固体物理基础_课后答案_曹全喜编
固体物理基础课后1到10题答案
一.本章习题P272习题1.试证理想六方密堆结构中c/a=.一. 说明:C 是上下底面距离,a 是六边形边长。
二. 分析:首先看是怎样密堆的。
如图(书图(a),P8),六方密堆结构每个格点有12个近邻。
(同一面上有6个,上下各有3个)上下底面中间各有一个球,共有六个球与之相切,每个球直径为a 。
中间层的三个球相切,又分别与上下底面的各七个球相切。
球心之间距离为a 。
所以球心之间即格点之间距离均为a (不管是同层还是上下层之间)。
三. 证明:如图OA=a ,OO ’=C/2(中间层是上下面层的一半),AB=a O ’是ΔABC 的三垂线交点33'a AB AO ==∴(由余弦定理)330cos 2,30cos 230cos 2222a a x x a ax x a x ===-+=οοο633.1322384132)2()2()3()2(2222222222''≈===∴+=+=+=a c c a ac a ac OA AO OO2.若晶胞基矢c b a ρρρ,,互相垂直,试求晶面族(hkl )的面间距。
一、分析:我们想到倒格矢与面间距的关系G d ρπ2=。
倒格矢与晶面族 (hkl )的关系321b l b k b h G ρρρρ++=写出)(321b b b ρρρ与正格子基矢 )(c b a ρρρ的关系。
即可得与晶面族(hkl ) 垂直的倒格矢G ρ。
进而求得此面间距d 。
二、解:c b a ρρρΘ,,互相垂直,可令k c c j b b i a a ρρρρρρ===,,晶胞体积abc c b a v =⨯⋅=)(ρρρ倒格子基矢:kcj b i a abc b a v b j b i a k c abc a c v b ia k c jb abc c b v b ρρρρρρρρρρρρρρρρρρπππππππππ2)(2)(22)(2)(22)(2)(2321=⨯=⨯==⨯=⨯==⨯=⨯=而与 (hkl )晶面族垂直的倒格矢 222321)()()(2)(2cl b k a h G k cl j b k i a h b l b k b h G ++=∴++=++=ππρρρρρρρρ故(hkl ) 晶面族的面间距222222)()()(1)()()(222cl b k a h cl b k a h G d ++=++==πππρ3.若在体心立方晶胞的每个面中心处加一个同类原子,试说明这种晶体的原胞应如何选择?每个原胞含有几个原子?1.分析:考虑选取原胞的条件:(即布拉菲晶格的最小单元)(1)体积最小的重复结构单元(2)只包含一个格点(3)能反映晶格的周期性应将几个原子组合成一个格点,然后构成原胞。
固体物理第一章作业答案 曹全喜
12、用倒格子的概念证明:立方晶系
的[hkl]晶向与(hkl)晶面垂直。
正格子基矢: a, b , c * * * 倒格子基矢: a , b , c
[hkl]晶向:
Rl ha kb lc
* * * K hkl ha kb lc
(hkl)晶面法线:
0.68 0.74 0.74 0.34
r
3 a 8
(1)、体心立方bcc
空间对角线 = 4r
空间对角线
3a
所以,
3 r a 4
在
a
3
的体积内包含2个原子,这2个原子
的体积为:
8 3 8 3 3 3 3 3 r a a 3 3 64 8
致密度
3 0.68 8
d111=2.34 Å
17、试说明:
(1) 、Laue方程与Bragg公式是一致的;
(2)、Laue方程亦是布里渊区的边界方程。
(1)、Laue衍射方程:
Rl (S S0 )
2 K0 S0
2 K S
R ( K K 0 ) 2
离最近的C原子,因此,
2r = 空间对角线/4
r =空间对角线/8
空间对角线
3a
3 r a 8
7、画出立方晶系中的下列晶向和晶面:
[1 01]、 1 0]、 ]、 ]、 [1 [112 [121 (110)、 )、 1)、 1 2) (211 (11 (1
[1 01]
c
2
c 8 a 3
4、求出表1-8中常见晶体结构原子半径
r与晶格常数a的关系和致密度η
固体物理课后习题与答案
第一章 金属自由电子气体模型习题及答案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?[解答] 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,分布在费米能级及其以下的能级上,即分布在一个费米球内。
在常温下,费米球内部离费米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米面附近或以外的空状态上,能够发生能态跃迁的仅是费米面附近的少数电子,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十分相近。
2. 晶体膨胀时,费米能级如何变化?[解答] 费米能级3/222)3(2πn mE o F= , 其中n 单位体积内的价电子数目。
晶体膨胀时,体积变大,电子数目不变,n 变小,费密能级降低。
3. 为什么温度升高,费米能反而降低?[解答] 当K T 0≠时,有一半量子态被电子所占据的能级即是费米能级。
除了晶体膨胀引起费米能级降低外,温度升高,费米面附近的电子从格波获取的能量就越大,跃迁到费米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,温度生高,费米能反而降低。
4. 为什么价电子的浓度越大,价电子的平均动能就越大?[解答] 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的浓度的关系。
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米—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,而是在费米球中均匀分布。
由式3/120)3(πn k F =可知,价电子的浓度越大费米球的半径就越大,高能量的电子就越多,价电子的平均动能就越大。
这一点从3/2220)3(2πn m E F=和3/222)3(10353πn mE E oF ==式看得更清楚。
电子的平均动能E 正比于费米能o F E ,而费米能又正比于电子浓度32l n。
《固体物理学》基础知识训练题及其参考答案
《固体物理》基础知识训练题及其参考答案说明:本内容是以黄昆原著、韩汝琦改编的《固体物理学》为蓝本,重点训练读者在固体物理方面的基础知识,具体以19次作业的形式展开训练。
第一章作业1:1.固体物理的研究对象有那些?答:(1)固体的结构;(2)组成固体的粒子之间的相互作用与运动规律;(3)固体的性能与用途。
2.晶体和非晶体原子排列各有什么特点?答:晶体中原子排列是周期性的,即晶体中的原子排列具有长程有序性。
非晶体中原子排列没有严格的周期性,即非晶体中的原子排列具有短程有序而长程无序的特性。
3.试说明体心立方晶格,面心立方晶格,六角密排晶格的原子排列各有何特点?试画图说明。
有那些单质晶体分别属于以上三类。
答:体心立方晶格:除了在立方体的每个棱角位置上有1个原子以外,在该立方体的体心位置还有一个原子。
常见的体心立方晶体有:Li,Na,K,Rb,Cs,Fe等。
面心立方晶格:除了在立方体的每个棱角位置上有1个原子以外,在该立方体每个表面的中心还都有1个原子。
常见的面心立方晶体有:Cu, Ag, Au, Al等。
六角密排晶格:以ABAB形式排列,第一层原子单元是在正六边形的每个角上分布1个原子,且在该正六边形的中心还有1个原子;第二层原子单元是由3个原子组成正三边形的角原子,且其中心在第一层原子平面上的投影位置在对应原子集合的最低凹陷处。
常见的六角密排晶体有:Be,Mg,Zn,Cd等。
4.试说明, NaCl,金刚石,CsCl, ZnS晶格的粒子排列规律。
答:NaCl:先将两套相同的面心立方晶格,并让它们重合,然后,将一套晶格沿另一套晶格的棱边滑行1/2个棱长,就组成Nacl晶格;金刚石:先将碳原子组成两套相同的面心立方体,并让它们重合,然后将一套晶格沿另一套晶格的空角对角线滑行1/4个对角线的长度,就组成金刚石晶格;Cscl::先将组成两套相同的简单立方,并让它们重合,然后将一套晶格沿另一套晶格的体对角线滑行1/2个体对角线的长度,就组成Cscl晶格。
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) .
固体物理基础 习题解答6.7章
· · · (1)
其中,把 V 在 r Rn 点的附近按 n 作级数展开,并保留到一级相。 原子的热振动采取格波的形式,具体考虑简单格子的情况,只有声学波。并 以弹性波近似代替声学波。原子的位移 n 用如下形式表示
n Ae cos q Rn t
· · · (2)
式中 e 表示振动方向上的单位矢量。 A 为振幅。在各向同性的介质中,存 在横波和纵波,对于横波 e q ,对于纵波 e || q 。弹性波具有恒定的速度,即对 于横波 C=Ct,对于纵波 C=Cl,根据式(1)和式(2) ,立刻可以写出一个格波引 起的整个晶格中的势场变化
40
第 7 章 晶体的导电性 习题
1、晶格散射总是伴随着声子的吸收或发射,因此电子被格波的散射不是完 全的弹性散射,但近似是弹性散射。试就铝的情况说明之。已知铝的费米能级 EF≈12eV,德拜温度ΘD≈428K。 证明: (可参考课外微扰理论的知识以加深理解) 我们知道,与电子和光子的碰撞类似,电子和声子的碰撞也遵守准动量守恒 和能量守恒定律。现在我们以单电子散射(即发生的电子与晶格交换一个声子) 过程来做分析证明。 类比 p119 的式 3-61(光子的情形)可知,有
H Vn n V r Rn A cos q Rn t e V r Rn
n n n
· · · (3)
1 1 Aeit eiqRn e V r Rn Aeit eiqRn e V r Rn 2 n 2 n n n
max =k BD 5.9 1021 0.037eV 0.003EF
略)
(小于百倍, 可直接忽
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。
固体物理课后答案
1.1 如果将等体积球分别排列成下列结构,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π / 6 ≈ 0.52 体心立方 3π / 8 ≈ 0.68 面心立方 2π / 6 ≈ 0.74六方密排 2π / 6 ≈ 0.74 金刚石 3π /16 ≈ 0.34 解:设钢球半径为r ,根据不同晶体结构原子球的排列,晶格常数a 与r 的关系不同,分别为:简单立方:a = 2r金刚石:根据金刚石结构的特点,因为体对角线四分之一处的原子与角上的原子紧贴,因此有1.3 证明:体心立方晶格的倒格子是面心立方;面心立方晶格的倒格子是体心立方。
证明:体心立方格子的基矢可以写为面心立方格子的基矢可以写为根据定义,体心立方晶格的倒格子基矢为同理与面心立方晶格基矢对比,正是晶格常数为4π/ a的面心立方的基矢,说明体心立方晶格的倒格子确实是面心立方。
注意,倒格子不是真实空间的几何分布,因此该面心立方只是形式上的,或者说是倒格子空间中的布拉菲格子。
根据定义,面心立方的倒格子基矢为同理而把以上结果与体心立方基矢比较,这正是晶格常数为4πa的体心立方晶格的基矢。
证明:根据定义,密勒指数为的晶面系中距离原点最近的平面ABC 交于基矢的截距分别为即为平面的法线根据定义,倒格子基矢为则倒格子原胞的体积为1.6 对于简单立方晶格,证明密勒指数为(h, k,l)的晶面系,面间距d 满足其中a 为立方边长。
解:根据倒格子的特点,倒格子与晶面族(h, k,l)的面间距有如下关系因此只要先求出倒格,求出其大小即可。
因为倒格子基矢互相正交,因此其大小为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次近邻原子数为6,次近邻原子间距为a ;面心立方晶格的最近邻原子数(配位数)为12,最近邻原子间距等于次近邻原子数为6,次近邻原子间距为a 。
固体物理基础(第2版)(蓸全喜)1-4章 (1)
第1章 晶体结构
本章提要
本章的核心是讨论晶体结构的周期性和对称性。首先, 从晶体的宏观特征出发,揭示晶体微观结构的几何特征,阐明晶 体结构的周期性和对称性两大特点;其次,介绍了空间点阵、布 拉菲格子、基元、原胞、晶格、对称操作、晶体指数等重要概 念,并列举了一些常见的、典型的晶体结构;再次,简要介绍了晶 体 X 射线衍射的原理和方法,以及分析晶体衍射的倒格子和布 里渊区等概念;最后,在阅读材料里,简单介绍了准晶态和非晶态 材料的结构,群与晶体空间点阵的分类。
第1章 晶体结构
第1章 晶体结构
1.1 晶体的宏观特性 1.2 晶体的微观结构 1.3 晶体的基本类型 1.4 典型的晶体结构 1.5 晶体的对称性 1.6 晶面和晶面指数 1.7 晶体的倒格子与布里渊区 1.8 晶体中的X光衍射 *1.9 非晶态材料的结构 *1.10 准晶态 *1.11 群与晶体点阵的分类 本章小结 思考题 习题
图1-1给出了晶体生长过程的理想化模型图,其中 图(a)和图(b)的砌块是相同的,但其生长成的晶体面却不一 样,该图诞生于两个世纪以前的科学家们的想象。由此可见, 如果不考虑由于偶然因素混入结构中的杂质或缺陷,晶体就 是由这些全同砌块的三维周期性阵列构成的。
第1章 晶体结构 图1-1 晶体生长过程的理想化模型图
第1章 晶体结构 图1-3 石英晶体的若干外形
第1章 晶体结构
晶体的物理性质随观测方向不同而变化,称为各向异性。 晶体的很多物理性质,如压电性质、光学性质、磁学性质、热 学性质等都表现出各向异性。
当晶体受到敲打、剪切、撞击等外界作用时,它有沿某一 个或几个具有确定方位的晶面劈裂开来的性质。例如云母晶体 很容易沿着与自然层状结构平行的方向劈裂为薄片。晶体的这 一性质称为解理性,这些劈裂的晶面则称为解理面。自然界中 的晶体显露于外表的晶面往往就是一些解理面。
固体物理基础参考解答精编版
孙会元主编的《固体物理基础》中的习题参考解答
e CV =(
∂u π2 2 0 k B g (ε F )V = )T = γ T ∂T 3
式中 γ =
π2
3
2 0 kB g (ε F ) ,称 为 电 子 比 热 容 系 数 。由 于 电 子 比 热 容 系 数 与 费 米 面 处 的 能
态密度有关, 所以利用电子比热容系数可以直接提供费米面附近能态密度的信息。 8. 求 一 维 、二 维 和 三 维 情 形 下 ,自 由 电 子 的 能 态 密 度 。分 别 示 意 画 出 一 维 ,二 维 , 三维自由电子气的能态密度曲线,并由此说明对于一维系统是否具有长程序, 为什么? 答:三维下单位体积的能态密度为
0 εF = εF [1 −
π 2 k BT 2 ( 0 ) ] 12 ε F
所以,随着温度的升高,会导致费米能稍稍下降。也就是说,自由电子费米气体 对应的费米球略有变小。 4. 试 说 明 电 子 密 度 在 金 属 自 由 电 子 气 体 模 型 中 的 作 用 ? 答:自由电子气体模型可用价电子密度 n 来描述,而且,n 是仅有的一个独 立参量。对于给定的金属,价电子密度是已知的。由此,我们可以求得具体的费 米波矢、费米能量、费米速度、费米温度等。 5. 如 何 理 解 金 属 自 由 电 子 气 体 的 简 并 性 ? 答 :在 统 计 物 理 中 ,把 体 系 与 经 典 行 为 的 偏 离 ,称 为 简 并 性 (degeneracy) 。在 绝对零度时电子仍有相当大的平均能量,这与经典的结果是截然不同的。按照经 典 的 自 由 电 子 气 体 (Drude) 的 模 型 ,电 子 在 T =0 时 的 平 均 能 量 为 零 。因 此 ,在 T =0K 时,金属自由电子气是完全简并的。系统简并性的判据是:
固体物理基础 第三版 课后答案 西安电子科技大学出版社(曹全喜 雷天明 黄云霞 著)
13.若轴矢 a 、 b、 c 构成简单正交系,证明。晶面族(h、k、l)的面间距为
2 d hkl
1 l 2 ( ) ( ) (c )
h 2 a k 2 b
co
证毕
m
2 a1 a 2 2 b3 k c
证 1:把原点选在该面族中任意一晶面上任一点,设相邻晶面分别与正交系 a 、 b、 c 交于
求面间距 d111。 解:由布拉格反射模型,认为入射角=反射角 2dsin= d=
ww
1.54 =2.34(Å) 2 sin 19.2 0
17.试说明: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; 解:1〕由坐标空间劳厄方程: 与正倒格矢关系
Rl k h 2
w.
案 网
因为 b1 、 b2 、 b3 相互正交。
2 2
2
2
n 2 sin
Rl (k k 0 ) 2
比较可知:若
即入射波矢 k 0 ,衍射波矢 k 之差为任意倒格矢 k h ,则 k 方向产生衍射光, k h k k 0 式
co
the end 对主极大 取 n=1
w.
a3 || b3 , 且 b1 =| b2 |= b3
bi
设
ai
=m(为常值,且有量纲,即不为纯数)
则
ww
G hkl m(h a1 k a 2 l a3)=m A
则
Ghkl 与 A 平行。
若以上正、倒基矢,换为正、倒轴矢,以上证明仍成立,则可用于 fcc 和 bcc 晶格。
固体物理基础_课后答案_曹全喜编
3、当 h、k、l 全为偶数,且 h k l 4n (n 为任意整数)时,
2 2 2 2 Sh .k .l 2 F f (1 1) 4 16 f 64 f
当 h、k、l 全为偶数,但 h k l 4n ,则 h k l 22n 1 时,
指数为(101) 。同理, (001)晶面在初基原胞基矢坐标系 a 1 、 a 2 、
a 3 上的截距为
5.
。 2 , 2 , ,则晶面指数为(110)
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?
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 b1 、 b2 组成的倒初基原胞构成倒空间点阵,具有 C6 操作对称性,而 C6 对称性是六角晶系的特 征。 (2)由 a1 、 a 2 构成的二维正初基原胞,与由 b1 、 b2 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。
氯化钾
KCl
NaCl 结构
ห้องสมุดไป่ตู้
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
固体物理基础课后答案
精品文档一.本章习题P272 习题1.试证理想六方密堆结构中c/a=1.633.一.说明:C 是上下底面距离, a 是六边形边长。
二.分析:首先看是怎样密堆的。
如图 (书图 1.10(a),P8),六方密堆结构每个格点有12 个近邻。
(同一面上有 6 个,上下各有 3 个)上下底面中间各有一个球,共有六个球与之相切,每个球直径为a。
中间层的三个球相切,又分别与上下底面的各七个球相切。
球心之间距离为a。
所以球心之间即格点之间距离均为a(不管是同层还是上下层之间)。
三.证明:如图 OA=a ,OO ’=C/2 (中间层是上下面层的一半),AB=aO’是 ABC 的三垂线交点AO'AB a 33(由余弦定理x2a2x 22ax cos30aa a 2xcos30 , x)2cos303OA222( c)2( a )2 OO'AO' 23 a2( c )2( a )2222 a2 1 c234c822 1.633a332.若晶胞基矢 a,b, c 互相垂直,试求晶面族( hkl )的面间距。
一、分析:我们想到倒格矢与面间距的关系d2 。
G倒格矢与晶面族( hkl )的关系 Ghb 1 kb 2 lb 3写出 (b 1b 2b 3 ) 与正格子基矢(ab c) 的关系。
即可得与晶面族(hkl ) 垂直的倒格矢 G 。
进而求得此面间距 d 。
二、解:a,b, c 互相垂直,可令 aai , b bj ,cck晶胞体积 v a (b c )abc倒格子基矢:b 12(b c)2 (bj ck ) 2 ivabc ab 22 (c a)2 (ck ai ) 2vabc jb b 32 (a b) 2 (ai bj ) 2 kvabcc2 ( hik j lk )G hb 1kb 2 lb 3而与 ( hkl )晶面族垂直的倒格矢abc( h ) 2 ( k )2 ( l ) 2G2abc故( hkl ) 晶面族的面间距2 dG22 ( h)2( k ) 2 ( l ) 2ab c1( h ) 2 ( k )2 ( l )2abc3.若在体心立方晶胞的每个面中心处加一个同类原子,试说明这种晶体的原胞应如何选择?每个原胞含有几个原子?1.分析:考虑选取原胞的条件:(即布拉菲晶格的最小单元)(1)体积最小的重复结构单元(2)只包含一个格点(3)能反映晶格的周期性应将几个原子组合成一个格点,然后构成原胞。
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。
2023年大学_固体物理基础第三版(阎守胜著)课后题答案下载
2023年固体物理基础第三版(阎守胜著)课后题答案下载固体物理基础第三版(阎守胜著)课后答案下载第一章金属自由电子气体模型1.1 模型及基态性质1.1.1 单电子本征态和本征能量1.1.2 基态和基态的能量1.2 自由电子气体的热性质1.2.1 化学势随温度的变化1.2.2 电子比热1.3 泡利顺磁性1.4 电场中的`自由电子1.4.1 准经典模型1.4.2 电子的动力学方程1.4.3 金属的电导率1.5 光学性质1.6 霍尔效应和磁阻1.7 金属的热导率1.8 自由电子气体模型的局限性第二章晶体的结构2.1 晶格2.1.1 布拉维格子2.1.2 原胞2.1.3 配位数2.1.4 几个常见的布拉维格子2.1.5 晶向、晶面和基元的坐标2.2 对称性和布拉维格子的分类2.2.1 点群2.2.2 7个晶系2.2.3 空间群和14个布拉维格子2.2.4 单胞或惯用单胞2.2.5 二维情形2.2.6 点群对称性和晶体的物理性质 2.3 几种常见的晶体结构2.3.1 CsCl结构和立方钙钛矿结构 2.3.2 NaCl和CaF、2结构2.3.3 金刚石和闪锌矿结构2.3.4 六角密堆积结构2.3.5 实例,正交相YBa2Cu307-82.3.6 简单晶格和复式晶格2.4 倒格子2.4.1 概念的引入2.4.2 倒格子是倒易空间中的布拉维格子 2.4.3 倒格矢与晶面2.4.4 倒格子的点群对称性2.5 晶体结构的实验确定2.5.1 X射线衍射2.5.2 电子衍射和中子衍射2.5.3 扫描隧穿显微镜第三章能带论I3.1 布洛赫定理及能带3.1.1 布洛赫定理及证明3.1.2 波矢七的取值与物理意义3.1.3 能带及其图示3.2 弱周期势近似3.2.1 一维情形3.2.2 能隙和布拉格反射3.2.3 复式晶格3.3 紧束缚近似3.3.1 模型及计算3.3.2 万尼尔函数3.4 能带结构的计算3.4.1 近似方法3.4.2 n(K)的对称性3.4.3 n(K)和n的图示3.5 费米面和态密度3.5.1 高布里渊区3.5.2 费米面的构造3.5.3 态密度第四章能带论Ⅱ4.1 电子运动的半经典模型 4.1.1 模型的表述4.1.2 模型合理性的说明4.1.3 有效质量4.1.4 半经典模型的适用范围4.2 恒定电场、磁场作用下电子的运动4.2.1 恒定电场作用下的电子4.2.2 满带不导电4.2.3 近满带中的空穴4.2.4 导体、半导体和绝缘体的能带论解释 4.2.5 恒定磁场作用下电子的准经典运动 4.3 费米面的测量4.3.1 均匀磁场中的自由电子4.3.2 布洛赫电子的轨道量子化4.3.3 德哈斯一范阿尔芬效应4.3.4 回旋共振方法4.4 用光电子谱研究能带结构4.4.1 态密度分布曲线4.4.2 角分辨光电子谱测定n(K)4.5 一些金属元素的能带结构4.5.1 简单金属4.5.2 一价贵金属4.5.3 四价金属和半金属4.5.4 过渡族金属和稀土金属第五章晶格振动5.1 简谐晶体的经典运动5.1.1 简谐近似5.1.2 一维单原子链,声学支 5.1.3 一维双原子链,光学支 5.1.4 三维情形5.2 简谐晶体的量子理论5.2.1 简正坐标5.2.2 声子5.2.3 晶格比热5.2.4 声子态密度5.3 晶格振动谱的实验测定 5.3.1 中子的非弹性散射5.3.2 可见光的非弹性散射 5.4 非简谐效应5.4.1 热膨胀5.4.2 晶格热导率第六章输运现象6.1 玻尔兹曼方程6.2 电导率6.2.1 金属的直流电导率6.2.2 电子和声子的相互作用 6.2.3 电阻率随温度的变化 6.2.4 剩余电阻率6.2.5 近藤效应06.2.6 半导体的电导率6.3 热导率和热电势6.3.1 热导率6.3.2 热电势6.4 霍尔系数和磁阻第七章固体中的原子键合7.1 概述7.1.1 化学键7.1.2 晶体的分类7.1.3 晶体的结合能7.2 共价晶体7.3 离子晶体7.3.1 结合能7.3.2 离子半径7.3.3 部分离子部分共价的晶体7.4 分子晶体、金属及氢键晶体7.4.1 分子晶体7.4.2 量子晶体7.4.3 金属……第八章缺陷第九章无序第十章尺寸第十一章维度第十二章关联固体物理基础第三版(阎守胜著):基本信息阎守胜,1938生出生,1962年毕业于北京大学物理系,现任北京大学物理学院教授,博士生导师,兼任中国物理学会《物理》杂志主编,他长期从事低温物理,低温物理实验技术,高温超导电性物理和介观物理方面的实验研究,并讲授大学生的固体物理学,低温物理学和现代固体物理学等课程。
精品文档-固体物理基础(蓸全喜)-第5章
第5章固体能带论 图5-2 钠晶体中的势能曲线和电子云
第5章固体能带论
孤立原子中电子的定态薛定谔方程为
(25-1a)t(k,r)2+m2 (Eat-Vat(r)) at(k,r)=0 其中Vat为孤立原子中电子的势能函数。这个方程的解
是孤立原子中电子的能量Eat和波函数ψat。 晶体中的单电子定态薛定谔方程为
n0 k'
k'
(5-14)
第5章固体能带论
将此式两边乘e-ik·x,然后对整个晶体积分, 并利用
ei(k k l
) x d x=L
k'k '
e dx=L i(kGn k )x L
k Gn ,k
其中, L为一维晶体的长度。式(5-14)成为
(5-15)
2k'2
k' 2m
EC(k
'
)L k ,,
把式(5-18)与一维布洛赫定理
(k,r) u(k,r)eikx
比较,若可证明
u(k,x)=C(k Gn )eiGnx u(k, x na)
Gn
(5-19)
则说明由式(5-18)表示的波函数满足布洛赫定理。
第5章固体能带论
由第1章中已得出的正倒格子的关系,正格矢与倒格矢
的点乘等于2π的整数倍:
Gh·Rn=2πm m为整数 一维情况时, Rn=na,Gn·na=2πm,则
(5-20)
eiGn na ei2m 1
(5-21)
即式(5-19)可改写为
第5章固体能带论
u(k,x)=C(k Gn )eiGnx eiGnna
Gn
=C(k Gn )eiGn (xna)
Gn
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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 b1 、 b2 组成的倒初基原胞构成倒空间点阵,具有 C6 操作对称性,而 C6 对称性是六角晶系的特 征。 (2)由 a1 、 a 2 构成的二维正初基原胞,与由 b1 、 b2 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。
显然这三个矢量互不平行,均落在(hkl)晶面上(如右图) ,且
a1 a 2 m1 G h hb1 k b 2 l b 3 h k a1 a 2 a2 a3 a 3 a1 a1 a 2 2h 2k 2l h k a1 a 2 a 3 a1 a 2 a 3 a1 a 2 a 3
结构因子: S hkl
f e
j i j
m
i 2 hu j kv j lw j
i h k l i 3 h 3 k l i 3 h k 3l i h 3 k 3l f 1 e i h k e i k l e i h l e 2 e 2 e2 e 2
1
1
c 8 由此解出: a 3
若
1
2
1.633 。
c 1.633 时,则表示原子平面的层间距较理想结构的层间距大, a
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:[ 1 01]、[1 1 0]、[112]、[121]、 ( 1 10) 、 (211) 、 (11 1 ) 、 (1 1 2) 。
Vc 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
Vc a 1 a 2 a 3 2 V c
3
2 V c
a 2 a 3 (a 3 a 1 ) (a 1 a 2 )
3
2 a 2 a3 2 1 解:由倒格基失的定义,可计算得: b1 = (i j) , a 3
2 a3 a1 2 1 2 a1 a 2 2 k (未在图中画出) b2 ( i ) j , b3 c a 3
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 G hkl h b1 k b2 l b3 垂直于晶面(hkl) 。由晶向指数(hkl) ,晶向可用 矢量 A 表示,则: A h a1 k a 2 l a3 。
(c)对于简单立方晶格:
2 2 2 2 Gh h k l a
1
2
a2 d 2 h k2 l2
2
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=19.20, 求面间距 d111。
解:由布拉格反射模型,认为入射角=反射角,由布拉格公式:2dsin=,可得
n (对主极大取 n=1) 2 sin 1.54 d 2 . 34 ( A ) 2 sin 19.2 0 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: Rl (k k 0 ) 2 与正倒格矢关系: Rl G h 2 比较可知: 若 G h k k 0 成立,即入射波矢 k 0 ,衍射波矢 k 之差为任意倒格矢 G h ,则 k 方向产生衍射光,
e
i
2
h k l
用尤拉公式整理后: S hkl 2 F f 1 cos
2 2
(h k l ) 2
2
讨论:1、当 h、k、l 为奇异性数(奇偶混杂)时, F f 0 ,所以 S hkl 0 ; 2、当 h、k、l 为全奇数时, S hk l 2F f 2 (4 f ) 32 f ;
1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 3 1 3 1 3 1 3 3 000, 0 , 0 , 0 , , , , 2 2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
第一章
1.
习
题
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: 布拉菲 名称 分子式 结构 惯用元胞 格子 中原子数 中原子数 初基元胞 惯用元胞 配位数
G h k k 0 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: k k 0 。由倒格子性质,倒格矢 G h 垂直于该 晶面族。所以, G h 的垂直平分面必与该晶面族平行。 由右图可知: G h 2k sin
'
4
sin
邻两个平行晶面的间距为 d hkl
a2 ;(c) 对于简单立方晶格有 d 2 。 Gh h k 2 l2
2
2
证明: (a)晶面(hkl)在基矢 a1、 a 2、 a 3 上的截距为
a3 a1 a 2 。作矢量: 、 、 h k l
m1
a1 a 2 a2 a3 a 3 a1 , m2 , m3 h k k l l h
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
2、6、12 钽酸锂 LiTaO3 钙钛矿 sc 5 5 O、Ta、Li
简单 铍 Be hcp 六角 2 6 12
钼
Mo
bcc
bcc
1
2
8
铂
Pt
fcc
fcc
1
4
12
2.
c c 8 2 试证明:理想六角密堆积结构的 1.633 。如果实际的 值比这个数值大得多,可以把晶体 a a 3
视为由原子密排平面所组成,这些面是疏松堆垛的。
1
a2 c2 2 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: d 3 4 。 a2 c2 当 d=a 时构成理想密堆积结构,此时有: a 3 4 2 ,
指数为(101) 。同理, (001)晶面在初基原胞基矢坐标系 a 1 、 a 2 、
a 3 上的截距为
5.
。 2 , 2 , ,则晶面指数为(110)
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 (100) 原子数面密度 面间距 对称轴 C4
2 a2
a
2 a 2 3 a 3
(110)
1 .4 a2
2 .3 a2
C2
(111)
C3
6.
对于二维六角密积结构,初基原胞基矢为: a1 其倒格子基矢,并判断倒格子也是六方结构。
a a , i 3 j a i 3 j , c ck 。求 2 2 2
r b 改用玻恩-梅叶表达式 exp ,并认为在平衡时对互作用势能具 n r p
2 2 Sh .k .l 2 F (1 1) 0
12. 证明第一布里渊区的体积为
2 3 ,其中 V
Vc
c 是正格子初基原胞的体积。
证明:根据正、倒格子之间的关系:
2 (a 2 a3 ) 2 (a3 a1 ) 2 (a1 a 2 ) , b2 ; b3 b1
bi ai
且 b1 b 2 b 3 。设
m (为常值,且有量纲,即不为纯数) ,
则 8.
G h k l m(h a1 k a 2 l a3)=m A ,即 G hkl 与 A 平行。
考虑晶格中的一个晶面(hkl) ,证明:(a) 倒格矢 G h hb1 kb2 lb3 垂直于这个晶面;(b) 晶格中相
0
同理,有 m 2 G h 0 , m 3 G h 0 所以,倒格矢 G h hkl 晶面。 (b)晶面族(hkl)的面间距为:
d hkl
a1 G h a1 hb1 k b 2 l b 3 2 h Gh h Gh Gh
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 a 1 、 a 2 、 a 3 三个基矢坐标上的截距为
2 , , 2 ,则晶面
2 (a 2 a3 ) 2 (a3 a1 ) 2 (a1 a 2 ) 倒格子基矢的定义: b1 ; b2 ; b3