黄昆版固体物理课后习题解答

1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， Vcnx（1）对于简立方结构：（见教材P2图1-1 ）a=2r， V= ，Vc=a 3，n=13r4 52.06r8ax33（2）对于体心立方：晶胞的体对角线BG= x34ar3n=2, Vc=a3 68.03)r4(2arx3（3）对于面心立方：晶胞面对角线BC= r2a,r42n=4，Vc=a 3 7.062)r(4ar4x33（4）对于六角密排：a=2r晶胞面积： S=6 =260sinaSABO2a3晶胞的体积：V= 332r4a28a3CSn=12 =6个 21674.0r43x（5）对于金刚石结构，晶胞的体对角线BG= n=8, Vc=a33r8ar24a3234.06r384ar8x331.2、试证：六方密排堆积结构中 63.1)8(ac2/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。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()()ajkiaj由倒格子基矢的定义： 123()ba，31230,(),24,0aa223,0()4,ijkaaijk2134()()bijkijkaa同理可得： 即面心立方的倒格子基矢与体心立方的正格基矢相同。23()ijbka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()()aijkaijk3由倒格子基矢的定义： 123()ba，3123,(),2,aaa 223,(),2ijkaajk213()()bjkjkaa同理可得： 即体心立方的倒格子基矢与面心立方的正格基矢相同。23()ibja所以，体心立方的倒格子是面心立方。1.5、证明倒格子矢量 垂直于密勒指数为 的晶面系。123Ghb123()h证明：因为 ，3312,aaCABhh123Ghb利用 ，容易证明2ijijb1230hCA所以，倒格子矢量 垂直于密勒指数为 的晶面系。123b 123()h1.6、对于简单立方晶格，证明密勒指数为 的晶面系，面间距 满足： ，(,)hkld222()ahkl其中 为立方边长；并说明面指数简单的晶面，其面密度较大，容易解理。a解：简单立方晶格： ，123a123,aiajk由倒格子基矢的定义： ， ，1123b1223b123ab4倒格子基矢： 1232,bijbkaa倒格子矢量： ，Ghkl2Ghijlka晶面族 的面间距：()kld221()()kla22()adhkl面指数越简单的晶面，其晶面的间距越大，晶面上格点的密度越大，单位表面的能量越小，这样的晶面越容易解理。1.9、画出立方晶格（111）面、 （100）面、 （110）面，并指出（111）面与（100）面、 （111）面与（110）面的交线的晶向。解： (1)1、(111)面与(100)面的交线的 AB，AB 平移，A 与 O 点重合，B 点位矢： ，BRajk(111)面与(100)面的交线的晶向 ，晶向指数 。Bajk0(1)2、(111)面与(110)面的交线的 AB，将 AB 平移，A 与原点 O 重合，B 点位矢： ，(111)BRaij面与(110)面的交线的晶向 ，晶向指数 。Baij05第二章 固体结合2.1、两种一价离子组成的一维晶格的马德隆常数（ ）和库仑相互作用能，设离子的总数为2ln。2N解 设想一个由正负两种离子相间排列的无限长的离子键，取任一负离子作参考离子（这样马德隆常数中的正负号可以这样取，即遇正离子取正号，遇负离子取负号） ，用 r 表示相邻离子间的距离，于是有(1)12.34jijrrr前边的因子 2 是因为存在着两个相等距离 的离子，一个在参考离子左面，一个在其右面，故对一边求i和后要乘 2，马德隆常数为 234(1).nx当 X=1 时，有 1.2n2.3、若一晶体的相互作用能可以表示为()mnurr试求：（1）平衡间距 ；0（2）结合能 （单个原子的） ；W（3）体弹性模量；（4）若取 ，计算 及 的值。02,1,3,4nrAeV解：（1）求平衡间距 r0由 ，有：)(0rdu mnnmnm 1101.0 结合能：设想把分散的原子（离子或分子）结合成为晶体，将有一定的能量释放出来，这个能量称为结合能（用 w 表示）（2）求结合能 w（单个原子的）题中标明单个原子是为了使问题简化，说明组成晶体的基本单元是单个原子，而非原子团、离子基团，或其它复杂的基元。显然结合能就是平衡时，晶体的势能，即 Umin即： （可代入 r0 值，也可不代入）nmrrUW00)(（3）体弹性模量.2n6由体弹性模量公式： 0209rUVrk（4）m = 2，n = 10， ， w = 4eV，求 、Ar3818105r)5(4)( 802010.20 代 入rrrUeVW5)(20将 ， 代入Ar30 Je196.12153849.27mN（1）平衡间距 r0 的计算晶体内能 ()2nUr平衡条件 ， ，0rd10mn10()nmr（2）单个原子的结合能， ，01()Wur00()mnr1()nm()2nW（3）体弹性模量 02()VUK晶体的体积 ，A 为常数，N 为原胞数目3Vr晶体内能 ()2mnUr123r212()mnNVrNA0220009nmnVrr7由平衡条件 ，得01200()23mnVUNrAr0mnr02 22009nV022001mnVUNr2009mnNVr0()mnr0202()9VU体弹性模量 0nK（4）若取 02,1,3,4mrAWeV，10()nr()mn，102W201r，-9510.2eVm192.0eVm2.6、bcc 和 fcc Ne 的结合能，用林纳德琼斯(LennardJones)势计算 Ne 在 bcc 和 fcc 结构中的结合能之比值解 126 1261()4(),()(4)()2nlururNAr266612001rAd22061().5/9.)/(0.5743bcbcffu2.7、对于 ，从气体的测量得到 LennardJones 参数为 计算 fcc 结构的2H61,2.9JA的结合能以 KJ/mol 单位) ，每个氢分子可当做球形来处理结合能的实验值为 0.751kJmo1，试2与计算值比较8解 以 为基团，组成 fcc 结构的晶体，如略去动能，分子间按 LennardJones 势相互作用，2H则晶体的总相互作用能为： 126.ij ijjUNPR6124.539;.38,ij ijj i16 2350,.,6.0/.ergANmol因此，1262816.96.961/53452.5/.3Umolerg KJmol 将 R代 入 得 到 平 衡 时 的 晶 体 总 能 量 为。计算得到的 晶体的结合能为 255KJmol，远大于实验观察值 0.75lKJmo1 对于 的晶体，2H 2H量子修正是很重要的，我们计算中没有考虑零点能的量子修正，这正是造成理论和实验值之间巨大差别的原因9第三章 固格振动与晶体的热学性质3.1、已知一维单原子链，其中第 个格波，在第 个格点引起的位移为，jn， 为任意个相位因子，并已知在较高温度下每个格波的平均能量为，sin(_)njjjjjatqj具体计算每个原子的平方平均位移。解任意一个原子的位移是所有格波引起的位移的叠加，即（1）si()nnjjjjjtna2*2*nnjnjnjnj=由于 数目非常大为数量级，而且取正或取负几率相等，因此上式得第 2 项与第一项相比是一小nj量，可以忽略不计。所以 22nnj由于 是时间 的周期性函数，其长时间平均等于一个周期内的时间平均值为njt（ 2）022 211si()Tjjjjjjatnqdta已知较高温度下的每个格波的能量为 KT， 的动能时间平均值为nj0 022 201 1si()4LT Tnjjnj jjjjjdwaxtLtnaqdtwLa 其中 L 是原子链的长度， 使质量密度， 为周期。0所以 （3）214njjTwaKT因此 将此式代入（2）式有 22njjPL所以每个原子的平均位移为 22221nnjj jjKTPL3.2、讨论 N 个原胞的一维双原子链（相邻原子间距为 a） ，其 2N 个格波解，当 = 时与一维单原子Mm链的结果一一对应。 解：质量为 的原子位于 2n-1， 2n+1， 2n+3 ；质量为 的原子位于 2n， 2n+2， 2n+4 。 Mm牛顿运动方程 22121()nnnMN 个原胞，有 2N 个独立的方程10设方程的解 ，代回方程中得到(2)211itnaqnAeB22()(cos)0cosmAaqBaqMA、B 有非零解， ，则220cosaq12 2()41sin()maq两种不同的格波的色散关系12 222()i()41sinMaqm一个 q 对应有两支格波：一支声学波和一支光学波.总的格波数目为 2N. 当 时 ，Mm4cos2inaq两种色散关系如图所示：长波极限情况下 ， ，0qsi()2a