固体物理基础答案解析吴代鸣
固体物理基础答案解析吴代鸣
1.试证理想六方密堆结构中c/a=1.633. 证明：如下图，六方密堆结构的两个晶格常数为a 和c 。
右边为底面的俯视图。
而三个正三角形构成的立体结构，其高度为2．假设晶胞基矢c b a,,互相垂直，试求晶面族〔hkl 〕的面间距。
解：c b a ,,互相垂直，可令k c c j b b i a a===,,晶胞体积abc c b a v =⨯⋅=)(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 bπππππππππ2)(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 c l j b k i a h b l b k b h G ++=∴++=++=ππ 故〔hkl 〕 晶面族的面间距222222)()()(1)()()(222cl b k a h cl b k a h G d ++=++==πππ3．假设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？ 答：通过分析我们知道，原胞可选为简单立方，每个原胞中含有5个原子。
体心，八个顶点中取一个，对面面心各取一个原子〔即三个〕作为基元。
布拉菲晶格是简单立方格子。
4．试求面心立方结构的〔111〕和〔110〕面的原子面密度。
解：〔111〕面平均每个〔111〕面有2213613=⨯+⨯个原子。
〔111〕面面积()222232322)22()2(221a a a a a a =⋅=-⋅ 所以原子面密度22)111(34232aa ==σ〔110〕面平均每个〔110〕面有2212414=⨯+⨯个原子。
〔110〕面面积222a a a =⋅所以〔110〕面原子面密度22)110(222a a==σ5．设二维矩形格子的基矢为j a a i a a2,21==，试画出第一、二、三、布里渊区。
《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：先将错误!未找到引用源。
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:：先将错误!未找到引用源。
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。
固体物理导论基泰尔答案
固体物理导论基泰尔答案【篇一：《结构与物性》《固体物理》教学方案表】>填表人：林国淙教研室主任签名：【篇二：“固体物理Ⅰ ”课程教学大纲】物理Ⅰ ”课程教学大纲英文名称： solid state physics课程编号：课程类型：专业限选课学时： 32 学分： 2面向对象：材料科学与工程专业及相关专业先修课程：普通物理、材料科学基础一、课程性质和目的（任务）《固体物理Ⅰ》是材料科学与工程专业的专业限选课。
其任务是让学生掌握固体物理的基本规律、基本概念和处理固体物理学问题的特有方法，为后续课程的学习奠定必要的理论基础，同时培养学生综合所学知识分析问题和解决问题的能力。
二、课程教学内容及要求总体目的和要求：（1）了解固体物理学发展的基本情况，以及固体物理学对于近代物理和近代科技的发展起的作用。
（2）掌握固体物理学的基本概念和基本规律，培养掌握科学知识的方法。
（3）熟悉应用固体物理学理论分析和处理问题的手段方法。
章节要求第一章绪言（ 1 学时）要求了解固体物理的发展过程和当前固体物理研究进展，了解固体物理理论与材料性能与应用之间的关联性。
第二章晶体结构（ 5 学时）要求学生掌握晶体的宏观特性、晶体的微观结构、常见的晶体结构、晶体的对称性和晶面与晶向的概念；了解倒格子与布里渊区的概念[1]了解晶格基矢，晶格的周期性、空间点阵的概念，掌握原胞、晶胞，晶列、晶面指数的表示方法[2]理解晶体结构的对称性[3]理解密堆积、配位数[4]了解倒易点阵，倒格子（布里渊区）第三章晶体结合（ 6 学时）要求学生掌握晶体结合的普遍特性；熟悉离子键，共价键，金属键，分子键，氢键和的特性；理解晶体结合类型与原子负电性的关系。
[1]掌握晶体结合的一般性描述[2]理解晶体结合的基本类型及特性[3]了解晶体结合与原子的负电性第四章晶格振动（ 6 学时）要求学生重点掌握一维单原子链的振动方程与格波解的形式，理解一维双原子链振动和三维晶格振动；掌握声子的概念与特性；理解模式密度的概念；理解晶格热容与晶格振动的关系；了解晶格中的热传递。
《固体物理基础概论》PPT课件
组成晶态固体的粒子在空间周期性排列,具 有长程序,它的对称性是破缺的。
非晶体与晶体相反，其组成粒子在空间的 分布是完全无序或仅仅具有短程序,具有高度 的对称性。
准晶介于晶体和非晶体之间，粒子在空间 分布有序，但不具有周期性，仅仅具有长程的 取向序。
固体物理的研究对象以晶体为主。
准晶
2 . 固体物理学的基本任务：是企图从微观上 去解释固体材料的宏观物性，并阐明其规律。
到了期末，接近考试了，此时介绍晶体结合 、晶体缺陷等学生材内容和学时分配 第一章 金属自由电子费米气体模型(10学时) 第二章 晶体的结构 (19学时) 第三章 能带论 (23学时) 第四章 晶格振动 (10学时) 第五章 输运现象 (5学时) 第六章 晶体的结合、晶体缺陷和相图(5学时)
曼彻斯特大学最近公布的波纹式的石墨烯薄片示意图
Ultra-Thin Material
超导磁悬浮
Magnetic Domains by Magneto-optical Effect
包钴氧化铁 钡铁氧体
铁合金
CrO2
m
计算机的硬盘
计算机的硬盘
2007年诺贝尔 物理学奖---巨 磁电阻效应 （GMR)
4.基泰尔（C.Kittel 5th edition）著，杨顺华等 译，固体物理导论，科学出版社，1979
5.方可,胡述楠,张文彬 主编;固体物理学,重庆大 学出版社,1993
6.陈金福 主编 固体物理学—学习参考书 高等 教育出版社,1986 7.
8.阎守胜. 2000. 固体物理基础. 北京：北京大学 出版社
7.教学要求
1) 掌握金属自由电子模型的内容并学会利用该模型对 金属的电、热、光等物性进行分析； 2) 掌握晶体的结构特点、晶格的特征、晶体对称性 和分类、倒格子以及X射线衍射；
《固体物理学》答案[1]
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* v0 =
(2π )3 v0
1.5 证明：倒格子矢量 G = h1b1 + h2 b2 + h3b3 垂直于密勒指数为 ( h1h2 h3 ) 的晶面系。 证：
v v v uuu v uuu r a r a a a CA = 1 − 3 , CB = 2 − 3 h1 h3 h2 h3 uuu r v Gh1h2h3 ⋅ CA = 0 容易证明 v uuu r Gh1h2h3 ⋅ CB = 0 v v v v G = h1b1 + h2b2 + h3b3 与晶面系 (h1h2 h3 ) 正交。 v v v h k l ( ) 2 + ( )2 + ( )2 ；说明面 a b c
图 1.3 体心立方晶胞
（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 3a = 4r , V = a 3 , 晶胞内包含 2 个原子， 所
2* 4 3π( 以ρ = a3
3a 3 4
−
3 ε 23 2 1 − ε 23 2 ε 33
由上式可得
ε 23 = 0, ε 32 = 0, ε 11 = ε 22 . ε 11 ε = 0 0 0 ε 11 0 0 0 . ε 33
于是得到六角晶系的介电常数
附：证明不存在 5 度旋转对称轴。 证：如下面所示，A,B 是同一晶列上 O 格点的两个最近邻格点，如果绕通过 O 点并垂直于纸面的转轴顺时 针旋转θ 角，则 A 格点转到 A 点，若此时晶格自身重合，点处原来必定有一格点，如果再绕通过 O 点的
3a = 8r , 晶胞体积 V = a 3
固体物理基础 吴代明 复习讲义123章
▪2 复式晶格：每个基 元中含有两个或两个 以上的原子或离子 (NaCl)
4
▪ 3 简单晶格必须由同种原子组成；
▪ 反之，由同种原子组成的晶格却不一定是 简单晶格，如：金刚石、Mg、Zn 等晶格 都是复式晶格,
如: 相同原子但几何位置不等价的原子构成 的晶体金刚石。
2021/10/10
例如：Cu的面心立方晶格，Si的金刚石晶格和NaCl晶格，布拉伐格子都是面心 立方格子，每个格点的基元分别为 一个Cu、两个Si和一对Na+、Cl-离子。
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3
简单晶格与复式晶格图示
▪1 简单晶格：由完全 等价的一种原子构成 的晶格，而且每一个 基元只有一个原子。 (Cu, Na)
二者的关系： GnRl 2m (m为整数)；
表明：若两矢量点积为2π的整数倍，则其中一 个矢量为正格子位矢，另一个必为倒格子位矢。
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31
小结
(1)每个晶格都有两个点阵（或两套格子）同它联系着， 即正格子和倒格子（或晶体点阵和倒易点阵），二者互 易(例如体心立方与面心立方互为倒格子)，这两个点阵都 是由三个基矢所定义的空间无穷多个周期性排列的点阵 所构成，且两种格子空间中长度的量纲互为倒数；
格。
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8
三、原胞，晶胞
一个晶格中体积最小的周期性结构单元称原胞。
a2
a1
a2
a1
a2
a2
a1
a2
a1
a1
原胞及基矢的选取——不唯一
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1. 空间点阵原胞：空间点 阵中最小的重复单元， 只含有一个格点，对于 同一空间点阵，原胞的 体积相等。
固体物理基础 课后答案 西安电子科技大学出版社(曹全喜 雷天明 黄云霞 李桂芳 著) 第一二三四五章
m
f e i2 huj kv j lwj j
j i
f
1
ei hk
ei k l
ei hl
i
h
k
l
e2
i 3h3k l i 3hk 3l
e2
e2
i h3k 3l
e2
前四项为
fcc
b1
2 (a2 a3 )
， b2
2 (a3 a1 )
； b3
2 (a1 a2 )
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 a1 a2 a3
2 Vc
3
a2 a3
的结构因子，用
Ff
表示从后四项提出因子
ei
2
(hk
l
)
Shkl
Ff
f e 1 e i
2
(
h
k
l
)
i (hk )
ei (hl)
ei (k l)
Ff
i hkl
i hk l
Ff e 2
Ff 1 e 2
讨论：1、当 h、k、l 为奇异性数（奇偶混杂）时， Ff
0
，所以
S2 hkl
0；
2、当
h、k、l
为全奇数时，
S
2 hkl
2F
2 f
2 (4 f )2
固体物理吴代鸣 第三章
Ⅱ. 德拜模型
模型要点：
（1）用连续介质中的弹性波替代格波，即以弹性波 的色散关系ω(q)=Cq替代晶格格波的色散关系ω (q); （2）认为晶体中只存在三支弹性波，二支横波和一 支纵波，其色散关系分别为： ωt(q)=Ctq和ωl(q)=Clq。
体系规定：
N个原子组成，共有3N个晶格振动模。
重要结论
(2)T处于低温段时，实验规律与理论不符； 实验结论：CV（低温）～T3
爱因斯坦模型的评价
虽然Einstein模型简单，但与实验符合程度却相 当好，说明晶体比热的量子理论的成功；但极低温下 Einstein模型给出的比热容随温度T下降过快，而实 际上低温热容随温度的变化具有T3关系。只考虑了光 学模的贡献，完全忽略了声学波的贡献。说明 Einstein模型过于简单，需要进一步修正。晶格振动 采取格波形式，它们的频率值是不完全相同的，而是 有一定的分布情况。
0 其中 E (称爱因斯坦温度） kB
讨论
（1）高温情况（Ｔ>>θE): （2）低温情况（Ｔ<<θE):
CV 3 NkB
CV 3 NkB (
E
T
)2 e
T
E
T
T 0时, e
E
T
0, 有CV 3 NkB (
E
T
)2 e
E
0
结论：(1)T趋近于0时的理论结果与实际符合较好；
即Debye的T3定律
关于非谐效应
（1）格临爱森状态方程：
dU E d ln P , 其中 是格临爱森常数。 dV V d ln V CV （2）格临爱森定律： K 0V
表示当温度变化时，热膨胀系数近似与晶格热容量成比例。
固体物理基础(吴代鸣之高教版)课后1到10题答案
固体物理基础(吴代鸣之高教版)课后1到10题答案-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN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=a O ’是ΔABC 的三垂线交点33'aAB AO ==∴（由余弦定理)330cos 2,30cos 230cos 2222a a x x a ax x a x ===-+=633.1322384132)2()2()3()2(2222222222''≈===∴+=+=+=a c c a ac a ac OA AO OO2．若晶胞基矢c b a,,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 π2=。
倒格矢与晶面族 （hkl ）的关系321b l b k b h G++=写出)(321b b b 与正格子基矢 )(c b a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：c b a ,,互相垂直，可令k c c j b b i a a===,,晶胞体积abc c b a v =⨯⋅=)(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 πππππππππ2)(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 ++=∴++=++=ππ故（hkl ） 晶面族的面间距222222)()()(1)()()(222cl b k a h cl b k a h Gd ++=++==πππ3．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。
本科及研究生物理专业书、讲义
本科及研究⽣物理专业书、讲义研究⽣nolting多体物理前两章+bernvig拓扑绝缘体第2章、第4章+kai sun ⾼等凝聚态物理讲义（此讲义中拓扑绝缘体讲得⾮常易懂，会讲清楚基础知识，学完会打下很好的基础，和nolting书⼀样，不跳步骤，⼀步⼀步推导，但⽐noting书讲得更多，⽐如讲义中的紧束缚模型，直接讲到能和科研衔接。
kai sun的主页还有他教的其他课程的讲义，⽐如⼆次量⼦化、重整化群、费⽶液体理论、⾼等量⼦⼒学这些。
）学⼀门课必须同时看两本书，⼀本中⽂书，⼀本英⽂书，才能学好——物理学家特别是读研时。
⽽且有看不懂的地⽅时，还应查其他书。
从量⼦⼒学开始就不能只看⼀本物理书，学⼀门课应同时看⼏本书固体物理:河北师范书+北⼤书（北⼤书虽然有的内容写得不好，但是有的内容写得⾮常好，经典，⽐如固体热容、近⾃由电⼦近似、紧束缚近似77、78页，北⼤书应该和别的书⼀起看）1.《固体物理基础（第⼆版）》吴代鸣：据说这本书很好懂，但是讲解⽐较基础，但不是很深⼊，因为它说尽量避免繁琐的数学推导。
不推荐这本书，因为不是很全⾯。
2.《固体物理基础》孙会元（这本书有些内容有错误）：也是和阎守胜、《solid state physics》的编排⼀样，从⾦属⾃由电⼦论讲起。
这本书⽐阎守胜的写的好。
这本书第⼀章⾦属⾃由电⼦论讲得很好，这⼀章虽然有很少的缺点（没有解释清楚费⽶⾯附近的电⼦速度都是近似取和电场⽅向相反的费⽶速度。
第⼆章晶体结构也写得很好，条理很清楚，就像华中师⼤汪德新的《量⼦⼒学》⼀样。
但是第三章能带论开始就写的不是很好了，有些地⽅看不懂。
这本书有些部分写得很好，有些写得不是很好懂（但这种情况⽐较少），所以这书还是⼀本很值得读的固体物理书。
我发现这本固体物理书中德哈斯范阿尔芬效应部分的推导和⽅俊鑫的书中的推导和⽂字⼀样，也就是说孙会元抄袭了⽅俊鑫的书，感觉这样有⼀些不好。
3.胡安的固体物理中就倒格⼦那⼀节写得很好，倒格⼦的性质归纳得很好，特别是把傅⾥叶变换这个性质证明得⾮常好。
固体物理基础(吴代鸣之高教版)课后11到13题答案
11．设有一维单原子晶格，在简谐近似下，考虑每一原子与其余所有原子的作用，试求格波的色散关系。
解：第n 个原子位移x n ，第n+p 个位移x n+p ，第n-p 个位移x n-p （P=1，2，3，……）。
设最近邻原子间力常数为β1，次近邻β2，再次近邻β3，……βp简谐近似下(由书P47，式3.1.6)：∑≠+=ji ij ij x U U 2041β第n个原子的运动方程：)(22n i in n i n nx x x U dtx d M -=∂∂-=∑≠β第n+p 和第n-p 个原子对第n 个原子的作用力：)2()()(n p n p n p p n n p n p n p p x x x x x x x f -+=---=-+-+βββ第n 个原子总的受力：)2(n p n p n p pp px x x f -+=-+∑∑β运动方程：)2(22n p n p n p pnx x x dt x d M -+=-+∑β试探解：)(t naq i n Ae x ω-= 代入运动方程：)2cos 2(0)2(22-=-∴≠-+=-∑∑-paq M x x e x e x Mx p pn n ipaq n ipaq n p pn βωβω所以色散关系为：)cos 1(2)(2pqa Mq pp-=∑βω12. 设有一维双原子晶格，最近邻原子间的力常数交错地等于β和10β，假定两种原子的质量相等，最近邻原子间距为a/2，试求格波的色散关系。
解：同一维单原子类似，可写出两种原子的运动方程n n n n u v v dt u d M βββ21010122-+=- n n n nv u u dtv d M βββ102122⨯-+=+ 试探解为)(t naq i n Ae u ω-= )(t naq i n Be v ω-=代入运动方程有：n n iaq n n u v e v Mu βββω210102-+=-- n iaq n n n v e u u Mv βββω202-+=-将u n 、v n 代入消去公因子)(t naq i e ω-得BA e AB M A B B e A M iaqiaq βββωβββω202101022-+=--+=--整理，化为关于A 、B 的线性方程组{)20()1(0)1(10)2(22=-++-=+---B M A e B e A M iaqiaq ωβββωβA ，B 有非零解的条件是上式系数行列式等于零，即2220)1()1(102ωβββωβM e e M iaqiaq -+-+---0=有)cos 1(210202400)1)(1(10)20)(2(24222222=+⋅-+--∴=++⋅----aq M M M e e M M iaq iaq βωωβωββββωβωβ即0)cos 1(20222422=-++-qa M M βωωβ 解出：{}2122222)]cos 1(204)22[(2221)(qa M M M M q -⋅-±=βββω])cos 20101(11[21qa M+±=β13.求出一维单原子晶格的模密度，并导出在低温下晶格比热与温度关系。
固体物理基础 课后答案 西安电子科技大学出版社(曹全喜 雷天明 黄云霞 李桂芳 著) 第一二三四五章
(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：
名称 分子式
结构
惯用元胞
布拉菲 格子
初基元胞 中原子数
惯用元胞 中原子数
配位数
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
1
钽酸锂 LiTaO3
钙钛矿
铍
Be
hcp
钼
Mo
bcc
sc
5
2、6、12 5
O、Ta、Li
简单 2
六角
6
12
bcc
1
2
8
铂
Pt
fcc
fcc
1
4
12
1
2 、试证明：理想六角密堆积结构的
c a
8 3
2
1.633。如果实际的
c a
值比这个数值大得多，可以把晶体
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。
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
固体物理基础吴代鸣之高教版课后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=1、633、一． 说明:C 就是上下底面距离,a 就是六边形边长。
二． 分析:首先瞧就是怎样密堆的。
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(不管就是同层还就是上下层之间)。
三． 证明:如图OA=a,OO ’=C/2(中间层就是上下面层的一半),AB=a O ’就是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 ===-+=633.1322384132)2()2()3()2(2222222222''≈===∴+=+=+=a c c a ac a ac OA AO OO2.若晶胞基矢c b a,,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 π2=。
倒格矢与晶面族 (hkl)的关系321b l b k b h G++=写出)(321b b b 与正格子基矢 )(c b a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:c b a ,,互相垂直,可令k c c j b b i a a===,,晶胞体积abc c b a v =⨯⋅=)(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 πππππππππ2)(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 ++=∴++=++=ππ故(hkl) 晶面族的面间距222222)()()(1)()()(222cl b k a h cl b k a h G d ++=++==πππ3.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。
吴代鸣固体物理基础部分习题解答
8.证明一维NaCl 晶格的Madelung 常数2ln 2α=。
证明：任选一个离子为参考离子i ，左右两侧对称分布，令ij j r a a =（a 为晶格常数） 则有：111112......1234jj aα⎡⎤±=-+-+⎢⎥⎣⎦∑＝同号为-，异号为+。
已知级数234l n (1)......234x x x x x +=-+-+令x=1 则得：111l n 21......234=-+-+ 故Madelung 常数2ln 2α=。
9.若离子间的排斥势用-r/eρλ来表示，只考虑最近邻离子间的排斥作用，试导出离子晶体结合能的表达式，并讨论参数λ和ρ应如何决定。
解：设最近邻离子间距离为r ，则ij j r a r =（以离子i 为原点）2/0204()4ij r ij ijij ij e e r r r u r e r ρλπεπε-⎧-=⎪⎪=⎨⎪±⎪⎩，（最近邻，），（最近邻以外）总的相互作用能为：2/()0124Nr j i j Ne U e ra ρλπε-≠⎡⎤=-±-⎢⎥⎢⎥⎣⎦∑∑最近邻 2/0..........................(1)24r Ne U Z e r ραλπε-⎡⎤∴=-+⎢⎥⎣⎦； 其中Z 为最近邻离子数 由平衡条件00r r U r =∂⎛⎫= ⎪∂⎝⎭得02/200.........................(2)4r e Z e r ρραλπε-= 得20001.......................(3)24N e U r r αρπε⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦ 结合能0()c E U r =- 对于NaCl 等离子晶体：02201...................(4)9r rU K Nr r =⎛⎫∂= ⎪∂⎝⎭02/32000121............(5)184r e Z K e r r ραλπερ-⎡⎤-∴=+⎢⎥⎣⎦将（2）代入（5）得： 22320000121..................(6)1844e e K r r r ααπεπερ⎡⎤=-+⋅⎢⎥⎣⎦202400.........................(7)272e r e r K αραπε∴=+ 由（2）得：02/200......................(8)4r e e r Zρραλπε=则4220002003611243r K e e U r e πεααπεα⎛⎫⎛⎫-=-- ⎪⎪⎝⎭⎝⎭10.如果NaCl 晶体中离子的电荷增加一倍，假定排斥势不变，试估计晶体的结合能以及离子间的平衡距离将产生多大变化？解：总相互作用能20........(1)24n N e B U r r απε⎛⎫=--⎪⎝⎭ 02210000...........(2)24n r r U N e nB r r r απε+=⎛⎫∂⎛⎫=-= ⎪ ⎪∂⎝⎭⎝⎭得到：11'0024..............(2)n nB r e πεα-⎛⎫=⎪⎝⎭由（2）得到：2100...............(3)4n e B r nαπε-=将（3）代入（1）得： 20001()1........(4)8N e U r r n απε⎛⎫=-- ⎪⎝⎭当电荷由e 变为2e 时，由（2·）和（4）可得：1010(2)4()n r e r e -= 1(2)4()nn U e U e -= 11.在一维单原子晶格中，若考虑每一个原子与其余所有原子都有作用，在简谐近似下求格波的色散关系。
吴代鸣固体物理基础部分习题解答
u k BT
u
−19
对于间隙原子，主要由 Frenkel（夫伦克尔）缺陷引起， n间 = ( NN ) e
4×1.6×10 − − n间 2 k BT 2×1.38×10−23 ×1300 =e =e = 1.79 × 10−8 ∴ 间隙原子浓度 N
1 ' 2
−
u 2 k BT
−
≈ Ne
u 2 k BT
�
( n,n )
� � � ik ⋅ Rm ' e γ ( R ∑ m ) ，对 m 的
求和只限于最近邻，试求 bcc 和 fcc 晶格 s 带的能量 E ( k ) 。 解： （1）对于 bcc 晶格，最近邻原子数 8 个，坐标为 （±
a a a ，代入上式得： ,± ,± ） 2 2 2
a a a � i ( − kx − k y − kz ) ⎤ ⎡ i ( k x a + k y a + k z a ) i ( − a kx + a k y + a kz ) Es (k ) = Es − β − γ ⎢e 2 2 2 + e 2 2 2 + ... + e 2 2 2 ⎥ ⎣ ⎦
17. 铜的空位形成能约为 1.26eV ， 间隙原子的形成能约为 4eV ， 试估计接近熔点 （ 1300K） 时空位和间隙原子的浓度，并比较两者的数量级。
−
解：对于空位，主要由 Schottky（肖特基）缺陷引起， n空 = Ne
1.26×1.6×10 − − n −23 ∴ 空位浓度 空 = e kBT = e 1.38×10 ×1300 = 1.32 ×10 −5 N
�
⎣
⎦
� m1 E1 (0) + m2 E2 (k 0 ) 因此： EF = m1 + m2
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1.试证理想六方密堆结构中c/a=1.633. 证明：如图所示，六方密堆结构的两个晶格常数为a 和c 。
右边为底面的俯视图。
而三个正三角形构成的立体结构，其高度为2．若晶胞基矢c b a,,互相垂直，试求晶面族（hkl ）的面间距。
解：c b a ,,互相垂直，可令k c c j b b i a a===,,晶胞体积abc c b a v =⨯⋅=)(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 bπππππππππ2)(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 c l j b k i a h b l b k b h G ++=∴++=++=ππ 故（hkl ） 晶面族的面间距222222)()()(1)()()(222cl b k a h cl b k a h G d ++=++==πππ3．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？ 答：通过分析我们知道，原胞可选为简单立方，每个原胞中含有5个原子。
体心，八个顶点中取一个，对面面心各取一个原子（即三个）作为基元。
布拉菲晶格是简单立方格子。
4．试求面心立方结构的（111）和（110）面的原子面密度。
解：（111）面平均每个（111）面有2213613=⨯+⨯个原子。
（111）面面积()222232322)22()2(221a a a a a a =⋅=-⋅ 所以原子面密度22)111(34232aa ==σ（110）面平均每个（110）面有2212414=⨯+⨯个原子。
（110）面面积222a a a =⋅所以（110）面原子面密度22)110(222a a==σ5．设二维矩形格子的基矢为j a a i a a 2,21==，试画出第一、二、三、布里渊区。
解：倒格子基矢：jb j a j a j ax x a a a a v b k x a i ax i a x a a a a v b 11323321212212222)(2)(2222)(2===⋅⋅=⨯===⋅⋅=⨯=πππππππ所以倒格子也是二维矩形格子。
2b方向短一半。
最近邻;,22b b -次近邻;2,2,,2211b b b b --再次近邻;,,,12122121b b b b b b b b---+-再再次近邻;3,322b b-做所有这些点与原点间连线的垂直平分线，围成布里渊区。
再按各布里渊区的判断原则进行判断，得：第一布里渊区是一个扁长方形；第二布里渊区是2块梯形和2块三角形组成；第三布里渊区是2对对角三角和4个小三角以及2个等腰梯形组成。
6．六方密堆结构的原胞基矢为：k c a j a i a a ja i a a=+-=+=32123212321试求倒格子基矢并画出第一布里渊区。
解：原胞为简单六方结构。
原胞体积：c a j i j i c a i j ac j i a k c j i a j i a a a a v 2232123)3()3(41)]3(21[)3(21])3(21[)3(21)(=+⋅+=+⋅+=⨯+-⋅+=⨯⋅=倒格子基矢：kca a vb j i aj i a k c c a a a vb j i a kc j i a c a a a v b ππππππππ2)(2)3(2)]3(21[232)(2)3(32])3(21[232)(221321322321=⨯=+-=+⨯=⨯=+=⨯+-=⨯=由此看到，倒格子同原胞一样，只是长度不同，因此倒格子仍是简单六方结构。
（注意：倒格子是简单六方，而不是六方密堆）选六边形面心处格点为原点，则最近邻为六个角顶点，各自倒格矢的垂直平分面构成一个六面柱体。
次近邻为上下底面中心，其垂直平分面为上下平行平面。
再次近邻是上下面六个顶角，其垂直平分面不截上面由最近邻和次近邻垂直平分面构成的六角柱体。
所以第一布里渊区是一个六角柱体。
比倒格子六方要小。
7．略8、证明一维NaCl 晶体的马德隆常数为2ln 2=α证明：，，则左右两侧对称分布任选一参考离子i最近距离）为晶格常数（正负离子；这里令a a a r j ij =.为其中，异号为＋；同号; (4131211121)＝那么，有：-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+-=±∑j j a α (4)32)1ln(利用展开式：432+-+-=+x x x x x (4)1312112ln ，得：1令+-+-==x 2ln 2=∴α9、若离子间的排斥势用ρλre -来表示，只考虑最近邻离子间的排斥作用，试导出离子晶体结合能的表达式，并讨论参数λ和ρ应如何决定。
解：离子为原点）（以，则设最近邻离子间距离为i r a r r j ij =⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧±=-=-，（最近邻以外）4），（最近邻，4)(0202/ij ij ij r ij r e r r r e er u ij πεπελρ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-±-=∑∑-≠最近邻/)(02142总相互作用能为：ρλπεr Nij jea re N U为最近邻离子数其中)1......(....................；42/02Z e Z r e NU r ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=∴-ρλπεα)2.....(....................4；得：0由平衡条件：/20020ρλπεραr r r eZ r e r U -===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂)3...(....................142得：0002⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=r r e NU ρπεα )(结合能0r U E c -=)4.........(. (91)等离子晶体：对于0220r r r U Nr K NaCl =⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂= )5..(..........142181/2300200⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=∴-ρρλπεαr e Z r e r K )6........(..........1442181得：)5(代入)2(将20023020⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅+-=ρπεαπεαr e r e r K)7.....(.. (7224)00202Kr e r e πεααρ+=∴ )8..(....................4得：)2(由/20020ρπεραλreZr e =10、如果NaCl 结构晶体中离子的电荷增加一倍，假定排斥势不变，试估计晶体的结合能及离子间的平衡距离将产生多大变化。
解：)1........(42总相互作用能02⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=n r B r e NU πεα )2.(..........0421020020=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+=n r r r nB r e N r U πεα )2....(..........4得：'11200-⎪⎪⎭⎫⎝⎛=n e nB r απε)3.....(..........4得：)2(由1002-=n r ne B πεα)4........(118)(得：)1(代入)3(0020⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=n r e N r U πεα 11100'4)()2(4)()2(可知：)4(和)2(时，由2变为当电荷由--==n nne U e U e r e r e e11、在一维单原子晶格中，若考虑每一院子于其余所有原子都有作用，在简谐近似下求格波的色散关系。
∑∑≠≠+=-=ji ijij j i ij ij u U u x U 20041)(21解：在简谐近似下：βφ)(41个原子的运动方程：第222∑≠∂∂-=∂∂-=j i ij ij n n n u u u U dtu d m n β)(41右边)(2)(2∑∑≠≠+∂∂-=n j nj nj n i in in n u u u ββ))()((41)(2)(2∑∑≠≠-+-∂∂-=n j n j nj n i i n in n u u u u u ββ))()((21)()(∑∑≠≠----=nj n j nj n i i n in u u u u ββ∑≠-=)()(ni n i in u u β∑-+=-+pn p n pn p u u u )2(β∑-+=-=---+------pn aq p n t i aq p n t i pnaq t i naq t i n u Ae Ae Ae m Aeu )2(代入上式得：设))(())(()(2)(ωωωωβω ∑-=pp paq m)cos 1(2整理，得：2βω12、设有一维双原子晶格，两种院子的质量相等，最近邻原子间的力常数交错地等于1β和2β，试求格波的色散关系。
nn n n n n n n u u u dtu d m )()()(解：2121121122ββυβυβυβυβ+-+=-+-=--nn n n n n n n u u u u dt d m υββββυβυβυ)()()(2111211222+-+=-+-=++)()(;试探解：t naq i n t naq i n Be Ae u ωωυ----==BA AeB m A B Be A m iaqiaq )()(代入方程，得：2121221212ββββωββββω+-+=-+-+=--0)()()(2121221221=+-++--+-ββωββββωββm e e m iaq iaqmaqcos 2经计算，得：212221212ββββββω++±+=13、已知一维单原子晶格的格波色散关系为)cos 1(2)(2qa Mq -=βω试求：(1)格波的模密度g(ω);(2)低温下晶格热容与温度的比例关系。
⎰-=))((2)(解：一维时，模密度q dq lg ωωδπωaqdqMad M aq sin 22;21cos 由色散关系，得：2βωωωβ=-=2/142224⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=∴ωβωββωωM M M a d dq⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⋅=mq M q M M a q q d q l g ωωβωββωωδωωπω02/14222)(4)())(()()(22)( 2/142224⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ωβωββωπM M Ma l⎰-∂∂=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=mT k d g T T EC B ωυυωωωω01)/exp()(晶格热容：）1项，（因为低温，略去4<<ωω⎰-⋅∂∂=∴mB Tk e d M M a l TC ωωυωωωββωπ01 ⎰∞-∂∂=01ωωβπωd eTM alTk B)似为无穷大主要，所以上限可以近因为低温，频率低的占(⎰∞-=0222)1(dx e e x T k M al xxBβπ3经计算，上面积分＝2πT Ma lk C B ⋅=∴βπυ3214、将Debye 模型用于一维晶格，求低温下晶格热容与温度的关系，并和上题的结果进行比较，讨论Debye 模型的合理性。