固体物理作业答案
固体物理答案-第二章
N0=6.0221023,与N0对应的质量应为
M=23+35.5=58.5(g)
Na原子量
Cl原子量
阿伏加德罗常数
面心立方,最近邻原子有12个, 由N个惰性气体原子构成的分子晶体，其总互作用势能可表示为
(2)计及最近邻和次近邻,次近邻有6个。
2.14 KCl晶体的体积弹性模量为 相邻离子间距缩小0.5%，需要施加多大的压力。 ，若要使晶体中 解：根据体积弹性模量K的定义， 得 ，因而 设R为相邻离子间的距离。KCL具有NaCL结构，平均每体 才有一个离子，若晶体中共含N个离子，则晶体体积 积
式中，V为晶体体积，N为晶体包含的原子数，v为每个原子平 均占据的体积。若以
表示晶体包含的晶胞数，
中每个晶胞的体积，n表示晶胞中所含的粒子数，则(1)式完全 等效于
解：题给
表示晶体
(1)
于是得
(2)
R为离子间的最短距离。题给的各种晶格均为立方格子，如令
证明：
选取负离子O为参考离子，相邻两离子间的距离用R表示。
第j个离子与参考离子的距离可表示为
对于参考
离子O，它与其它离子的互作用势能为
马德隆常数
2.3 设两原子间的互作用能可由 表述。 式中第一项为吸引能，第二项为排斥能； 均为正的常数。证明，要使这两原子系统处于平衡状态，必须n>m。 且 即当 时， 证明：相互作用着的两原子系统要处于稳定平衡状态，相应 于平衡距离 处的能量应为能量的极小值，
为常数，试求
（1）平衡时原子间的最短距离；
（2）平衡时晶体体积；
（3）平衡时体积弹性模量；
（4）抗张强度。
解：
（1）
由
得
01
固体物理习题参考答案
固体物理第一次习题参考答案1．如果将等体积球分别排成下列结构，设x 表示刚球所占体积与总体积之比，证明结构 x简单立方 0.526x π=≈体心立方 30.688x π=≈ 面心立方 20.746x π=≈ 六角密排 20.746x π=≈ 金刚石 30.3416x π=≈解：设钢球半径为r ，立方晶系晶格常数为a ，六角密排晶格常数为a,c 钢球体积为V 1，总体积为V 2（1）简单立方单胞含一个原子，a r =2 52.06343321≈==ππa r V V（2）体心立方取惯用单胞，含两个原子，r a 43= 68.0833423321≈=⋅=ππar V V （3）面心立方取惯用单胞，含4个原子，r a =2 74.0623443321≈=⋅=ππar V V （4）六角密排与面心立方同为密堆积结构，可预期二者具有相同的空间占有率 取图示单胞，含两个原子，a r =2 单胞高度a c 38=（见第2题） 74.062233422321≈=⋅⋅=ππc a r V V （5）金刚石取惯用单胞，含8个原子，r a 2341= 34.01633483321≈=⋅=ππar V V2．试证六方密排密堆积结构中128() 1.6333c a =≈解： 六角密排，如图示，4个原子构成正四面体222)2332(2a a c =⋅+⎪⎭⎫⎝⎛ ⇒ a c 38=3．证明：体心立方晶格的倒格子是面心立方，面心立方的倒格子是体心立方。
证：体心立方基矢取为⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+-=++-=-+=)(2)(2)(2321k j i a a k j i a a k j i a a其中a 为晶格常数其倒格子基矢，按定义)(2)(21111114212)(223321j i b j i a kj ia a a a b+=+=--⋅=⨯Ω=πππ)(2)(2132k j b a a b +=⨯Ω=π)(2)(2213k i b a a b +=⨯Ω=π可见，体心立方的倒格子是晶格常数为a b π4=的面心立方。
固体物理第三章作业答案
dt
• 其中pt为电子的动量，τ为相邻两次碰撞之间的电
子自由运动时间（弛豫时间），f t为电子所受的
外力。请在线性响应的范围内，推导金属在频率
为ω的电磁波作用下的电导率。在此基础上，可
尝试导出金属的介电函数。
• 解：设频率为ω的电磁波中 E E0eit
B B0eit
• 金属在电磁波作用下的运动方程
• 电子热容系数 2.08mJ mol1 K 2
• 电子热质量
mt*h
m 观测值 自由电子气
m
2.08
2.08பைடு நூலகம்
2RkB 2 3 2n 2
3
m
2
3
2
2 a3
2
3
2RkB
2.08
1.05 1034
2
ai bj 2ij
则相应的倒格子基矢为：
基本无问题，少数同学没写 出基矢的表达式，没注意单 位化为cm-1
b1
2 a
i
108 i
cm1
b2
2 b
i
2
108 i
cm1
倒格子和第一布里渊区如图示：红色区域为第一布里渊区
b2
b1 108 cm1
dp t p t eE ev B
dt
• 忽略磁场项作用（ eE ev B ），运动方程写为：
dp t p t
eE
dt
dv dt
v
e m
E0eit
固体物理作业及答案
固体物理作业2.1 光子的波长为20 nm ，求其相应的动量与能量。
答：由λhP =，υh E =得：动量12693410313.3102010626.6----⋅⋅⨯=⨯⋅⨯==m s J ms J hP λ 能量J ms m s J chh E 189183410932.9102010998.210626.6----⨯=⨯⋅⨯⨯⋅⨯===λυ2.2 作一维运动的某粒子的波函数可表达为：, 求归一化常数A? 粒子在何处的几率最大？答：再由2)()(x x ψω=得：222)()(x a x A x -=ω 其中 a x ≤≤0；322222462)(x A x aA x A a dx x d +-=ω 令0)(=dx x d ω得：2,21a x a x ==而a x =1时，0)(=x ω，显然不是最大； 故当22ax =时，粒子的几率最大。
3.1 晶体中原子间的排斥作用和吸引作用有何关系？在什么情况下排斥力和吸引力分别起主导作用？ 答：在原子由分散无规的中性原子结合成规则排列的晶体过程中, 吸引力起到了主要作用. 在吸引力的作用下, 原子间的距离缩小到一定程度, 原子间才出现排斥力. 当排斥力与吸引力相等时, 晶体达到稳定结合状态. 可见, 晶体要达到稳定结合状态, 吸引力与排斥力缺一不可. 设此时相邻原子间的距离为0r , 当相邻原子间的距离0r r 时, 吸引力起主导作用;当相邻原子间的距离0r r 时, 排斥力起主导作用。
3.2已知某晶体中相邻两原子间的相互作用势能可表达为：(1) 求出平衡时两原子间的距离；(2) 平衡时的结合能；(3) 若取m=2, n=10，两原子间的平衡距离为3 Å，晶体的结合能为4 eV/atom 。
请计算出A 和B 的值。
答：设平衡时原子间的距离为0r 。
达到平衡时，相互作用势能应具有最小值，即)(r u 满足：0)(0=∂∂r rr u ，求得mn AmBn r -=10)(……（1） 将0r 代入，得平衡时的结合能mn mn m AmBn AmBn A r u --+-=n 0)(B )()( (2)当m=2，n=10时，由（1）式得5B=A 0r 8，再由0r =3Å，)(0r u -=4eV 代人（2）式可得： 109610001090.54)(m eV r r u B ⋅⨯=-=- 2192000100201050.4)(45)(m eV r r u r u r r A ⋅⨯=-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=-B4.1 一定温度下，一个光学波的声子数目多，还是声学波的声子数目多？ 答：频率为的格波的(平均) 声子数为：.因为光学波的频率比声学波的频率高, ()大于(), 所以在温度一定情况下, 一个光学波的声子数目少于一个声学波的声子数目.4.2 爱因斯坦模型和德拜模型的主要近似分别是什么？简述德拜温度及其物理意义。
固体物理答案第一章
bc
2π
b
c
2π
i
Ω
a bc a
同理
b
2π
j
b
c
2π
k
c
khkl
2π
h a
i
k b
j
l c
k
khkl
2π
h
2
k
2
l
2
a b c
d hkl
3π 16
32
a
图1.6 金刚石结构
1.7 证明：用半径不同的两种硬球构成下列稳定结构时小球半 径和大球半径之比值分别为
(1)体心立方（配位数为８）：1 r / R 0.73 ； (2)简单立方（配位数为６）：0.73 r / R 0.41 ； (3)正四面体结构（配位数为４）：0.41 r / R 0.23 ； (4)层状结构（配位数为３）：0.23 r / R 0.16 。
z
z
2 10
131
o
y
x
x
o
y
1.3 若基矢 a,b,c 构成简单正交系，试证明，晶面族（hkl）
的面间距为
dhkl
1 h 2 k 2 l 2 a b c
并说明面指数简单的晶面，其面密度比较大，容易解理。
证明：设
a,b,c
第一章 晶体结构和X射线衍射
1.1 指出立方晶格（111）面与（110）面的交线的晶向。
解: 立方晶格（111）面与（110）面的交线为AB，其等效
固体物理参考答案(前七章)
固体物理习题参考答案（部分）第一章 晶体结构1.氯化钠：复式格子，基元为Na +，Cl -金刚石：复式格子，基元为两个不等价的碳原子 氯化钠与金刚石的原胞基矢与晶胞基矢如下：原胞基矢)ˆˆ()ˆˆ()ˆˆ(213212211j i a a i k a a k j a a +=+=+= ， 晶胞基矢 ka a j a a ia a ˆˆˆ321===2. 解：31A A O '：h:k;l;m==-11:211:11:111:1:-2:1 所以（1 1 2 1） 同样可得1331B B A A ：（1 1 2 0）； 5522A B B A ：（1 1 0 0）；654321A A A A A A ：（0 0 0 1）3.简立方： 2r=a ，Z=1,()63434r 2r a r 3333πππ===F体心立方：()πππ833r4r 342a r 3422a 3r 4a r 4a 33333=⨯=⨯=∴===F Z ，，则面心立方：()πππ622r 4r 34434442r 4a r 4a 233ar 33=⨯=⨯=∴===F Z ，，则 六角密集：2r=a, 60sin 2c a V C = a c 362=,πππ622336234260sin 34223232=⨯⨯⨯=⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛a a c a r F a金刚石：()πππ163r 38r 348a r 3488Z r 8a 33333=⨯=⨯===F ，， 4. 解：'28109)31arccos(312323)ˆˆˆ()ˆˆˆ(cos )ˆˆˆ()ˆˆˆ(021*******12211=-=-=++-⋅+-=⋅=++-=+-=θθa a k j i a k j i a a a a a kj i a a kj i a a 5.解：对于（110）面：2a 2a a 2S =⋅=所包含的原子个数为2，所以面密度为22a2a22=对于（111）面：2a 2323a 22a 2S =⨯⨯= 所包含的原子个数为2，所以面密度为223a34a 232=8.证明：ABCD 是六角密堆积结构初基晶胞的菱形底面，AD=AB=a 。
固体物理习题带答案
第二章：原子的结合
1． 设原子间的互作用能表示为 u (r ) 态，则 n>m. 解：原子间的相互作用能为： u (r )
作用能处于极小值： 这时有
r
m
rn
。证明：要使两原子处于平衡状
r
m
rn
。若两原子处于平衡状态时，则其相互
du (r ) (m) m 1 (n) n 1 dr r r
子晶格的情形比较， 与 q 之间存在着两种不同的色散关系。一维复式晶体中可以存在两 种独立的格波。两种不同的格波的色散关系：
2 2
(m M ) 4mM {1 [1 sin 2 aq]1 / 2 } 2 mM (m M ) (m M ) 4mM {1 [1 sin 2 aq]1 / 2 } 2 mM (m M )
xn (t ) A cos(t 2 naq) 。试求格波的色散关系。
解：一维单原子链中，牛顿方程为：
n ( x n 1 xn 1 2 xn ) m x
若将其振动位移写成 xn (t )
A cos(t 2 naq) 代入牛顿方程，则有
2
2 [1 cos(2aq)] 因此其色散关系为 m
0 。 所 以 有
r0
m
r0
m 1
n
r0
n 1
。所以
m nm r0 。 n
0
r0
同
时
有
d 2u ( r ) (m)( m 1) m 2 (n)( n 1) n 2 2 dr r r
。
所
以
固体物理习题参考答案
其中 n = N /V 。因此系统总能量为 ∫
0
0 EF
4V π2
(
2m
2
)3/2
√ 3 0 E E dE = EF N. 5
(4) 电子出现在空间任意一点的几率为 |ψ (x, yky y ) sin2 (kz z ). V
(5) 电子 x 方向的平均动量为（y,z 方向类似） √ ∫ L ∫ L∫ L∫ L πnx x πnx x ∂ψ 2 nx π dxdy dz = sin cos dx = 0. < px >= ψ i ∂x L i L L 0 0 0 0 (6) 讨论 驻波解： 2
由于每个状态在 k 空间所占的体积为 ∆k = π 3 /V , 所以 k 空间状态密度为 V 1 = 3. ∆k π (2) 能量 E 到 E+dE 之间的状态数为 dN = 2 × 而
2
V 4πk 2 dk π3 ( m 2 2 )1/2 1 √ dE E
dE = 所以
2m
2k dk → dk = (
dN Am = = C2D . dE π 2 利用 Sommerfeld 积分，对于电子总数 ∫ E 0 Q(E ) = D(ε)dε = C2D E, Q (E ) = 0 → N = C2D EF , EF = EF . D(E ) =
4V dN = 2 π 能量空间状态密度为
2m
2
)3/2
√ E dE.
4V dN = 2 D (E ) = dE π (3) 状态密度积分得到电子总数 ∫
0
0 EF
(
2m
2
)3/2
√ E.
4V π2
(
2m
2
)3/2
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(4)六方密堆积： 2 （5）6金刚石： 3
8
(3)面心立方：2
6
6
16
第二章
所以压缩因子
1/ K 9V0
mn UO
解：
Ur
N 2
rm
rn
dUr
由平衡条件
0 dr rr0
由题意得
ur
A r9
-
B r
1
1
r0
k
2 B
1.3810-23 J K-1
2.1510-8 K-2 T
n 6.021023 Zm 1022 ~ 1023 1
A
me 9.110-31kg 2.810-3
6.7103
前３ 个指数表示晶面族中最靠近原点的晶面在互成 1200的共平面轴a1 ， a2， a3上的截距a1 / h， a 2/ k ， a3 / i ，第４ 个指数表示该晶面的六重 轴c 上的截距为c / l 。证明：i = -(h+ k) 并将下列（hkl ）表示的晶面改 用（ hkil ） 表示（001）（-133）（1-10）（3-23）（100）（010）
对于面心立方，处于面心的原子与顶角原子的距离为： R f
2a 2
对于体心立方，处于体心的原子与顶角原子的距离为：Rb 那么
3a 2
Rf 2a 6
Rb
3a 3
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分别与基矢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？
2u r
r
2
r r0
1 9N r0
90A r011
-
2B r03
1.181010
答： CsCl为离子型晶体，n=11.5 马德隆常数 α=1.763
CsCl的势能为
ur
-
N 2
e2 4 0r
-
B rn
由
dur
n m
n-m
9A 9-1 1B
2.810 10 m
ur0
A r09
-
B r0
810 19
J
1
得
r0
n m
n-m
解得 A -1.05710-105 B -2.5210-28
晶体为体心立方
N
43 9
K
1 9N r0
（-2-13）。
答：
（1）证明：设晶面族的间距为d，晶面法向方向的单位矢量为n0。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， a 2/ k ， a3 / i ，因此
a1 ·n0=hd a2 ·n0=kd a3 ·n0 =id ….（1） 由于 a3=-（ a1 + a2 ） a3 ·n0= -（ a1 + a2 ） ·n0 把（1）式的关系代入，即得 id=-（hd+kd） i=-（h+k）（得证） 根据上面的证明，可以转换晶面族为：
答:晶面指数为（１２３）的晶面为ABC，其是离O点最近的晶面，
其截距为a1， a2， a3，故除O点外，OA上有一个格点（A点），OB，
OC上没有。若ABC的晶面指数为（２３４），其截距为 a a a
则除O点外，OA，OB，OC上均没有格点。
23 4
1.3在六方晶系中，晶面常用 ４个指数（hkil） 来表示，如图所示，
0 dr rro
得
B
e2 4 0n
r0n-1
6.7 10-131
其中e=1.6 ×10-19 ε0=8.85 ×10-12
因此
ur
-
N 2
e2 4 0r0
-
B r0n
பைடு நூலகம்
5.610-19 N
第三章
第五章
答：
2kB2n T 3me
固体物理课后作业答案
第一章
1.1 有许多金属即可以形成体心立方结构，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。设体积变化可 以忽略，并以 R f 和 R b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 等于多少？
Rb
答：由题意已知，面心、体心立方结构同一棱边距离相等，都设为a:
（001） →（0001）（-133）→（-13-23）（1-10）→（1-100） （3-23）→（3-2-13）（100）→（10-10）（010）→（01-10） （-2-13）→（-2-133）
1.4如将等体积的硬球堆成下列结构，求证球可能占据的最大体积与总
体积之比为 :（1）简立方： （2）体心立方： 3