固体物理：第一章典型习题
固体物理第一章习题
第一章 晶体的结构习题一、填空题1.固体一般分为_____ _____ _____2.晶体的三大特征是_____ _____ _____3._____是晶格中最小的重复单元，_____既反映晶格的周期性又反映晶格的对称性。
4._____和_____均是表示晶体原子排列紧密程度。
5.独立的对称操作有______二、证明题1.试证明体心立方格子和面心立方格子互为正倒格子。
2.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。
3.对于简方晶格，证明密勒单立指数为(,,)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；并说明面指数简单的晶面，其面密度较大，容易解理。
4.证明不存在5度旋转对称轴。
5.证明正格矢和倒格矢之间的关系式为：()为整数m m R G π2=⋅三、计算题1.已知某种晶体固体物理学原胞基矢为（1）求原胞体积。
（2）求倒格子基矢。
（3）求第一布里渊区体积。
2.一晶体原胞基矢大小m a 10104-⨯=，m b 10106-⨯=，m c 10108-⨯=，基矢间夹角90=α， 90=β， 120=γ。
试求：（1）倒格子基矢的大小； （2）正、倒格子原胞的体积； （3） 正格子(210)晶面族的面间距。
j 2a 3i 2a a 1+=j 2a 3i 2a -a 2+=k c a 3=3.如图1.所示，试求： （1） 晶列ED ，FD 和OF 的晶列指数；（2） 晶面AGK ,FGIH 和MNLK 的密勒指数；（3） 画出晶面（120），（131）。
a 2xy zA B D C G F E OIH y x Aa 2K O GLNM z图1.4.矢量a ，b ，c 构成简单正交系。
求：晶面族)(hkl 的面间距。
5.设有一简单格子，它的基矢分别为i a 31=，j a 32=，)(5.13k j i a ++=。
《固体物理》第一章作业题
解 以 H2 为基团，组成 fcc 结构的晶体，如略去动能，分子间按 Lennard—Jones 势相互作
用，则晶体的总相互作用能为：
U = 2N i
Pij −12
R
12
−
j
Pij
−6
R
6
.
Pij−6 = 14.45392; Pij−12 = 12.13188,
→ →→→
c = a1+ a2 − a3
晶列
→
a+
→
b−
2
→
c
可化为
→
a+
→
b−
2
→
c
=
−2
→
a1
+
→
a2
−
2
→
a3
由上式可知，AC晶列在原胞坐标系中的指数为 112
题4.对于晶格常数为a的简单立方晶格，考虑晶格中的一
个晶面(hkl)，证明该晶面所属的晶面族的面间距：
a2 dhkl = h2 + k 2 + l 2
b−
→
c)
2
2
→
BC
=
→
OC −
→
OB
=
→c +
1 2
→
(a+
→b )
−
1 2
→
(b+
→
c)
=
1 2
→
(a+
→
c)
→ → 1 → → → 1→ → a→ → →
BA BC = (2 a+ b− c) (a+ c) = (a− 3 b− c)
固体物理习题1
固体物理习题1第⼀章晶体结构和倒格⼦1. 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2. 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。
3．⽤倒格⽮的性质证明，⽴⽅晶格的[hkl]晶向与晶⾯（hkl ）垂直。
4. 若轴⽮→→→c b a 、、构成简单正交系，证明。
晶⾯族（h 、k 、l ）的⾯间距为 2222)()()(1c l b k a h hkl d ++= 5．⽤X 光衍射对Al 作结构分析时，测得从(111)⾯反射的波长为1.54?反射⾓为θ=19.20 求⾯间距d 111。
6．试说明：1〕劳厄⽅程与布拉格公式是⼀致的；2〕劳厄⽅程亦是布⾥渊区界⾯⽅程；7．在图1－49（b ）中，写出反射球⾯P 、Q 两点的倒格⽮表达式以及所对应的晶⾯指数和衍射⾯指数。
8．求⾦刚⽯的⼏何结构因⼦，并讨论衍射⾯指数与衍射强度的关系。
9．说明⼏何结构因⼦S h 和坐标原点选取有关，但衍射谱线强度和坐标选择⽆关。
10. 能量为150eV 的电⼦束射到镍粉末上，镍是⾯⼼⽴⽅晶格，晶格常数为3.25×10-10m,求最⼩的布拉格衍射⾓。
附：1eV=1.602×10-19J, h=6.262×10-34J ·s, c=2.9979×108m/s第⼆章晶体结合1．已知某晶体两相邻原⼦间的互作⽤能可表⽰成nm r b r a r U +-=)( (1) 求出晶体平衡时两原⼦间的距离；(2) 平衡时的⼆原⼦间的互作⽤能；(3) 若取m=2,n=10,两原⼦间的平衡距离为3?,仅考虑⼆原⼦间互作⽤则离解能为4ev ，计算a 及b 的值；（4）若把互作⽤势中排斥项b/r n 改⽤玻恩－梅叶表达式λexp(-r/p),并认为在平衡时对互作⽤势能具有相同的贡献，求n 和p 间的关系。
固体物理第一章习题
固体物理学第一章习题一、简要回答下列问题(answer the following questions)：1、晶体的解理面是面指数低的晶面还是面指数高的晶面？为什么？2、什么是布喇菲格子（布格子）？画出氯化钠晶体的结点所构成的布格子。
为什么说金刚石结构是复式格子？3、在14种布格子中，为什么没有底心四方、面心四方和底心立方？（请画图说明）4、二维布喇菲点阵只有五种。
试列举并画图表示之。
5、体心立方元素晶体，［111］方向上的结晶学周期为多大？实际周期为多大？6、非晶态材料的基本特点是什么？7、什么是密勒指数？当描述同一晶面时、密勒指数与晶面指数一定相同吗？8、简述晶面角守恒定律，并说明晶体的晶面角守恒的原因。
二、填空题(fill in the blanks)1、构成阵点的具体原子、离子、分子或其集团，都是构成晶体的基本结构单元，当晶体中含有数种原子时，这数种原子构成的基本结构单元，称为。
2、布喇菲格子的格点可以看成分列在一系列相互平行的直线上而无遗漏，这样的直线叫 , 晶列的取向称为 , 一组能表示晶列方向的数称为。
3、布喇菲格子的格点，也可以看成分列在相互平行、间距相等的平面上而无遗漏，这些包含格点的平面称为；而那些相互平行、间距相等、格点分布情况相同的总体，称为；同一格子可能有个取向的晶面族。
能够标志晶面取向的一组数，称为。
4、使晶体恢复原状的操作，称为；对称操作的集合，称为；保持空间某一点不动的操作称为。
三、解释下列物理概念（explain the following physics concepts）：1、空间点阵2、固体物理学原胞和结晶学原胞3、密堆积和配位数四、基矢为 1a ai = ，2a aj = ，3()2a a i j k =++ 的晶体为何种结构? 若33()22a a a j k i =++ , 又为何种结构? 为什么?五、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 π／6≈0.52体心立方面心立方六角密排金 刚 石六、试求面心立方结构（110）和（111）晶面族的原子数面密度，设晶格常数为a .七、试证明金刚石结构原子的键间角与立方体的体对角线间的夹角相同，都是109028’.八、证明：任何点群中两个二重旋转轴之间的夹角只能是300、450、600、和900.九、在六角晶系中，晶面常用四个指数（hkil ）表示，如图所示，前三个指数表示晶面族中最靠近原点的晶面族在互成1200的共面轴123,,a a a 上的截距为123/,/,/a h a k a i ，第四个指数表示该晶面在六重轴c 上的截距为/c l 。
固体物理习题课第一章可打印
维格纳 —— 塞茨原胞
—— 14面体 —— 八个面正 六边形 —— 六个面正 四边形
(111)面与(110)面的交线的晶向
—— 晶向指数
补充例题 001 试做出简单立方晶格、面心立方晶格和体心立 方晶格的维格纳 — 塞茨原胞(Wingner-Seitz) 维格纳 — 塞茨原胞：选取某一个格点为中心，做出最近各 点和次近各点连线的中垂面，这些所包围的空间 —— 维格纳 — 塞茨原胞 如图所示为一种二维格子 的维格纳 — 塞茨原胞
1.9 指出立方晶格(111)面与(100)面，(111)面与(110)面的交线的 晶向 (111)面与(100)面的交线的AB
—— AB平移，A与O点重合
B点位矢 (111)面与(100)面的交线的晶向
—— 晶向指数
(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
《固体物理学》例题与习题
1.3 证明：体心立方晶格的倒格子是面心立方； 面心立方晶格的倒格子是体心立方 由倒格子定义
体心立方格子原胞基矢
倒格子基矢
同理
可见由
为基矢构成的格子为面心立方格子
面心立方格 子原胞基矢
倒格子基矢
同理
可见由 为基矢构成的格子为体心立方格子
1.4 证明倒格子原胞体积
其中vc为正格子原胞体积
倒格子基矢
倒格子体积
1.5 证明：倒格子矢量
垂直于密勒指数
为 因为
的晶面系
容易证明
与晶简单正交系，证明晶面族
并说明面指数简单的晶面，其面密度比较大，容易解理 简单正交系 倒格子基矢
倒格子基矢
倒格子矢量
晶面族
的面间距
—— 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，这样的晶面越容易解理
固体物理第一章习题
8．六角晶胞的基矢
3 a 3 a a ai j , b ai j , c ck 2 2 2 2
求其倒格基矢． [分析]
2 a b c a 2 b c 2 c a b
(hkl ) 1 {(h1 h2 h3 )(h1 h2 h3 )(h1 h2 h3 )} p
其中p'是(-h1+h2+h3)(h1-h2+h3)(h1+h2-h3)的公约数。
20
20. 讨论六角密堆积结构，X光衍射消光的条件。
[分析]
(hkl)晶面族引起的衍射光总强度
即：
d hkl 1 h l 2hl cos k 2 2 2 2 sin a c ac b
2 2 2 1 2
16
15. 对于面心立方晶体，已知晶面族的密勒指数为 (hkl) 求对应的原胞坐标系中的面指数(h1h2h3)。 若已知(h1h2h3)，求对应的密勒指数(hkl)。 [分析] 这类问题可以用倒格矢来处理，因为是同一组晶 面在两种不同坐标系的表示，其对应的倒格矢应 相互平行。 步骤：（1）两种不同倒格基矢的变换关系 （2）将与晶面垂直的倒格矢由一种坐标表示变 为另一种坐标表示 （3）由两种坐标表示的倒格矢平行求相互关系
2
9
[思路2] 利用倒格矢的模与面间距的关系
2 d hkl 1) 设沿立方晶系晶轴a, b, c的单位矢量分别为
a ai, b a j, c ak ,
倒格子基矢为
2 2 2 a i, b j, c k a a a
由已知条件可得
固体物理课后习题与答案
第一章 金属自由电子气体模型习题及答案1. 你是如何理解绝对零度时和常温下电子的平均动能十分相近这一点的？[解答] 自由电子论只考虑电子的动能。
在绝对零度时，金属中的自由（价）电子，分布在费米能级及其以下的能级上，即分布在一个费米球内。
在常温下，费米球内部离费米面远的状态全被电子占据，这些电子从格波获取的能量不足以使其跃迁到费米面附近或以外的空状态上，能够发生能态跃迁的仅是费米面附近的少数电子,而绝大多数电子的能态不会改变。
也就是说，常温下电子的平均动能与绝对零度时的平均动能十分相近。
2. 晶体膨胀时，费米能级如何变化？[解答] 费米能级3/222)3(2πn mE o F= ， 其中n 单位体积内的价电子数目。
晶体膨胀时，体积变大，电子数目不变，n 变小，费密能级降低。
3． 为什么温度升高，费米能反而降低？[解答] 当K T 0≠时，有一半量子态被电子所占据的能级即是费米能级。
除了晶体膨胀引起费米能级降低外，温度升高，费米面附近的电子从格波获取的能量就越大，跃迁到费米面以外的电子就越多，原来有一半量子态被电子所占据的能级上的电子就少于一半，有一半量子态被电子所占据的能级必定降低，也就是说，温度生高，费米能反而降低。
4． 为什么价电子的浓度越大，价电子的平均动能就越大？[解答] 由于绝对零度时和常温下电子的平均动能十分相近，我们讨论绝对零度时电子的平均动能与电子的浓度的关系。
价电子的浓度越大，价电子的平均动能就越大，这是金属中的价电子遵从费米—狄拉克统计分布的必然结果。
在绝对零度时，电子不可能都处于最低能级上，而是在费米球中均匀分布。
由式3/120)3(πn k F =可知，价电子的浓度越大费米球的半径就越大，高能量的电子就越多，价电子的平均动能就越大。
这一点从3/2220)3(2πn m E F=和3/222)3(10353πn mE E oF ==式看得更清楚。
电子的平均动能E 正比于费米能o F E ，而费米能又正比于电子浓度32l n。
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 。
固体物理课后习题答案
(
)
⎞ 2π k⎟= −i + j + k 同理 ⎠ a
(
)
(
)
(
)
2π ⎧ ⎪b1 = a −i + j + k ⎪ 2π ⎪ i− j+k ⎨b 2 = a ⎪ 2π ⎪ ⎪b3 = a i + j − k ⎩
(
)
(
)
(
)
由此可得出面心立方格子的倒格子为一体心立方格子； 所以体心立方格子和面心立方格子互为正倒格子。 2.2 在六角晶系中，晶面常用四个指数（hkil）来表示，如图 所示，前三个指数表示晶面族中最靠近原点的晶面在互成 1200的 共面轴 a1 , a2 , a3 上的截距为
设两法线之间的夹角满足
K 1 i K 2 = K1 i K 2 cos γ
K 1iK 2 cos γ = = K1 i K 2 2π 2π (h1 i + k1 j + l1 k )i (h2 i + k2 j + l2 k ) a a 2π 2π 2π 2π (h1 i + k1 j + l1 k )i (h1 i + k1 j + l1 k ) i (h2 i + k2 j + l2 k )i (h2 i + k2 j + l2 k ) a a a a
a1 a2 a3 , , ，第四个指数表示该晶面 h k i
在六重轴c上的截距为
c 。证明： l
i = −(h + k )
并将下列用（hkl）表示的晶面改用（hkil）表示：
2
第一章 晶体的结构
( 001) , (133) , (110 ) , ( 323) , (100 ) , ( 010 ) , ( 213) .
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
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结构；若
，a又3 为a2 (何j 种k)结 32构a i？
解：计算晶体原胞体积：
a v a1 (a2 a3 ) 0
a
0
a a
0 0 a3 a2
222
由原胞推断，晶体结构属体心立方结构。
若a3
a 2
(
j
k)
3a 2
i ，则原胞体积为:
a 00
v a1 (a2 a3 ) 0
3a
a a
0 a3 a2
2 22
由原胞推断，该晶体结构仍属体心立方结构。
例二题解
（3）正格子与倒格子关系
1、原胞体积关系证明（P578—1.4）； 2、倒格矢与晶面族的关系（P578—1.5） ； 3、面间距（P578—1.6）;
1.6证明简立方的（hkl）晶面系的面间距:
d2
a2
h2 k 2 l 2
v
2
a
(i
j
k)
b2
2 (a3 a1)
v
2
a
(i
j
k)
b3
2 (a1 a2 )
v
2
a
(i
j
k)
对 比
a1
a 2
(i
j
k)
a2
a 2
(i
j
k)
a3
a (i 2
j
k)
二者只相差一常数公因子，
因此得证。
例二题解
例二：基矢为
a1
ai , a2
aj , a3
a的(i 晶 j体 k为) 何种
2
B
C
A
写出晶列：ED,FD,OF的晶列指数
G
1 11
D
O I
1 11
A
F
C
E H B
k
j i
ED： (111) FD： (110)
OF：
(011)
写出晶面AGK和FGIH的密勒指数
G
F
D
C
FGIH： （201）
K
O
AGK： E
(111)
I A
H B
消光现象
• 点阵消光 • 起源于体心或者面心上有附加点阵而引起的结构因子F=0
第一章典型习题
• （1）致密度的计算
– 致密度：设想晶体由刚性原子球堆积而成，一 个晶胞中刚性原子球占据体积与晶胞体积的比 值称为致密度。
• 例题：P578—1.1
第一章习题
1.1证明：原子球半径为r，晶格常数a，
r
a
a 2r
x
4 r3 1
3 a3
6
3a 4r
2a 4r
4 r3 2 x 3 a3
3 0.68 8
4 r3 4 x 3 a3
2 0.74 6
第一章习题
a 2r
a 8 c3
4 r3 2
x 3
2 0.74
3 a2 c 6
2
3a 2r 4
x
4 r3 8 3
a3
3 16
0.34
第一章习题
2、试证明六方密排密堆积结构中
1
c
82
1.633
a 3
证明：ABCD四原子球构成四面体结构，
1.7立方格子的特征
项目 晶胞体积
每个晶胞所含格点数
原胞体积 最近邻数 最近邻距离 次近邻数 次近邻距离
简立方 体心立方
面心立方
a3
a3
a3
1
2
4
(即1+8×1/8) (即 8 × 1/8+6 × 1/2)
a3
a3/2
a3/4
6
8
12
a
3a
2a
2
2
12
6
6
2a
a
a
1.8画出体心立方和面心立方晶格结构在 (100),(110),(111)面上的原子排列
证明思路： d 2
G
证明：设正格子基矢为
倒格子基矢易计算得到：
a1 ai
a2 a j
a3 ak
b1 b2 b3
2
a
2
a
2
a
i
j
k
G hb1 kb2
2 (hi k j
a
l b3 lk)
代入公式可得：
（hkl）晶面系的面间距
d
2
G
2
a
2
h2 k 2 l 2
a h2 k 2 l 2
的消光现象。如对于体心晶格，衍射hkl中，h+k+l=奇数的 衍射将系统消失；对于面心晶格，hkl为异性数（非同奇同 偶的数）时衍射线消失。这一类消光称为点阵消光。
• 结构消光
• 起源于晶体结构中存在含平移的复合对称动作对应的对称 元素，即螺旋轴或滑移面，如晶体结构在b轴方向有滑移 面n存在，则hol类衍射中，h+l=奇数的衍射将系统消失， 这一类消光称为结构消光。
（1）体心立方晶格
(100)
o (110)
(111)
（2）面心立方晶格
(100)
o (110)
(111)
1.9指出立方晶格(111)面与(100)面，(111)面与 (110)面交线的晶向
(111)面与(100)面交线的晶向 (011)
k j
i
(111)面与(110)面交线的晶向 (110)
O
a1
ai，, aa又23 为aa2j何(, aj3种k的结a2) (晶构i32a体？ij为 k何) 种
1.3试证明：面心立方的倒格子为体心立方。
证明：已知面心立方正格子基矢如下：
a1
a 2
(
j
k ),
a2
a 2
(k
i)
由倒格矢公式可得：
a3
a 2
(i
j)
v
a1
(a2
a3
)
a3 4
b1
2 (a2 a3 )
A D BC
D
A
O
B
DO c 2
DO 2
DB
2
BO
2
2r 2
2 3
3 2
a
2
a 2r
c2 2 a2 43
C
（2）如何判断(正)倒格子是何结构？
1、写出基矢
a1
,
a2
,
a3
的表达式，与常
用的习惯写法对比来确定；
2、 计算出原胞体积来确定其结构。
例一：P578—1.3
例二：基矢为
结构；若