14春-固体物理-第一章习题解答参考
《固体物理学答案》第一章晶体的结构
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=Vr n 334π（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,,433a V r a ==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,,433a V r a ==晶胞内包含2个原子，所以ρ=ππ83)(*2334334=a a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 .图1.4面心立方晶胞（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,83r a =晶胞体积 3a V =,图1.7金刚石结构一个晶胞内包含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。
《固体物理学答案》第一章晶体的结构.doc
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，！; (2)体心立方，—7T；(5)念刚石结构，—-7T,16［解答］设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职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，表示刚性原子球半径，r表示晶胞体4 3n — 7D'积，则致密度p =(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= 4r，厂=a3,面1.2简立方晶胞晶胞内包含1个原子，所以(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力〃=4r,K = a\晶胞闪包含2个原子，所以(3)面心立方，(4)六角密积，2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 42a = 4r,V = a\ 1个晶胞内包含4个原子，所以图1.4面心立方晶胞(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，屮心在1的原子与屮心在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正叫面体晶胞闪的原子O 与屮心在1，3, 4, 5, 7, 8处的原子相切，即O 点与屮心在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11=^ = 2^ = ~一个晶胞内包含两个原子，所以晶胞体积V= ca 2 sin 60 ca ^ea 22*音吨)3(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0原子与中心在1，2，3, 4处的 原子相切，因为 43a = 8r,晶胞体积 V = a\图1.7金刚石结构 一个晶胞A 包含8个原子，所以/?2.在立方晶胞中，画出(102), (021), (122 )，和(210)晶面。
(参考资料)固体物理习题带答案
D E ( ) ，其中 ， 表示沿 x ， y ， z 轴的分量，我们选取 x ， y ， z
沿立方晶体的三个立方轴的方向。
显然，一般地讲，如果把电场 E 和晶体同时转动， D 也将做相同转动，我们将以 D' 表示转
动后的矢量。
设 E 沿 y 轴，这时，上面一般表达式将归结为：Dx xyE, Dy yyE, Dz zy E 。现在
偏转一个角度 tg 。（2）当晶体发生体膨胀时，反射线将偏转角度
tg ， 为体胀系数
3
解：（1）、布拉格衍射公式为 2d sin ，既然波长改变，则两边同时求导，有
2d cos ，将两式组合，则可得 tg 。
（2）、当晶体发生膨胀时，则为 d 改变，将布拉格衍射公式 2d sin 左右两边同时对 d
考虑把晶体和电场同时绕 y 轴转动 / 2 ，使 z 轴转到 x 轴， x 轴转到 z 轴， D 将做相同
转动，因此
D'x Dz zy E
D'y Dy yyE
D'z Dx xy E 但是，转动是以 E 方向为轴的，所以，实际上电场并未改变，同时，上述转动时立方晶体
的一个对称操作，所以转动前后晶体应没有任何差别，所以电位移矢量实际上应当不变，即
第一章：晶体结构 1． 证明：立方晶体中，晶向[hkl]垂直于晶面(hkl)。
证 明 ： 晶 向 [hkl] 为 h1 k2 l3 ， 其 倒 格 子 为
b1
2
a1
a2
a3
(a2 a3 )
b2
2
a1
a3 a1 (a2 a3)
b3
2
a1
a1
a2
(a2 a3)
。可以知道其倒格子矢量
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。
固体物理学1~6章习题解答
和a3
重合，那么
1.3
二维布拉维点阵只有5种，试列举并画图表示之。
答：二维布拉维点阵只有五种类型：正方、矩形、六角、有心矩形和斜方。分别如图所示：
正方 六方 矩形 带心矩形 平行四边形 a=b a=b a=b a≠b a≠b a^b=90° a^b=90° a^b=120° a^b=90° a^b≠90°
1.4 在六方晶系中，晶面常用4个指数（hkil）来表示，如图所示，前3个指数表示晶面族中最靠近原点的晶面在互成120°的共平面轴a1，a2，a3上的截距a1/h，a2/k，a3/i，第四个指数表示该晶面的六重轴c上的截距c/l.证明：i=-（h+k） 并将下列用（hkl）表示的晶面改用（hkil）表示：（001）(133)(110)(323)（100）（010）(213)
《固体物理学》习题解答
第一章
1.1 有许多金属即可形成体心立方结构，也可以形成面心立方结构。从一种结构转变为另一种结构时体积变化很小.设体积的变化可以忽略，并以Rf和Rb代表面心立方和体心立方结构中最近邻原子间的距离，试问Rf/Rb等于多少？
答：由题意已知，面心、体心立方结构同一棱边相邻原子的距离相等，都设为a：
答：证明
设晶面族（hkil）的晶面间距为d，晶面法线方向的单位矢量为n°。因为晶面族（hkil）中最靠近原点的晶面ABC在a1、a2、a3轴上的截距分别为a1/h，a2/k，a3/i，因此
对于面心立方，处于面心的原子与顶角原子的距离为：Rf
=a 2
对于体心立方，处于体心的原子与顶角原子的距离为：Rb
RfRb
那么，
1.2 晶面指数为（123）的晶面ABC是离原点O最近的晶面，OA、OB和OC分别与基失a1，a2和a3重合，除O点外，OA，OB和OC上是否有格点？若ABC面的指数为（234），情况又如何？
固体物理第1.参考答案与解析
第一章 参考答案1体心立方格子和面心立方格子互为正倒格子，试证明之。
证：体心立方格子的固体物理学原胞（Primitive cell ）的三个基矢是)(2),(2),(2321→→→→→→→→→→→→-+=+-=++-=k j i a a k j i a a k j i a a ⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫+=+=+==⨯⋅=ΩΩ⨯=Ω⨯=Ω⨯=→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→)(2)(2)(22122,2:3213321213132321j i a b i k a b k j ab aa a a a ab a a b a a b ππππππ定义它们是倒点阵面心立方的三个基矢。
2 对六角密堆积结构固体物理学原胞基矢如→→→→→→→→=+-=+=kc a ja i a a j a i a a 321232232求倒格子基矢。
解：;,213→→→⊥a a a→→→→→→→→+-=+===ja i a a ja i a a a a a 2322322121)33(32)32(22332123213→→→→→→→→→→→→+=+Ω=Ω⨯==⨯⋅=Ω=j i aac a i ac j a a b ca aa a a kc a πππ ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=Ω⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=→→→→→j i a a a b 3332/2132ππ→→→→=Ω⎪⎭⎫⎝⎛⨯=kc a a b ππ2/22133求解简单立方中晶面指数为(hkl)的晶面簇间距。
解：正格子基矢是 →→→→→→===k a c j a b i a a ,,令 为相应的倒基矢→→→***,,c b a21222***,,3***)()()(2222)(222-→→→→→→→→→→→→→→→→→⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==++=++==⨯⋅=Ω===a l a k ahK d kl a j k a i h a c l b k a h K a c b a kac j ab i aa hklnkl l k h πππππππ4 试证明六角密集结构中c/a=如图所示，ABC 分别表示六角密排结构中三个原子，D 表示中心的原子。
固体物理习题及答案
固体物理第一章习题及参考答案1．题图1－1表示了一个由两种元素原子构成的二维晶体，请分析并找出其基元，画出其布喇菲格子，初基元胞和W －S 元胞，写出元胞基矢表达式。
解：基元为晶体中最小重复单元，其图形具有一定任意性（不唯一）其中一个选择为该图的正六边形。
把一个基元用一个几何点代表，例如用B 种原子处的几何点代表（格点）所形成的格子 即为布拉菲格子。
初基元胞为一个晶体及其空间点阵中最小周期性重复单元，其图形选择也不唯一。
其中一种选法如图所示。
W －S 也如图所示。
左图中的正六边形为惯用元胞。
2.画出下列晶体的惯用元胞和布拉菲格子，写出它们的初基元胞基矢表达式，指明各晶体的结构及两种元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：基矢表示式参见教材（1－5）、（1－6）、（1－7）式。
11.对于六角密积结构，初基元胞基矢为→1a =→→+j i a 3(2 →→→+-=j i a a 3(22求其倒格子基矢，并判断倒格子也是六角的。
倒空间 ↑→ji i (B)由倒格基失的定义，可计算得Ω⨯=→→→3212a a b π=a π2)31(→→+j i →→→→→+-=Ω⨯=j i a a a b 31(22132ππ→→→→=Ω⨯=k ca ab ππ22213正空间二维元胞（初基）如图（A ）所示，倒空间初基元胞如图（B ）所示（1）由→→21b b 、组成的倒初基元胞构成倒空间点阵，具有C 6操作对称性，而C 6对称性是六角晶系的特征。
（2）由→→21a a 、构成的二维正初基元胞，与由→→21b b 、构成的倒初基元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。
12．用倒格矢的性质证明，立方晶格的（hcl ）晶向与晶面垂直。
证：由倒格矢的性质，倒格矢→→→→++=321b l b k b h G hkl 垂直于晶面（h 、k 、l ）。
固体物理学第一章课后答案修正版
固体物理学第一章作业。
1.1解：设立方晶体的边长为a,刚球所占体积与总体积之比，即晶体原胞的空间利用率,343V nr x π=其中n 为一个晶胞中的刚性原子数，r 为原子球相切时半径，V 为晶胞体积。
所以对下列结构，有：① 简单立方：3,1,2a v n a r ===，代入公式,343V nr x π=得52.06≈=πx 。
② 体心立方：3,2,43a v n a r ===，代入公式Vnr x 343π=得68.083≈=πx③ 面心立方：3,4,42a v n a r ===，代入公式Vnr x 343π=得74.062≈=πx④ 六方密排：32,2,2a v n a r ===，代入公式Vnr x 343π=得74.062≈=πx⑤ 金刚石：3,8,83a v n a r ===，代入公式Vnr x 343π=得34.0163≈=πx1.2证明：取密排六方中间层某一原子A ，向底面做投影，因为是密排的，所以原子A 的投影应于底面其中一个有三个原子构成的的三角形的中心B 处。
该原子投影点到底面某一原子F 的距离为31a d =，而中间层原子A 与底面原子F 的距离为a d =2所以()a d dc 3822122=-⨯=所以633.138≈=a c1.3解：体心立方晶格的正格子基矢为()()()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-+=+-=++-=k j i a a a a a a 222321体心立方晶格原胞体积为()()()2433321a k j k j i a a a a V =+∙++-=⨯∙= 由倒格子定义，()()()()k j a k j i k j i a V b +=-+⨯+-=⨯=πππ24222321321同理可得，()()a 22321132+=⨯∙=a a a b ππ()()a22321213+=⨯∙=a a a b ππ所以由1b 、2、3b 为基矢构成的晶格为面心立方晶格。
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rr r b1, b2 , b3也不
是唯一的。因而有人说一个布拉维格子可以对应几个倒格子，对吗？复式
kx
2
a
, kx
2
a
,
ky
2
a
,ky
2
a
与第1、2布里渊区界面围成区域为第3布里渊区
1.7 底心立方是否是布拉菲格子？如果是，写出它的基矢；
底心格点与顶角格点周围情况完全相同， 构成简单立方布拉菲格子。
cb
a
注意：立方晶系不存在底心立方点阵，因 为它失去四条3次轴，只保留一条4次轴，成 为简单立方晶格。
晶胞中的原子数
密堆积时的刚性原子 球半径
（晶格常数为a）
致密度= 刚性原子球体积/晶
胞体积
习题：1、3、5、6、7、9、10、11、12、13、14、
1.1 对二维正六方晶格，若其对边之间的距离为 。a
rr
rr
（1）写出正格子基矢 a1和, a倒2 格子基矢 的b表1, b示2式；
（2）证明其倒格子也是正六方格子；
h1 1, h2 1,
2k x
ky
3
a
h1
2, h2
0, k x
2
2
a
h1
0, h2
2, k y
2
a
在倒格子空间画出第一、第二布里渊区示意图,
ky
3 / a
2 / a
/a
2 2 / a
kx
2 / a 3 / 2a
准晶体 粒子有序排列介于晶体和非 晶体之间。但没有平移对称 性、只具有5重旋转对称性。
单晶体 粒子在整个固体中严格周期性排 列，具有严格的平移对称性、具 有8种基本点对称操作性。
多晶体 粒子在微米尺度内有序排 列形成晶粒，晶粒随机堆积
（2）非晶、单晶、多晶、准晶的性质 单晶体
自限性--自发生长的晶体具有固定几何外形 解理性 --沿某些晶面方位容易劈裂的性质
晶胞：
基矢
a
ai ,b
aj ,
c
ak
ar
r b
cr
a
体积 a 3 晶胞含２个格点
1.8 简述非晶、单晶、多晶、准晶的结构特征和性质 （1）非晶、单晶、多晶、准晶的结构特征
固体
非晶体 粒子在几个原子 范围排列有序 （短程有序）
晶体 粒子在微米尺度 有序排列（长程 有序）
（1）画出（1,1,0）面二维格子的原胞，并写出其基矢；
（2）画出（1,1,0）面二维格子的第一、第二布里渊区；
4、求面心立方晶格的最大面密度的晶面族，并写出最大面密度表达式；
5、证明立方晶系晶面族 hkl 的面间距；
6、画二维正方格子第一、二、三布里渊区，写出对应的布里渊区界面方程；
7、底心立方是否是布拉菲格子？如果是，写出它的基矢；
ky a
kx
a
界面方程：
kx a ,
kx
kx
a
,
ky
a
,
ky
a
第2布里渊区：
离原点次近邻有４个倒格点 (h1 1, h2 1),(h1 1, h2 1), (h1 1, h2 1),(h1 1, h2 1)
界面方程：
kx
第一章 习题
1、对二维正六方晶格，若其对边之间的距离为a。
rr
rr
（1）写出正格子基矢 a1, a2 和倒格子基矢 b1, b2的表示式；
（2）证明其倒格子也是正六方格子；
2、对面心立方晶格，在晶胞基矢坐标系中，某一晶面族的密勒指数为(hkl) ，
求在原胞基矢坐标系中，该晶面族的晶面指数；
3、硅半导体是金刚石结构，设其晶格常数为a
a1
a
i
2
a3 2
j
a
a2
a
i
2
a3 2
j
a2
j
i
a1
取单位矢量 k垂直于 i、j ,原a3 胞 k体积，
r i
rr jk
d
r a1
r a2
r a3
(a 2
r i
a3 2
r j)
a 2
a3 2
0
3a2 2
0 01
倒格子原胞基矢，
b a3 a
与晶胞坐标系对应的倒格子基矢：
a
2
i ,b
2
j,
c
2
k
a
a
a
原胞基矢
a
a1 2 ( j k )
a2
a 2
(i
k)
a1 a2 a3
a3
a 2
(i
j)
与原胞坐标系对应的倒格子(体心立方)基矢：
k G
1
2 G
2
h1kx h2k y a
h12 h22
第1布里渊区：
离原点最近的４个倒格点 (h1 1, h2 0),(h1 1, h2 0), (h1 0, h2 1),(h1 0, h2 1)
ky
原点
kx a
ky a
解、 金刚石结构（110）面上格点分布，选择原胞如图所示，
a2
a
a1
原胞矢：
2a
a1
2
ai
2
a2 aj
原胞体积：
i
k
a1
a2
k
2 2
0
jk
0 0 2 a2 2
a0
根据定义，（110）面二维晶格的倒格子基矢,
b1
体心立方晶胞
面心立方晶胞
c b a
（100）面格点分布
a a
c b
a
（100）面格点分布
a a
（110）面格点分布
a 2a
（111）面格点分布
2a 2a
（110）面格点分布
a 2a
（111）面格点分布
2a
2a
1.10
对一定的布拉维格子， ar1, ar2 , ar3 的选择不是唯一的，对应的
1.4 求面心立方晶格最大面密度晶面族，写出最大面密度表达式；
c
a3
a2 b
a1
a
面心立方晶胞与元胞
原胞基矢，
a
a1
a2
(j k)
2
a
(i
k)
2
a a3 2 (i j )
ar1 ar2 ar3
2a 2
倒格子原胞基矢，
r
r b1
2
ar 2
ar3
2
a
r i
r b2
2
ar1 ar3
2
a
r j
ar 2
ar1
r b2
r b1
倒格矢
G
h1
2
a
i h2
2
a
j
倒格子空间任意矢量
k kxi ky j
（h1，h2 0，1， 2，）
代入布里渊区界面方程，
绕对顶点联线转180度，共3条；
以上每个对称操作加上中心反演仍然为对称操作，共24个对称操作
1.2 面心立方晶格在晶胞基矢坐标系中，某一晶面族的密勒指为 (h，kl求) 在原胞
基矢坐标系中，该晶面族的晶面指数。
晶胞基矢：a
ai ,
b
aj ,
c
ak
a
b
c
c a1 a2
熔点固定 --达到某温度时开始熔化，继续加热，在晶体没有完全熔化之前，温度不再
上升。
各向异性 -- 晶体的性质与方向有关 对称性 -- 晶体性质在某些特定方向上完全相同
非晶体 没有固定熔点、没有固定几何形状、各项同性、没有解理性
多晶体 各项同性、具有固定熔点、没有固定的几何形状、没有解理性
准晶体
1.9 画出体心立方和面心立方（100）、（110）和（111）面上的格点分布图
k Gh
1 2
Gh
2
2 a
2h1k x h2 k y
2 2 a2
2h12 h22
2h1kx h2k y
a
2h12 h22
得到第一、第二布里渊界面方程,
h1 1, h2 0 0, h2 1, k y a
是p k l , l h的,最h大公k约 数。
已知晶面密勒指数 (hl，k )可得到原胞坐标系下的晶面指数：
(h1h2h3 )
1 k l l hh k
p
1.3 硅半导体是金刚石结构，设其晶格常数为 a
， （1）画出（1,1,0）面二维格子的原胞，并写出其基矢； （2）画出（1,1,0）面二维格子的第一、第二布里渊区；
8、简述非晶、单晶、多晶、准晶的结构特征和性质
91、0、画对出一体定心的立布方拉和维面格心子立，方ar（1,1ar020,）ar、3 的（选11择0）不和是（唯1一11的），面对上应的的格b点r1,分br2布, b图r3 也不