固体物理习题解答
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。
固体物理习题解答
，在 时为
.(课本数据有误)
试计算
(1) 费米能和费米温度；
(2) 费米球的半径；
(3) 费米速度；
(4) 费米球的最大横截面积；
(5) 室温下和绝对零度附近电子的平均自由程.
解：电子数密度
.
费米波矢
(1) 费米能
费米温度
(2) 费米球的半径 (3) 费米速度
(4) 费米球的最大横截面
(5) 平均自由时间
证：比热
高温时,
，即
按 Maclaurin 公式展开 取前三项有
,其中
,
.
, 很小，于是
， ,于是
4.(3.12)设某离子晶体中相邻两离子的相互作用势能为
为待定常数，平衡间距 解：平衡时，有
，求线膨胀系数 .
线膨胀系数
,
其中
,
.
即
10 / 15
1.(4.3)如果已知空位形成能为 是多少?
解：
作业 5
应满足布洛赫定理，若晶格常数为 ，电子的波函数为
(2)
.
(3)
( 是某个确定的函数)
试求电子在这些状态的波矢.
解：一维布洛赫定理为
.
(1)
(2) (3) 2(6.2)设一维电子能带可以写成
其中 为晶格常数，试求 (1) 能带的宽度； (2) 电子的平均速度； (3) 能带底部和顶部的电子有效质量.
解：(1)
马德隆常数
，对于一维晶格，选取一个正离子作为参考离子，在求和中对负离子取正号，
对正离子取负号，参考离子两边的离子是对称分布的，则有
时，由
两边积分，有
取 ，得
故由两种离子组成、间距为 的一维晶格的马德隆常数
固体物理习题答案
第一章晶体的结构习题解答1.以堆积模型计算由同种原子构成的同体积的体心和面心立方晶体中的原子数目之比.[解答]设原子的半径为R,体心立方晶胞的空间对角线为4R,胞的边长为,晶胞的体积为,一个晶胞包含两个原子，一个原子占的体积为,单位体积晶体中的原子数为;面心立方晶胞的边长为 ,晶胞的体积为,一个晶胞包含四个原子，一个原子占的体积为,单位体积晶体中的原子数为 . 因此，同体积的体心和面心立方体晶体中原子数之比为：=0.909。
2．解理面是面指数低的晶面还是面指数高的晶面？为什么？[解答]晶体容易沿解理面劈裂，说名平行于解理面的原子层之间的结合力弱，即平行解理面的原子层的间距大。
因为面间距大的晶体晶面族的指数低，所以解理面是面指数低的晶面。
3．与晶列垂直的倒格面的面指数是什么？[解答]正格子与倒格子互为倒格子。
正格子晶面与倒格式垂直,则倒格晶面与正格矢正交。
即晶列与倒格面垂直。
4．高指数的晶面族与低指数的晶面族相比，对于同级衍射，哪一晶面族衍射光弱？为什么？[解答]对于同级衍射，高指数的晶面族衍射光弱，低指数的晶面族衍射光强。
低指数的晶面族间距大，晶面上的原子密度大，这样的晶面对射线的反射（衍射）作用强。
相反，高指数的晶面族面间距小，晶面上的原子密度小。
另外，由布拉格反射公式2dh k ls inθ=nλ可知,面间距dh k l 大的晶面，对应一个小的光的掠射角θ面间距dh k l小的晶面，对应一个大的光的掠射角θ。
θ越大，光的透射能力就越强，反射能力就越弱。
5．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，π /6；（2）体心立方，；（3）面心立方，；（4）六角密积，；（5）金刚石结构，。
[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为一个晶胞中刚性原子球数，r表示刚性原子球半径，表示晶胞体积，则致密度（1）对简立方晶体，任一个原子有6个最近邻，若原子以刚球堆积，如图1·2所示，中心在1，2，3，4处的原子球将依次相切。
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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1231．布喇菲格子：晶体由完全相同的原子组成，原子与晶格的格点相重合，而且每个格点周围的情况都一样。
（Bravais 格子）氯化钠结构：面心立方Na +布氏格子和面心立方Cl -的布氏格子套构而成的复式格子。
金刚石晶胞中由于位于四面体中心的原子和顶角原子价键的取向各不相同（即中心原子和顶角原子周围的情况不同），所以是复式格子，这种复式格子是两个面心立方格子套构而成的。
2．倒格子：设一晶格的基矢为→1a ，→2a ，→3a ，若另一格子的基矢为→1b ，→2b ，→3b ，与→1a ，→2a ，→3a 存在关系：⎩⎨⎧≠===•ji j i a b ij j i 022ππδ (i,j=1,2,3)则称以→1b ，→2b ，→3b 为基矢的格子是以→1a ，→2a ，→3a 为基矢的格子的倒格子。
自原点O 引晶面族ABC 的法线ON ，在法线上截取一段OP=ρ，使ρd=2π，d 是晶面族ABC 的面间距，对于每一族晶面都有一点P ，使得OP 成为该方向的周期，把P 平移可以得出一个新的点阵，这个新格子称为原来晶格的倒格子。
设正格子基矢为→1a ，→2a ，→3a ，则→1a →2a ，→2a →3a ，→3a →1a 晶面族 的面间距分别为d 3，d 1，d 2。
分别作OP 垂直于三个晶面族，在三个垂线上截取33/2d b π=，11/2d b π=，22/2d b π=，这样得出的三个矢量→1b ，→2b ，→3b 就取为倒格子的基矢。
又因为正格子元胞的体积为：)()()(213132321→→→→→→⨯=⨯=⨯=Ωa a d a a d a a d ，即：Ω⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯•==→→→323122a a d b ππ，Ω⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯•==→→→132222a a d b ππ，Ω⎪⎭⎫⎝⎛⨯•==→→→211322a a d b ππ3．证明体心立方格子和面心立方格子互为正倒格子。
面心立方格子基矢： )(2)(2)(2321→→→→→→→→→+=+=+=j i a a i k a a k j a aB 0 →1a→3a→2aAC NP利用公式：Ω⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯•=→→→3212a a b π，Ω⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯•=→→→1322a a b π，Ω⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯•=→→→2132a a b π可求出其倒格子基矢为： )(2)(2)(2321→→→→→→→→→→→→-+=+-=++-=k j i ab k j i a b k j i a b πππ体心立方格子基矢： )(2)(2)(2'3'2'1→→→→→→→→→→→→-+=+-=++-=k j i a a k j i a a k j i a a 利用公式可求出其倒格子基矢为： )(2)(2)(2'3'2'1→→→→→→→→→+=+=+=j i a a i k a a k j a a πππ，所以体心立方格子与面心立方格子互为正倒格子。
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,
求出倒易点阵初基矢量 b1，b2。设
b1 = b1x i + b1 y j b2 = b2 x i + b2 y j
由 b1 ia1 = 2π
b1 ia2 = 0 b2 ia1 = 0 b2 ia2 = 2π
得到下面四个方程式
ai i(b1x i + b1 y j ) = 2π
1 3 ( ai + aj )i(b1x i + b1 y j ) = 0 2 2
正方 a=b a^b=90°
六方 a=b a^b=120°
矩形 a≠b a^b=90°
带心矩形 a=b a^b=90°
平行四边形 a≠b 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) 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
《固体物理学》部分习题参考解答
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： 对于面心立方，处于面心的原子与顶角原子的距离为：Rf=
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倒格子体积
(2 )3
v
2.5正格子中晶面指数为 （h1h2h3）的晶面和倒格矢 Kh 正交
其中Kvh
r h1b1
r h2b2
r h3b3
意味着
倒格矢
v
K h是晶面指数为
（h1h2h3）所对应的晶面族的法线
证明
uuur CA
r a1
ar3
h1 h3
v
rrr
K h1h2h3
h1b1 h2b2
h3b3 r Q ai
r bj
2
ij
v K h1h2h3
uuur CA
r (h1b1
r h2b2
r h3b3
)
(
r a1 h1
r a3 h3
)
r h1b1
r ga1 h1
h3
r b3
r ga3 h3
0
同理可证
v uuur Kh1h2h3 CB 0
v 所以晶面族（h1h2h3）与和倒格矢 Kh1h2h3 正交
r a(i
r k)
2
2
2
uuur uuur 1 r r r 1 r r a2 r r r
BA BC (2a b c) (a c) (i 3 j k)
2
2
4
ABC面的密勒指数为 (131)
（2）AC晶列的指数
C
cr
uuur uuur uuur AC OC OA
a
个原子球相切，因此，面对角线长度为
2a 4r 晶胞体积为 V a3
晶胞内包含4个原子，所以有： 4
4
(
2a )3
(4) 六角密积
x 3 4 a3
2
6
任意一个原子球有12个最近邻，若原子
以刚性球堆积，则面心原子与面上其它
6个原子球相切，因此有 a 2r
由第1题知 c 8a 4 2 r
a1 、a2 、a3 h1 h2 h3
晶面指数为
d
c os
a1
h1
d c os
a2
h2
d c os
a3
h3
h1
a1
cos d
h2
a2
cos d
h3
a3
cos d
a1 cos
d
a2 cos
d
a3 cos
d
a
ky
2 h2
b
kz
2 h3
c
2 h1
a
kx
2 2
h12 a2
2 2
h22 b2
2 2
h32 c2
kx
a
h1
[ h12 a2
h22 b2
h32 ] c2
kx
a
h1
[
h12 a2
h22 b2
h32 c2
]
ky
2 h2
b
kz
2 h3
c
所以衍射极大出现在方向
acxˆ 1 acyˆ 2
3 a2c
2 a
2
3 3
2
acyˆ 3 a2c
2 a
2
3 3
yˆ
2
3 2
xˆ
1 2
yˆ
b3
2
a1
•a1a2a2a3
2
3 2
a2 zˆ
2
zˆ
3 a2c c
2
晶格常数为：
(
s1
cos
,
s2
cos
,
s3
cos
)
其中 s1, s2, s3 是保证 h1, h2 , h3 为互质数的因子,称为互质因 子
1.14 如图所示，B、C两点是面心立方晶胞上的两面心，求：
（1）ABC面的密勒指数；
C
（2）AC晶列的指数。
cr
（1）
uuur
uuur
B
r
矢量 BA 与矢量 BC 的叉乘即是Fra bibliotek2 h1a
kx
2 h2
b
ky
2 h3
c
kz
2
2
(
h12 a2
h22 b2
h32 c2
)
rr r k k0 Gh
r k0 x
2 ( h1
a
xr
h2 b
yr h3 c
zr )
(k0
2 h1 )xr
a
2 h2
b
yr
2 h3
c
zr
kx
k0
2 h1
这种复式格子实际上是两个面心立 方格子套构而成的。
1.3
对于六角密堆积结构，试证明：
c a
(8)1/2 3
1.633
。
底面原子及与体心原子之间均紧密接触
则红线的长度为 y 3 a 3
y2
c 2
2
a2
c 2
2
2
3 3
a
a2
3a 8r
晶胞体积为 V a3
晶胞内包含8个原子，所以有：
8 4(
x
3 a3
3a )3 8
3
16
简立方、体心立方、面心立方、六角密积以及金刚石结构 的致密度依次为
3
2
2
3
6
8
6
6
16
1.6
基矢为
av1
r ai
av2
r aj
av3
a 2
r (i
r j
r k)
的晶体为何种结构？
v j)
—— 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
b1
2
a
(i
j
k)
同理
b2
2
a
(i
j
k)
b3
2
a
(i
j
k)
—— 可见由
为基矢构成的格子为体心立方格子
2.4 证明倒格子原胞体积 倒格子基矢
axˆ
a2 a3
a xˆ 2 czˆ
3a yˆ 2
相应的倒格子基矢为：
容易看出此倒格子为 简单六角布喇菲格子
b1
2
a1
•a2a2
a3 a3
2
b2
2
a1
•a3a2
a1 a3
2
3 2
第一章 习题
1.1 何谓布喇菲格子？试画出NaCl晶体的结点所构成的布喇 菲格子。
答：所谓布喇菲格子是指晶体由完全相同的原子组成， 原子与晶格的格点相重合，而且每个格点周围的情况都 一样。（Bravais格子） 氯化钠结构：面心立方Na+布氏格子和面心立方Cl-的 布氏格子套构而成的复式格子。
1.2 为何金刚石结构是复式格子？ 答：金刚石晶胞 位于立方体体内原子和立方体角或面心 原子价键的取向各不相同，所以是复式 格子
axˆ byˆ czˆ
b1 b2
2 a 2 b
xˆ yˆ
b3
2 c
zˆ
任意倒格矢
Gh
h1b1 h2b2
h3b3
2 h1 a
xˆ
h2 b
yˆ
h3 c
zˆ
r
因入射X射线方向沿[100]方向故有 k0 k0xˆ
a 2
r (i
r j
r k)
由此可推断为体心结构
1.7、1.8、1.9、1.10、1.12和1.13见课件
1.11 已知三斜晶系的晶体中，三个基矢为 av1 ，av2 和 av3 , 现测知 该晶体的某一晶面法线与基矢的夹角依次为α、β和γ，试求 该晶面的面指数
解： 最靠近原点的晶面在三 个基矢上的截距分别为
以刚性球堆积，则体心原子与处在8个
顶角位置处的原子球相切，因此，对
a
角线长度为 3a 4r r 3 a
4
晶胞体积为 V a3
晶胞内包含2个原子，所以有：
2 4(
x
3 a3
3a )3 4
3
8
(3) 面心立方
任意一个原子球有12个最近邻，若原子
以刚性球堆积，则面心原子与面角处4
b
A
uAuurBC面uu的ur 法u线uu矢r 量 BA OA OB
(ar
r b)
1
r (b
cr )
1
(2ar
ar
r b
cr )
2
12a(2ri