固体物理复习资料.doc

固体物理 1. 固体固体是物质存在的一种状态。与液体和气体相比固体有比较固定的体积和形状、质地比较坚硬。固体是由数量级为10*23的粒子所结合成的宏观体系，是一个复杂的多体系统。固体的基态（即T=0K时的状态）不仅是能量最低的状态，而且还是某种有序状态。从微观角度分析，实验上所测得的宏观属性是固体在外扰动作用下从基态跃迁到激发态时所产生的响应。2. 晶体的分类按晶胞分：立方 六方 四方 三方 正交 单斜 三斜晶系按对称性分：立方体 六方体按功能分：导体 半导体 绝缘体 磁介质 电介质 超导体按结合方式分：共价 离子 金属3. X射线波长介于紫外线和射线间的电磁辐射。X射线是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为（200.06）10-8厘米之间。X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的。X射线衍射X-ray diffraction-揭示了晶体内部结构定义：X射线受到原子核外电子的散射而发生的衍射现象。由于晶体中规则的原子排列就会产生规则的衍射图像，可据此计算分子中各种原子间的距离和空间排列。是分析大分子空间结构有用的方法。原理1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射的基本原理。晶体衍射基础的著名公式布拉格方程：2d sin=n式中为X射线的波长，n为任何正整数。4. 倒格子与正格子之间的关系（注意：加粗的字母是矢量）一 正格原胞体积与倒格原胞体积之积等于2的3次方二 正格子与倒格子互为对方的倒格子三 倒格矢K h=h1b1+h2b2+h3b3与正格子晶面族（h1h2h3）正交四 倒格矢K h的模与晶面族（h1h2h3）的面间距成反比5. 晶格动力学(第三章第一节)6. 声子概念声子就是“晶格振动的简正模能量量子。”英文是phonon。为什么要引入？引入声子的概念便于处理固体中相互作用问题，把声子当作有能量和动量的玻色粒子来处理，十分方便。在固体物理学的概念中，结晶态固体中的原子或分子是按一定的规律排列在晶格上的。在晶体中，声子间有相互作用，原子并非是静止的，它们总是围绕着其平衡位置在作不断的振动。另一方面，这些原子又通过其间的相互作用力而连系在一起，即它们各自的振动不是彼此独立的。原子之间的相互作用力一般可以很好地近似为弹性力。形象地讲，若把原子比作小球的话，整个晶体犹如由许多规则排列的小球构成，而小球之间又彼此由弹簧连接起来一般，从而每个原子的振动都要牵动周围的原子，使振动以弹性波的形式在晶体中传播。这种振动在理论上可以认为是一系列基本的振动（即简正振动）的叠加。当原子振动的振幅与原子间距的比值很小时（这在一般情况下总是固体中在定量上高度正确的原子运动图象），如果我们在原子振动的势能展开式中只取到平方项的话（这即所谓的简谐近似），那么，这些组成晶体中弹性波的各个基本的简正振动就是彼此独立的。换句话说，每一种简正振动模式实际上就是一种具有特定的频率、波长和一定传播方向的弹性波，整个系统也就相当于由一系列相互独立的谐振子构成。在经典理论中，这些谐振子的能量将是连续的，但按照量子力学，它们的能量则必须是量子化的，只能取h的整数倍，即En=（n+1/2）h（其中1/2h为零点能）。这样，相应的能态En就可以认为是由n个能量为h的“激发量子”相加而成。而这种量子化了的弹性波的最小单位就叫声子。声子是一种元激发声子并不是一个真正的粒子，声子可以产生和消灭，有相互作用的声子数不守恒，声子动量的守恒律也不同于一般的粒子，并且声子不能脱离固体存在。声子只是格波激发的量子，在多体理论中称为集体振荡的元激发或准粒子。声子的化学势为零，属于玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计。声子本身并不具有物理动量，但是携带有准动量，并具有能量。光子与声子是既有区别，又有共性： 其共性之一是：它们都具有波的周期性、衍射、干扰等特性。 其共性之二是：它们能量最小单元都为 hv。 其共性之三是：它们都可用测定波源与观测点间的距离l及二点间传输的时间t ,求出（平均）波速 其共性之四是：它们都可用测定波的频率v与波长,求出波速u=v。 其共性之五是：它们都有具有波源的运动不会改变(某坐标系中的)波速的特性 光子和声子的产生机制 根据光电效应和康普顿效应。光和物质相互作用时表现出粒子性，即光子。声子不能脱离固体存在，声子只是格波激发的量子，在多体理论中称为集体震荡的元激发或准粒子。光子和声子的联系光波与离子晶体的长光学横波可以发生强烈的耦合，形成声光子。在非离子晶体中，光子也能与晶格振动发生相互作用，因为晶格振动使晶体内的电子分布发生变化，从而使晶体的光学常数发生变化，如折射率，这就会使在晶体中传播的光波频率和波矢都发生相应变化。另一方面，光波在晶体中传播时，光电场会使晶体的力学性质发生变化，如弹性系数，从而使晶体的晶格振动也发生相应的变化，光子也能和晶格振动发生相互作用，这种相互作用可以理解为光子收到声子的非弹性散射，同时满足动量守恒和能量守恒定律。光子与长声学波声子的相互作用一般称为光子的布里渊散射。光子和光学波声子的相互作用称为光子的拉漫散射。两种散射都不会有倒逆散射。7. 黄昆先生（1919-2005）黄昆 固体物理、半导体物理学家1985年当选为第三世界科学院院士。中国科学院半导体研究所研究员、名誉所长。是国际著名的中国物理学家、教育家、中国固体物理学先驱、中国半导体技术奠基人。获2001年度国家最高科学技术奖对固体物理的贡献（1） 四十年代，提出固体中杂质缺陷导致X光漫散射的理论，六十年代证实并得到应用，被称为“黄曼散射”。（2） 1950年同其夫人艾夫合作，首次提出多声子无辐射跃迁理论-“黄里斯理论”。（3） 1951年，首次提出描述晶体中光学位移，宏观电场与电极化三者关系的“黄方程”，1963年，拉曼散射实验证实。黄昆著作晶格动力学理论玻恩,黄昆著 葛惟锟,贾惟义译 北京大学出版社 1989 ISBN 7-301-00836-8半导体物理进展与教学黄昆著半导体物理学黄昆，谢希德著 科学出版社 1958固体物理学黄昆著，韩汝琦改编 高