固体物理学-试题及答案
高校物理专业固体物理学期末考试试卷及答案
高校物理专业固体物理学期末考试试卷及答案一、选择题（每题2分，共40分）1. 下列哪种材料是典型的固体？A. 水B. 空气C. 玻璃D. 油2. 表征物质导电性质的关键因素是：A. 导热系数B. 形变C. 导电子数D. 电阻率3. 相互作用力程远大于它的大小尺度的物质状态是：A. 液体B. 气体C. 等离子体D. 固体4. 根据原子内部粒子组织排列方式的不同，将固体分为晶体和非晶态，以下哪种属于非晶态？A. 钻石B. 石英C. 玻璃D. 铜5. 材料的抗拉强度指的是：A. 材料在拉伸过程中发生断裂的能力B. 材料的硬度C. 材料的耐磨性D. 材料的延展性（以下为第6题至第40题的选项省略）二、填空题（每题3分，共30分）1. 固体的最基本由原子、分子或离子组成的单位结构叫作_____________。
2. 点阵是固体晶体结构中原子、离子或分子的_____________组成的排列方式。
3. 若一堆物体在某种温度下开始熔化，则该温度即为该物质的_____________点。
4. 固体由于结构的紧密性，其密度通常较_____________。
5. 金属中导电电子为材料的_____________。
6. 非晶态材料的特点是_____________无规律的原子组织结构。
（以下为第7题至第30题的空格省略）三、问答题（共30分）1. 简述固体物理学研究的基本内容和意义。
解答：固体物理学研究的基本内容主要包括固体材料的结构、性质和应用等方面。
它通过研究固体的微观结构和宏观性质，探索物质内部的相互作用和运动规律，从而深入了解固体物质的特性和行为。
固体物理学的研究对于提高材料的功能和性能具有重要意义。
通过深入研究固体的结构和性质，我们可以开发出更好的材料，改善材料的导电、导热、机械强度等性能，为社会发展和工业生产提供重要支持。
同时，固体物理学的研究还能够为其他领域的科学研究提供基础和支撑，如电子学、光学、磁学等。
固体物理学 试卷答案
一、简述题1. 声子: 晶格振动中格波的能量量子. 每个振动模式的能量均以ωh 为单位，能量递增为ωh 的整数倍--声子的能量，一个格波就是一个振动模式，对应一种声子.2. 费米能: 电子按泡利不相容原理，能量从低至高逐级填充，所达到的最高能级.3. 空穴: 在能带中有某一个状态k 未被电子占据，此时能带是未满带—近满带,近满带中的电流如同一个正电荷e 所产生的，其运动速度等于处在k 状态的电子运动的速度.这种空的状态称为空穴.空穴可以看成是一个带正电荷具有正有效质量的粒子.4.能带理论的基本假设: (1)绝热近似:将固体分开为电子系统及离子实系统的一种近似方法;(2)单电子近似（自洽场近似）:利用哈特里-福克方法将多电子问题归结为单电子问题;(3)周期场近似:假定单电子势场具有与晶格同样的平移对称性.二、推导题对二维简单格子,按德拜模型,求出晶格热容,并讨论高低、温极限.解:德拜模型格波为弹性波,色散关系为vq =ω,在二维波矢空间内,格波等频线是一个个圆周.在dq q q +→区间内波矢数为:()ωπωππd v S qdq S dz ⋅=⋅=22222 模式密度: ()22v S d dz d πωωω==,二维介质由两支格波,总模式密度: ()2vS g πωω= 格波振动能: ()ωωπωωωd e v S E m kT ∫−=021h h晶格热容: ()ωωωπωωωd e e kT k vS C m kT kT V ∫−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=02221h h h 其中 ()N d v S d g m m 2020==∫∫ωπωωωωω 令 kT x ωh =, ()dx e x e kT k v Sk C D x x V ∫Θ−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=023221h π其中 km D ωh =Θ 高温极限, x e x +≈1,Nk C V 2≈,与经典理论一致.低温极限, ∞→ΘT D ,()()361023ζ=−∫∞dx e x e x x (常数)2AT C V =在低温下二维晶格的热容量与温度的平方成正比.三、计算题已知铝为三价金属,原子量为27,密度为2.7g/cm 3, 求金属铝在K 0=T 下的费米波矢、费米能和费米速度. 解:由题设可得金属铝的电子浓度为:()()32932323m 108.1cm 108.11002.6277.23−−×=×=⎟⎠⎞⎜⎝⎛×××=n ()()()11031292312m 1075.1108.133−×=×××==ππn k F ()11.7eV J 1087.11011.921075.1100546.1218312103422=×=×××××==−−−m k F F h ε()s m k v F F /m 1003.21011.91075.1100546.16311034×=××××==−−h四、推导题设电子在周期性势场中的势能函数为：()()()()⎩⎨⎧+≤<−+−+≤<=a n x d a n d a n x na V x V 11,01,0 ，其中，d a 2=.1. 画出此势能曲线，求势能的平均值；2. 用近自由电子模型，求出晶体的第一及第二个禁带宽度.解:1.势能函数为周期性函数,取一个周期,0=n()⎩⎨⎧≤<=−≤<=d x d d d a x V x V 2,00,0画出势能曲线略. 在一个周期内求势能平均值.()000021d 1d 1V x V a x x V a V d a ===∫∫ 2.根据近自由电子近似模型,禁带宽度 n g V E 2= d x an i d x a πn -i n e a n i a V x e V a V 02002021d 1ππ−−⋅==∫=()[]1120+−n n V π π01122V V E g ==, 0222==V E g五、说明题试举一例,说明晶体中的缺陷对晶体相关性质的影响和实际应用.要点:以晶体中得某一种缺陷(空位,填隙,位错等等)为例,说明对晶体力学,光,电性质得影响,并进一步讨论实际应用.具备以上要点即可得分.六、证明题试证明:在磁场中运动的布洛赫电子,在k 空间中轨迹面积νA 和在r 空间的轨迹面积r A 之间的关系为: νA eB A r 2⎟⎠⎞⎜⎝⎛=h , 式中B 为磁场强度. 证: 在磁场中电子受到洛仑兹力的作用.由晶体电子准经典运动方程B dt r d e B v e dt k d v v v v v h ×⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=×−= 两边对时间t 积分得:B r e k v v v h ×−=在垂直B 得平面内,线元r ∆与k ∆得关系为:k eB r ∆⎟⎠⎞⎜⎝⎛=∆h 所以电子在k 空间中轨迹面积νA 和在r 空间的轨迹面积r A 之间的关系为:νA eB A r 2⎟⎠⎞⎜⎝⎛=h。
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。
固体物理学考试题及答案
固体物理学考试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 固体物理学中，描述晶体中原子排列的周期性规律的数学表达式是（）。
A. 布洛赫定理B. 薛定谔方程C. 泡利不相容原理D. 费米-狄拉克统计答案：A2. 固体中电子的能带结构是由（）决定的。
A. 原子的核外电子B. 晶体的周期性势场C. 原子的核电荷D. 原子的电子云答案：B3. 在固体物理学中，金属导电的原因是（）。
A. 金属中存在自由电子B. 金属原子的电子云重叠C. 金属原子的价电子可以自由移动D. 金属原子的电子云完全重叠答案：C4. 半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，这是因为（）。
A. 半导体材料中没有自由电子B. 半导体材料的能带结构中存在带隙C. 半导体材料的原子排列无序D. 半导体材料的电子云完全重叠答案：B5. 固体物理学中，描述固体中电子的波动性的数学表达式是（）。
A. 薛定谔方程B. 麦克斯韦方程C. 牛顿第二定律D. 热力学第一定律答案：A6. 固体中声子的概念是由（）提出的。
A. 爱因斯坦B. 德拜C. 玻尔D. 费米答案：B7. 固体中电子的费米能级是指（）。
A. 电子在固体中的最大能量B. 电子在固体中的最小能量C. 电子在固体中的平均水平能量D. 电子在固体中的动能答案：A8. 固体物理学中，描述固体中电子的分布的统计规律是（）。
A. 麦克斯韦-玻尔兹曼统计B. 费米-狄拉克统计C. 玻色-爱因斯坦统计D. 高斯统计答案：B9. 固体中电子的能带理论是由（）提出的。
A. 薛定谔B. 泡利C. 费米D. 索末菲答案：D10. 固体中电子的跃迁导致（）的发射或吸收。
A. 光子B. 声子C. 电子D. 质子答案：A二、填空题（每题2分，共20分）1. 固体物理学中，晶体的周期性势场是由原子的______产生的。
答案：周期性排列2. 固体中电子的能带结构中，导带和价带之间的能量区域称为______。
答案：带隙3. 金属导电的原因是金属原子的价电子可以______。
固体物理学考试试题及答案
固体物理学考试试题及答案题目一：1. 介绍固体物理学的定义和基本研究对象。
答案：固体物理学是研究固态物质行为和性质的学科领域。
它主要研究固态物质的结构、形态、力学性质、磁学性质、电学性质、热学性质等方面的现象和规律。
2. 简述晶体和非晶体的区别。
答案：晶体是具有有序结构的固体，其原子、离子或分子排列规则且呈现周期性重复的结构。
非晶体则是没有明显周期性重复结构的固体,其原子、离子或分子呈现无序排列。
3. 解释晶体中“倒易格”和“布里渊区”的概念。
答案：倒易格是晶体中倒格矢所围成的区域，在倒易格中同样存在周期性的结构。
布里渊区是倒易格中包含所有倒格矢的最小单元。
4. 介绍固体中的声子。
答案：声子是固体中传递声波和热传导的一种元激发。
它可以看作是晶体振动的一种量子，具有能量和动量。
5. 解释“价带”和“能带”之间的关系。
答案：价带是材料中的电子可能占据的最高能量带。
能带是电子能量允许的范围，它由连续的价带和导带组成。
6. 说明禁带的概念及其在材料中的作用。
答案：禁带是能带中不允许电子存在的能量范围。
禁带的存在影响着材料的导电性和光学性质，决定了材料是绝缘体、导体还是半导体。
题目二：1. 论述X射线衍射测定晶体结构的原理。
答案：X射线衍射利用了X射线与晶体的相互作用来测定晶体结构。
当X 射线遇到晶体时，晶体中的晶格会将X射线发生衍射，衍射图样可以提供关于晶体的结构信息。
2. 解释滑移运动及其对晶体的影响。
答案：滑移运动是晶体中原子沿晶格面滑动而发生的变形过程。
滑移运动会导致晶体的塑性变形和晶体内部产生位错，影响了晶体的力学性质和导电性能。
3. 简述离子的间隙、亚格子和空位的概念。
答案：间隙是晶体结构中两个相邻原子之间的空间，可以包含其他原子或分子。
亚格子是晶体结构中一个位置上可能有不同种类原子或离子存在的情况。
空位是晶体结构中存在的缺陷，即某个原子或离子缺失。
4. 解释拓扑绝缘体的特点和其应用前景。
答案：拓扑绝缘体是一种特殊的绝缘体，其表面或边界上存在不同于体内的非平庸的拓扑态。
大学固体物理试题及答案
大学固体物理试题及答案一、选择题（每题5分，共20分）1. 下列关于晶体结构的描述，错误的是：A. 晶体具有规则的几何外形B. 晶体内部的原子排列是无序的C. 晶体具有各向异性D. 晶体具有固定的熔点答案：B2. 固体物理中，描述电子在晶格中运动的方程是：A. 薛定谔方程B. 牛顿运动方程C. 麦克斯韦方程D. 热力学第一定律答案：A3. 固体中，电子能带的宽度与下列哪个因素有关？A. 电子的电荷B. 电子的质量C. 晶格的周期性D. 电子的自旋答案：C4. 金属导电的原因是：A. 金属内部存在自由电子B. 金属内部存在空穴C. 金属内部存在离子D. 金属内部存在分子答案：A二、填空题（每题5分，共20分）1. 晶体的周期性结构可以用_________来描述。
答案：晶格常数2. 能带理论中，电子在能带之间跃迁需要吸收或释放_________。
答案：光子3. 根据泡利不相容原理，一个原子轨道内最多可以容纳_________个电子。
答案：24. 半导体的导电性介于金属和绝缘体之间，其原因是半导体的_________较窄。
答案：能带间隙三、简答题（每题10分，共30分）1. 简要说明什么是费米能级，并解释其在固体物理中的重要性。
答案：费米能级是指在绝对零度时，电子占据的最高能级。
在固体物理中，费米能级是描述电子分布状态的重要参数，它决定了固体的导电性、磁性等物理性质。
2. 解释为什么金属在常温下具有良好的导电性。
答案：金属具有良好的导电性是因为其内部存在大量的自由电子，这些电子可以在电场作用下自由移动，形成电流。
3. 什么是超导现象？请简述其物理机制。
答案：超导现象是指某些材料在低于某一临界温度时，电阻突然降为零的现象。
其物理机制与电子之间的库珀对形成有关，这些库珀对在低温下能够无阻碍地流动，从而实现零电阻。
四、计算题（每题15分，共30分）1. 假设一个一维晶格，晶格常数为a，电子的有效质量为m*，求电子在第一能带的最低能级。
固体物理复习题答案完整版
一·简答题1.晶格常数为a 的体心立方、面心立方结构，分别表示出它们的基矢、原胞体积以及最近邻的格点数。
（答案参考教材P7－8）（1）体心立方基矢：123()2()2()2ai j k a i j k ai j k ααα=+-=-++=-+，体积：312a ，最近邻格点数：8（2）面心立方基矢：123()2()2()2a i j a j k ak i ααα=+=+=+，体积：314a ，最近邻格点数：122.习题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 aa a CA CB h h h h =-=-，112233G h b h b h b =++ 利用2i j ij a b πδ⋅=，容易证明12312300h h h h h h G CA G CB ⋅=⋅=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。
3.习题 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：22222()d a h k l =++，其中a 为立方边长；解：简单立方晶格：123a a a ⊥⊥，123,,a ai a aj a ak === 由倒格子基矢的定义：2311232a a b a a a π⨯=⋅⨯，3121232a a b a a a π⨯=⋅⨯，1231232a a b a a a π⨯=⋅⨯倒格子基矢：123222,,b i b j b k a a aπππ=== 倒格子矢量：123G hb kb lb =++，222G hi k j l k a a aπππ=++ 晶面族()hkl 的面间距：2d Gπ=2221()()()h k l a a a=++4.习题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。
固体物理参考答案(修正版)
固体物理试题及参考答案注意：本答案仅供参考作答，名词解释部分有个别题不是很精确，如有自己的想法请自己把握，作图题由于不专业只能表示大概意思，但应该不会有错，一、名词解释1布里渊区：布里渊区是空间中由倒格矢的中垂面所围成的区域，按序号由倒空间的原点逐步向外扩展，可分为第一布里渊区、第二布里渊区、第三布里渊区等等。
2倒格子：晶格经傅里叶变换所得到的几何格子，其倒格子基矢定义：3声子：格波的能量量子，声子的能量为ħω，准动量为4声学波和光学波：声学波是晶格振动中频率比较低的、而且频率随波矢变化较大的那一支格波，描述的是晶体中原胞的整体运动；描述的是晶体中原胞内原子之间的相对运动。
5能带：由于原子之间的相互作用，当若干个原子相互靠近时，由于彼此之间的力的作用，原子原有能级发生分裂，由一条变成多条，形成的众多能级间的间隔很小，故可近似看成连续的，即称之为能带。
6布洛赫函数：当势场具有晶格周期性时，对于含有晶格周期势的薛定谔方程，其解必定具有形式，则晶体中的波函数具有调幅的平面波形式，称其波函数为布洛赫函数。
7电负性：电负性是原子对核外电子束缚能力大小的量度，通常用电离能与亲合能之和表示。
8布拉伐格子：晶体结构中全同原子构成的晶格称为布拉伐格子。
9等效晶面：简单立方晶格中晶面的密勒指数和晶面法线的晶向指数完全相同的面。
10赝势：在离子实内部，用假想的势能取代真实的势能，求解波动方程时，如不改变其能量本征值及离子实之间的区域的波函数，这个假想的势叫做赝势。
二、证明题11证明：体心立方晶格的倒格子是面心立方。
12、证明倒格子原胞的体积为，其中为正格子原胞的体积。
三、作图题13、在面心立方和体心立方的晶胞图上分别画出其原胞。
答：图如下：14、请在下图中标明[110]、[010]、(100)、(111)晶向和晶面。
答：【注意：由于此图没有相应的作图软件，不能画得和老师一样的立体效果，请同学们对照作图】四、简答题15、通过原子电负性的定义及周期分布，说明离子晶体形成的特征。
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得
分
二、简答与作图题（每题10分,共20分）
1、在考虑晶格振动对晶体热容的贡献时，爱因斯坦模型和德拜模型分别是怎样的？并定性说明二者的结果.
2、画体心立方晶格结构的金属在(100)，(110），(111)面上原子排列。
2、体心立方晶体结构中原子球的排列方式为(ABAB，ABCABC），六角密排晶体结构中原子球的排列方式为(ABAB，ABCABC)。
3、在简立方晶体结构中，与（100)、（110）、（111)晶面等效的晶面数分别为，，。
4、固体结合的类型一般有：离子键结合、、、范德瓦尔斯键结合等.
5、固体的热容量在常温附近遵守杜珑-帕蒂定律，即等于；在低温下，固体的热容量随温度降低而(升高，降低）。
3、解：，,5分；，5分。
4、解：一维晶格的能带E（k) = ε0−β − 2γcos（ka）,10分；电子速度，5分；在边界，,,5分.
4、(无机非金属专业选作)解:第一能带，5分；第二能带，5分；第三能带,5分；第四能带，5分。
课程考试试题纸
课程名称：
固体物理学
考试方式:
闭卷
印刷份数：
学院:
任课教师：
专业年级:
题பைடு நூலகம்
号
一
二
三
四
五
六
七
八
总分
阅卷
教师
得
分
……………………………………………………………………………………………………
得
分
一、填空题（每小题2分，共30分）
1、对简立方晶体结构,立方体边长为a，其最近邻的原子数为，最近邻原子的间距为。次近邻的原子数为，次近邻原子的间距为。
得
分
三、计算题
1、(10分）假设III—V族化合物中,III族、V族原子都是电中性的（q＊=0）求其电离度fi。
2、(10分）如果将等体积球分别排列成：（1）面心立方，（2）体心立方结构,设x表示刚球所占体积与总体积之比，计算x的值.
3、（10分）对于一个二维简单正方晶格,分别计算在其第一布里渊区顶角和该区一边中点上的一个自由电子的动能。
4、(20分）采用紧束缚近似，计算一维单原子晶格中,简约布里渊区边界电子的速度,设晶格常数为a。
4、（无机非金属专业选作,20分)求出一维近自由电子近似中,第n个能带(n=1，2，3，4)中，简约波数的0级波函数.
一、1、6，a, 12,；2、ABAB, ABCABC；3、3，6，4；4、共价键,金属键；
5、3Nk或3R，降低;6、格波，N.
二、1、爱因斯坦模型：晶体中所有振动频率一样.高温时与杜龙-帕替定律一致，低温时随温度降低，但快于实验值。德拜模型：连续介质的弹性波，频率有分布。在高温和低温都与实验符合较好.
2、,。
三、1、解：，，5分；，5分。
2、解：对面心立方，,5分;对体心立方，，5分。