晶胞体积为
其倒格矢为
2.试证面心立方晶格子是体心立方；体心立方的倒格子是面心立方.
解：设与晶轴平行的单位矢量分别为面心立方正格子的原胞基矢可取为
由倒格矢公式
可得其倒格矢为
设与晶轴平行的单位矢量分别为，体心立方正格子的原胞基矢可取为
以上三式与面心立方的倒格基矢相比较，两者只相差一常数公因子，这说明面心立方的倒格子是体心立方。
将体心立方正格子原胞基矢代入倒格矢公式则得其倒格子基矢为：
可见体心立方的倒格子是面心立方。
固体物理习题及答案
第一章1.凝聚态物质包括哪些？-液体、固体、介于其间的软物质（液晶、凝胶等）2.固体可分为哪些类型？-晶体、准晶体、非晶体3.什么是晶格？什么是晶体结构？晶体中原子的规则排列称为晶格；晶体中原子的具体排列形式称为晶体结构 。
4.常见的晶体结构有哪些？-简单立方晶体结构sc 、体心立方晶体结构bcc 、密堆晶体结构、金刚石晶体结构、NaCl 结构、CsCl 晶体结构、闪锌矿晶体结构、钙钛矿（ABO3）结构5.什么是配位数？-XX 晶体结构的配位数是多少？配位数：每个原子周围最近邻原子数；简单立方晶体结构（配位数6）、体心立方结构（8）、面心立方结构（12）、六角密堆结构（12）、金刚石晶体结构（4）6.试画出简单立方结构、体心立方结构、面心立方结构、六角密堆结构、金刚石结构等晶体结构图。
7.举例说明什么是简单晶格？什么是复式晶格？-简单晶格（布拉维格子）：所有原子完全等价，作从一个原子到另一任意原子的平移，晶格完全复原，如sc 、fcc 、bcc 结构形成的晶格；复式格子：晶格结构中，存在两种或两种以上不等价的原子或离子，作从一个原子或离子到任意一个不等价的原子或离子的平移，晶格不能复原，如hcp 结构、金刚石结构、NaCl 结构8.什么是基元？简单晶格和复式晶格的基元各有什么特点？-一个最小的、完全等价的基本结构单元；简单晶格的基元只含一个原子，复式晶格的基元中含两个以上的原子或离子。
9.什么是结点？什么是点阵？点阵与晶体结构的逻辑关系是什么？-就晶格的平移对称性而言，忽略结构中基元内原子分布的细节，用来代表基元的几何点成为结点；点阵是反映晶格平移对称性的分位点的无限阵列；<点阵>+<基元>=<晶体结构>10.什么是点阵的基矢？什么是破缺的平移对称性？-对于一个给定的点阵，可以使矢量332211→→→→++=a l a l a l R l 的三个不共面的基本平移矢量a1、a2、a3；晶格并不对任意的平移不变，而只对一组离散平移矢量RL （L 为小写取整数）具有不变性的性质。
固体物理重点计算题
固体物理重点计算题1. 已知氯化纳是立方晶体，其相对分子质量为58.46，在室温下的密度是33102.167-∙⨯m kg ，试计算氯化纳的点阵常数a 。
2. 利用刚性原子球堆积模型，计算以下结构致密度，1）简立方；2）金刚石；3）体心立方。
3. 一晶体原胞基矢大小m a 10104-⨯=,m b 10106-⨯=,m c 10108-⨯=,基矢间夹角o 90=α，o 90=β，o 120=γ。
试求：1） 倒格矢基矢的大小；2） 正、倒格式原包的体积；3） 正格子（210）晶面族的棉间距。
4. 闪锌矿的密度33.10067.4-⨯=m kg ，锌的相对原子质量37.65,=r Zn A ，硫的相对原子质量06.32,=r S A ，求闪锌矿结构的点阵常数。
（a=0.542nm ）5. 已知某晶体中相邻两个原子间的相互作用势能可表示：n m r r r u //)(βα+-=1） 求出平衡时的两原子间距；2） 平衡时的结合能；3） 如取n=2,m=8,两个原子间距为0.3nm,电离能为4eV ，计算βα,4） 如果平衡，体积V0，结合能E0，求出晶体的体积摸量；5） 求出平衡时吸引力和排斥力。
6. 试证明正负离子相间排列的无限长的离子链的马德龙常数2ln 2=M 。
7. 设原子质量g m 241035.8-⨯=，恢复力常数cm N /105.11-⨯=β，一维单原子链中原子的振动位移写成：)2cos(naq t A x n πω-=，试求：1） 格波的色散关系；2） 求出5个原子组成的一维原子链的震动的频率。
8. 在一维复试格子中如果g m 241067.15-⨯⨯=，M/m=4, m N /5.1=β.求：1） 光学波的最大值、最小值及声学波的最大值；2） 相应的声子能量是多少eV;3） 这三种声子在300K 是个有多少个？4） 如果用电磁波激发光频震动，要激发最大光学频率的绳子所用的电磁波在什么波段。
固体物理第二章例题资料
1
1 n
2 6.02 1023 1.6381 22 1.602 10-19 2 1 - 1 8 3.14 8.85 10-12 3 5.41 10-10 5.4 4
3.17 106 J mol
9
例题7 有一维离子晶体，均为一价，正负离子各有N 个，最近邻离子间的排斥能为b/Rn。证明：
解：设平衡时r=r0,则有：
r0n
c exp
r0
①
du dr r r0
0，由U r 2 4 0r
-
rn
和U r
-N 2
e2
4
0r
- c exp
r
分别求导可得：
1 2r02
mn
r0 m
mn
r0 n
mn 2r02
r0 m
r0
n
④
把④代入①可得：
K0
1
9r0
d 2u dr 2
r0
1
9r0
mn 2r02
-
r0 m
r0
n
1
9r03
mn 2
2U N
i1 ai 2 3 4
8
15立方ZnS的晶格常数a=5.41Å，计算其结合能Eb。
解：ZnS晶体中最近邻的粒子是顶角上的 粒子和处在空间对角线四分之一处的粒子。R0
1 4
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 ）。
本科阶段固体物理期末重点计算题精编WORD版
本科阶段固体物理期末重点计算题精编W O R D版IBM system office room 【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】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：相应的晶胞基矢都为：2. 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；面心立方：6；六角密集：6；金刚石：16。
证明：由于晶格常数为a ，所以：(1)．构成简立方时，最大球半径为2m aR =，每个原胞中占有一个原子，(2)．构成体心立方时，体对角线等于４倍的最大球半径，即：4m R ，每个晶胞中占有两个原子，(3)．构成面心立方时，面对角线等于４倍的最大球半径，即：4m R ，每个晶胞占有４个原子，(4)．构成六角密集结构时，中间层的三个原子与底面中心的那个原子恰构成一个正四面体，其高则正好是其原胞基矢c 的长度的一半，由几何知识易知3m R =c 。